我們什么時候能擺脫笨重的 VR 頭顯呢？自從去年馬克 · 扎克伯格宣布將全力開發「元宇宙」之后，VR、AR等技術就在世界范圍內掀起了新一輪的熱潮。這些技術為計算機圖形應用等領域提供了前所未有的用戶體驗。然而，時至今日，VR頭顯的笨重依然是一個繞不開的問題，同時也阻礙了VR走進大眾的日常生活。這一問題源于VR顯示光學的放大原理，即通過透鏡將小型微顯示器的圖像放大。這種設計要求微顯示器和鏡片之間有一段相對較大的距離，因此當前的VR頭顯普遍比較笨重，佩戴起來很不舒服。為了縮短微顯示器和鏡片之間的距離，研究者們想了很多種方法，包括借助「Pancake」透鏡或波導來折疊光路等。比如在基于Pancake技術方案的VR眼鏡中，圖像源發射光線進入半反半透的鏡片之后，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出，因此能有效地縮小產品體積。傳統菲涅爾透鏡與新式Pancake透鏡的對比。最近兩年，我們已經可以看到一些基于Pancake透鏡的VR眼鏡原型。但是，這些眼鏡通常還需要在微顯示器和鏡片之間留出一些距離，而且要么只能為每只眼睛呈現2D圖像（可能導致視覺不適），要么分辨率非常有限。在最近的一篇SIGGRAPH 2022論文中，來自英偉達和斯坦福大學的研究者展示了一種新的基于 Pancake 透鏡的VR眼鏡——Holographic Glasses（全息眼鏡）。它的厚度只有 2.5 毫米，重60克，可以向佩戴者的每只眼睛展示2D或3D圖像。研究者表示，他們的Holographic Glasses 基于最近的一類想法——使用人工智能技術來提高圖像質量，并加速計算機生成的全息圖（computer-generated holograms，CGH）的計算速度。技術細節這個眼鏡主要由三部分組成：一個虛擬全息顯示部件、一個幾何相位透鏡（GP lens）和一個基于瞳孔復制的波導系統。首先來看虛擬全息顯示部件。在多數情況下，phase-only SLM（空間光調制器）會在設備前創建一個全息圖。但其實，它也可以在設備后創建，這樣一來，所有的部件都靠得更近了，系統體積大大縮小。接下來是基于瞳孔復制的波導系統。研究者使用該系統代替分束器來進一步減小系統形狀因子。相干光源耦合到波導中，并為SLM提供相干照明。他們使用市場上可以買到的用于流入光源的波導，這些光源會導致某些波長的光照不均勻，但這可以通過不同的分級設計最小化。最后，研究者用幾何相位透鏡（GP lens）代替接目鏡。幾何相位透鏡非常輕，但它僅在特定的輸入光束偏振下作為正透鏡工作，由于大多數SLM也在線性偏振輸入光下工作，他們在SLM和幾何相位透鏡之間安裝了一個波板。通過將這些部件組裝在一起，研究者做出了Holographic Glasses。Holographic Glasses的顯示特性在很大程度上取決于SLM和接目鏡。SLM尺寸越大，視場（FOV，定義了在水平、垂直和對角線方向上的可視范圍）越大；SLM像素間距越小，eye box（近眼顯示光學模組與眼球之間的一塊錐形區域，也是顯示內容最清晰的區域）越大。Holographic Glasses還有兩個不同于傳統VR眼鏡的特性。第一個特性是高衍射級（HDOs）。優秀像素的周期性結構產生了重復的高衍射級，并且由于接目鏡的作用，它們沿著瞳孔平面收斂。如果高衍射級的間隔小于瞳孔直徑，那么用HOGD算法進行相位計算時就必須考慮高衍射級。瞳孔掩蔽項M_p將HOGD算法擴展為「瞳孔HOGD（Pupil-HOGD）」算法。它使相位模式得到優化，同時考慮瞳孔濾波。仿真結果表明，與雙相位幅度編碼（DPAC）隨機梯度下降和傳統的HOGD算法相比，瞳孔HOGD算法在所有瞳孔大小下的圖像質量最好。第二個特性是動態eye box。由于波導被設計用來再現具有一定范圍的瞬時光角的光場，所以整個SLM照明的方向可以由輸入光束的方向控制。有了額外的柵極跟蹤器，系統可以跟隨注視，并通過簡單地改變輸入光束的方向來圍繞視點移動。研究者實現了兩種形態的原型機：臺式和可穿戴式。二者之間的唯一區別是可穿戴式使用了波導。下圖顯示了臺式原型機捕捉到的結果。放大后的細節顯示，HOGD算法呈現出了更高的圖像質量和更高的對比度。下面還有一個例子，紅色箭頭顯示的是由于GP透鏡缺失導致的SLM雜散光造成的偽影。下圖是用臺式原型機捕獲的多平面3D結果。結果顯示，在不同的平面上對焦圖像是正確的，可以誘發使用者的適應反射。下圖是可穿戴式原型機生成的結果：圖像質量、對比度均較差，這主要是由于波導與實現的相干光源之間不匹配，可以通過不同的分級設計來改善。局限性從當前的技術介紹來看，這款VR眼鏡還有一些局限。第一個局限是FOV。雖然這款眼鏡的 FOV 有望超過當前這一代的VR頭顯，但現在我們能看到的這版只有22.8°。「這款Holographic Glasses的FOV比當前市場上可以買到的VR/AR頭顯都要小。但是，FOV主要受SLM尺寸和GP透鏡焦距的限制，二者都可以通過不同的部件加以改善。」研究者表示。另一個局限是，這款眼鏡可能需要非常精確地測量用戶的瞳孔。如果沒有經過精巧的設計，這是很難實現的。不過，研究人員指出，使用紅外凝視跟蹤器可以做到這一點，但你需要能夠不斷跟蹤佩戴者的瞳孔大小，因為在使用眼鏡時，它們會經常調整以適應不同的光線條件。即便如此，這款VR眼鏡還是有很多令人印象深刻的地方，不知道哪家公司會率先將其商業化。更多細節請參見論文原文。論文鏈接：https://d1qx31qr3h6wln.cloudfront.net/publications/Holographic_Glasses.pdf參考鏈接：https://d1qx31qr3h6wln.cloudfront.net/publications/Holographic_Glasses.pdfhttps://minmin-tv-cp.com/researchers-find-way-to-shrink-a-vr-headset-down-to-normal-glasses-size/文章來源：機器之心IEEE Spectrum《科技縱覽》官方微信公眾平臺往期推薦量子計算機的擴展《時代》雜志：元宇宙時代將改變世界從VR到元宇宙：回顧30年，改變虛擬現實的18件大事 查看全文
