Oculus展示新突破“焦点平面显示技术”,让近视人群使用VR头盔时摘掉眼镜

2017-01-16 17:13 来源:雷锋网
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  Oculus Research 的 VR 和 AR 研发中心近日发布了一项名为“焦点平面显示”的新技术,该技术试图改善现今 VR 头戴设备的视觉辐辏调节冲突问题(VAC现象,也就是我们通常所说的调焦冲突,雷锋网的详细解释请阅读文后背景介绍),公司将这项技术称为一次“突破性”进展。

Oculus展示新突破“焦点平面显示技术”,让近视人群使用VR头盔时摘掉眼镜

  图为Oculus Research 焦点平面展示器原型机,图片来源:courtesy Oculus

  目前,Oculus Research 已经发表了关于该技术的一篇论文,并计划在今年7月的SIGGRAPH 大会上展示这项技术。公司官方报道称:

  焦点平面显示技术模仿了人眼在不同距离物体间自然转换聚焦的方式。不同于过去通过增加更多聚焦区域来获得相同景深的方法,这项新的技术利用空间光调制器(SLMs)改变光线进入显示器的方式,使头盔显示器在3D物体上的焦点发生弯曲,从而增加景深,同时将展示的空间距离最大化。这项技术可以提升画面的清晰度,让用户的 VR 使用体验更加真实自然。该项目结合了先进的硬件工程技术、科学医学成像技术、计算机视觉研究和最先进的算法技术,旨在推进下一代 VR 设备的发展,此次研究综合使用了多个学科的最前沿方法,也是我们的第一次尝试。这项技术未来甚至可以让近视人群在使用 VR 设备时摘掉眼镜。

  项目研究者们使用了空间光调制器,对光线进行选择性弯曲,从而改变对图像不同区域的焦点调节。

  由 Oculus Research 的科学家 Nathan Matsuda,Alexander Fix 和 Douglas Lanman 合作发表的论文中对该技术阐释如下:

  焦点平面显示延续了此前变焦距和多焦距的概念,并进一步根据场景内容对视觉图像进行定制化。得益于数年来相关的自适应成像技术应用的研究基础,我们展示了新型的相位调制器 SLMs 在实现焦点平面显示一概念的能力。我们构建出一个概念证明原型机来展示高像素的多点对焦成果,同时也展示了对联合焦点平面与彩色图像分解的一个完整最优解决框架。通过将基于目标的焦散、视网膜扫描显示器和其他相适应的HMDs 等概念的结合,我们希望该研究可以启发研究者们利用新型展示技术解决 HMDs 中的视觉辐辏调节冲突问题。

  当然,这项技术并不是解决视觉辐辏调节冲突问题的最佳方法,但是 Oculus 打算将这项技术作为目前 VR 展示技术和未来理想解决方案的一个折衷方法。

  Oculus 在其官方博客中写道:“尽管我们离最终产品的实现还有很长的一段路要走,但那时这项新技术为未来的研究打开了一个激动人心又富有价值的新方向。我们将会为整个 VR/AR 产业的利益,持续发表新的研究结果。“

  论文中提到的所谓“变焦距”展示是目前一个热门研究主题。因为该技术旨在让 VR 头盔展示器中的光线变得更贴近我们现实生活中看到的样子,使得我们的双眼在虚拟场景中聚焦更加自然和舒适。这项技术也可以让近视人群在使用 VR 头盔时摘掉眼镜。

  焦点平面显示技术仍然需要人眼追踪,所以这还不是一个十分完善的解决方案。研究者也承认,该技术在广角情况下不易实现,下图展示了研究者们对实现“变焦距”的不同技术方式的特点评估。

Oculus展示新突破“焦点平面显示技术”,让近视人群使用VR头盔时摘掉眼镜

  问题背景:视觉辐辏调节冲突问题(Vergence-Accommodation Conflict)

Oculus展示新突破“焦点平面显示技术”,让近视人群使用VR头盔时摘掉眼镜

  在聚焦不同距离的物体时,眼晶体会自行调整曲度,图片来源:courtesy Pearson Scott Foresman

  在现实世界里,如果想要聚焦在近物上,眼睛晶状体就会自动弯曲,将物体的光准确地反射在视网膜上,使你清晰地看到该物体。而对于远距离物体,光线则从不同于近物的角度进入眼睛,此时晶状体必须再次调整,保证光线还能正好聚焦在视网膜上。这也就是为什么当你注视眼前的手指时,后面的景象会变得模糊;相反地,如果你聚焦与手指后面的景象,你的手指将变得模糊不清。这就叫做屈光调节(Accommodation)。

Oculus展示新突破“焦点平面显示技术”,让近视人群使用VR头盔时摘掉眼镜

  视觉辐辏是指单眼将单个视角重叠整合为3D图像的眼轴旋转。图片来源:courtesy Fred Hsu

  视觉辐辏(Vergence)是指双眼眼轴通过一定的旋转将左右单个视角整合为一个立体图像的过程。在观察远距离物体时,双眼几乎是平行的,因为双眼距离与物体的距离相比已经微不足道了(这相当于两个眼睛观察到的物体角度几乎相同)。但是在观察近距离物体时,你的双眼必须有一定角度的向内旋转,以保证图像的立体效果。你可以通过观察面前手指来感受这一过程。当你聚焦在近处的手指时,会看到手指后方的景象有两个成像,而当你聚焦在远处时,会出现两根手指。

  通过眼睛的精密调整,你的大脑可以利用屈光调节或视觉辐辏来判断聚焦物体的远近距离。问题在于,屈光调节和视觉辐辏实际上并不是自动地同时发生的,他们之间有一个直接的相关关系,给定任意的屈光调节度,就会对应一个视觉辐辏度;相同地,给定一个视觉辐辏度,就有一个相应的屈光调节度。在人类的婴儿时期,大脑和眼的配合就已经形成了正确的肌肉记忆,使得二者总能在无需思考下同时发生。

  但是,在现今的AR/VR头戴展示器上,受限于光学设计,屈光调节和视觉辐辏不会像人眼一样同时调整。在AR/VR 的头盔中,在距双眼3英寸的地方有一个播放虚拟图像的显示器,和一个将光线聚焦在眼睛上的透镜(就像人眼中将外界光线聚焦在视网膜上的晶状体一样)。但是因为显示器和眼睛的距离是固定不变的,所以图像中所有物体的光线也是从相同距离出发。因此即使在虚拟场景里有一个五公里远的山和一个五英寸近的咖啡杯,他们进入你眼中光线的角度都是一样的(这就意味着你眼睛的屈光调节度不会改变)。

  因此,不变的屈光调节和头盔中变化的双眼视觉辐辏产生了一个冲突。所以调整VR显示中左右眼不同的图像,使得双眼可以在不同距离物体之间调整聚焦点,是VR/AR 显示立体光学的关键所在。

  当然,雷锋网觉得未来我们的确可以研发出的最贴近现实也是最舒适的VR/AR展示技术,消除视觉辐辏调节冲突问题,让二者同步进行,正如我们在真实世界里看到的一样。

  via roadtovr.com

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