機器之心報道

編輯：張倩

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(fā)「元宇宙」之后，VR、AR 等技術(shù)就在世界范圍內(nèi)掀起了新一輪的熱潮。

這些技術(shù)為計算機圖形應(yīng)用等領(lǐng)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(jìn)大眾的日常生活。

這一問題源于 VR 顯示光學(xué)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(shè)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(dāng)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(dǎo)來折疊光路等。比如在基于 Pancake 技術(shù)方案的 VR 眼鏡中，圖像源發(fā)射光線進(jìn)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(chǎn)品體積。

傳統(tǒng)菲涅爾透鏡與新式 Pancake 透鏡的對比。

最近兩年，我們已經(jīng)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(xiàn) 2D 圖像（可能導(dǎo)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(dá)和斯坦福大學(xué)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(shù)來提高圖像質(zhì)量，并加速計算機生成的全息圖（computer-generated holograms，CGH）的計算速度。

技術(shù)細(xì)節(jié)

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(fù)制的波導(dǎo)系統(tǒng)。

首先來看虛擬全息顯示部件。在多數(shù)情況下，phase-only SLM（空間光調(diào)制器）會在設(shè)備前創(chuàng)建一個全息圖。但其實，它也可以在設(shè)備后創(chuàng)建，這樣一來，所有的部件都靠得更近了，系統(tǒng)體積大大縮小。

接下來是基于瞳孔復(fù)制的波導(dǎo)系統(tǒng)。研究者使用該系統(tǒng)代替分束器來進(jìn)一步減小系統(tǒng)形狀因子。相干光源耦合到波導(dǎo)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(dǎo)，這些光源會導(dǎo)致某些波長的光照不均勻，但這可以通過不同的分級設(shè)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(shù) 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(xué)模組與眼球之間的一塊錐形區(qū)域，也是顯示內(nèi)容最清晰的區(qū)域）越大。

Holographic Glasses 還有兩個不同于傳統(tǒng) VR 眼鏡的特性。

第一個特性是高衍射級（HDOs）。優(yōu)秀像素的周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重復(fù)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(jìn)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(kuò)展為「瞳孔 HOGD（Pupil-HOGD）」算法。它使相位模式得到優(yōu)化，同時考慮瞳孔濾波。

仿真結(jié)果表明，與雙相位幅度編碼（DPAC）隨機梯度下降和傳統(tǒng)的 HOGD 算法相比，瞳孔 HOGD 算法在所有瞳孔大小下的圖像質(zhì)量最好。

第二個特性是動態(tài) eye box。

由于波導(dǎo)被設(shè)計用來再現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)了兩種形態(tài)的原型機：臺式和可穿戴式。二者之間的唯一區(qū)別是可穿戴式使用了波導(dǎo)。

下圖顯示了臺式原型機捕捉到的結(jié)果。放大后的細(xì)節(jié)顯示，HOGD 算法呈現(xiàn)出了更高的圖像質(zhì)量和更高的對比度。

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下面還有一個例子，紅色箭頭顯示的是由于 GP 透鏡缺失導(dǎo)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(jié)果。結(jié)果顯示，在不同的平面上對焦圖像是正確的，可以誘發(fā)使用者的適應(yīng)反射。

下圖是可穿戴式原型機生成的結(jié)果：圖像質(zhì)量、對比度均較差，這主要是由于波導(dǎo)與實現(xiàn)的相干光源之間不匹配，可以通過不同的分級設(shè)計來改善。

局限性

從當(dāng)前的技術(shù)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(dāng)前這一代的 VR 頭顯，但現(xiàn)在我們能看到的這版只有 22.8°。

「這款 Holographic Glasses 的 FOV 比當(dāng)前市場上可以買到的 VR/AR 頭顯都要小。但是，F(xiàn)OV 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(jīng)過精巧的設(shè)計，這是很難實現(xiàn)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(jīng)常調(diào)整以適應(yīng)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(yè)化。