Leap Motion詳細介紹北極星AR頭顯的校準系統

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北極星頭顯的校準系統

（映維網 2019年02月01日）將新世界變成現實不僅需要先進的軟體，這同時是一次與物理定律的較量。對於Leap Motion的北極星頭顯而言，其有可能是對AR未來交互的一睹。這同時是一次艱巨的工程挑戰，因為寬視場顯示器和光學元件需要全新的校準與扭曲系統。Leap Motion的Johnathon Selstad日前就這一問題介紹了北極星頭顯的校準系統，以下是映維網的具體整理：

簡單介紹：北極星頭顯兩側都設有兩個屏幕，其面向用戶前方的反射器。顧名思義，反射器反射來自屏幕的光線，並將其反射至用戶眼睛。

不難想像，這需要高精度的校準和對齊，尤其是AR。在VR中，大腦通常會「粉飾」時間和空間的不匹配，因為我們沒有任何視覺上的參照物可以進行對比。但對於AR，我們可以同時看到虛擬世界和現實世界，而這意味著系統需要精確對準兩者。

北極星頭顯在精度和性能方面設置了更高的標準，因為其視場大於任何先前的AR頭顯。最重要的是，設備光學系統產生了立體發散的離軸失真，而這無法通過傳統的徑向多項式進行精確建模。

Leap Motion是如何達到這一高標準的呢？僅通過能夠忠實表示光學系統的物理幾何形狀的扭曲模型。模擬光學系統的最佳方法是利用光追（光線追蹤），亦即追蹤從光源→光學系統→眼睛的光線路徑。光追可以模擬來自顯示器的給定光線是於何處進入眼睛，因此我們可以精確地映射眼睛和屏幕之間的扭曲。

但這樣做的前提是，我們首先需要光學系統的幾何形狀。今天的小型原型製作技術具備較高的性價比，但代價是機械公差較差（相對於近眼光學系統的要求）。對於北極星的開發，我們需要一種方法來測量這些機械偏差，從而創建有效的扭曲映射。

了解光學系統的最佳方法之一是：用雙眼進行親身感受。通過比較看到的視圖與現實世界的參考，我們可以測量系統中組件的總偏差。藉助所謂的「數值優化器」演算法，我們可以求解光學元件的配置，從而最大限度地減少真實世界參考和虛擬圖像之間的扭曲差值。

簡單來說，我們發現完全可以在相同的基礎3D環境中構建校準系統，處理光追和3D渲染。我們首先在頭顯內設置了一個較新的64mm模塊，並將其指向一塊大大的平板液晶顯示器。顯示器上的圖案使得我們可以相對於頭顯裝置對其位置與方向進行三角測量。

接下來，我們就可以在頭顯渲染一個倒置的虛擬顯示器，同時其位置與真實世界顯示器相同。如果兩個版本的顯示器完美匹配，它們會相加抵消並變成同一的白色。以「完美白色」作為參照，模塊現在可以測量其中的偏差。

這種「一次性」光度計成本指標允許我們進行快速評估，從而在循環中運行無梯度單面Nelder-Mead優化器。儘管這聽起來效率低下，但實際上它可以幫助我們以非常高的精度往正確的配置靠攏。

這可能是故事結束的地方，但有兩種微妙的情況可能會導致優化器得出錯誤的結論。第一種局部極小值的情況在實踐中很少出現。第二種情況則與這樣一個事實有關：當從單個視角觀察時，多個光學配置可以產生相同的幾何扭曲。解決方案是，同時從兩個攝像頭拍攝每隻眼睛的光學元件。這允許我們為每個可以從任何角度進行光線追蹤的頭顯帶來一個真正精確的光學系統。

在靜態光學系統中，通常不值得為每個頭顯光學模型確定扭曲校正。但近眼顯示器並非靜態，眼睛位置因很多原因而發生改變，如不同的IPD，不同的頭顯人體工程學，甚至是設備在頭部的逐漸移位。任何一個因素都會對增強現實的沉浸感帶來影響。

幸運的是，通過結合光追模型與眼動追蹤，我們可以在零成本的情況下實時補償這種不一致性。

原文鏈接：https://yivian.com/news/56105.html

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