AR/VR 显示技术原理 (上)

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@Kore

随着 Google Glass 和 HTC Vive 头戴设备正成为增强现实和虚拟现实的新趋势。 戴设备屏幕 (head-mounted displays，HMDs)，它包含两个基本元素： 光学元件和 图形显示。

光学

在了解光学基础之前，我们需要了解人眼的基本属性。

视场 FOV (Field of View)

它主要表示人眼能看到的图像的最大角度范围。对于普通人来说，我们的眼睛水平方向是 200 度，会有 120 重叠度。双眼重叠部分对人眼构建立体感和景深非常重要，我们稍后会讨论，垂直视角约为 130 度。

瞳间距 IPD (Inter-pupillary distance)

这更容易理解，是人眼瞳孔的距离，它对双眼视觉系统有重要的影响。瞳孔距离在不同的人、性别和种族之间是不同的。错误的瞳孔距离计算会影响眼镜的对齐、图形扭曲、视觉疲劳和头晕。一般来说，成年人的瞳孔距离是63mm，浮动范围是 50–75mm。孩子最小瞳距约为 40 mm。

出瞳距离 (Eye relief)

这意味着人眼角膜与第一个光学元素表面之间的距离。这意味着你可以看到整个视野。这也是一个重要的考虑因素，尤其是那些视力矫正的学生。眼镜的瞳孔距离约为 12 mm。 对于头戴设备，让用户适应当前 瞳距离很重要。

出射光瞳 (exit pupil)

光学系统中出射光瞳是光圈的真实直径，只有通过这种真实直径的光才能离开系统。

视窗

它是指用户体验虚拟现实空间中瞳孔存储的体积。

用眼数量 (Ocularity)

它用于测量人类看东西所需的眼睛数量。我们都用两只眼睛来感知，所以我们不必考虑眼睛的数量。

单眼成像 (Monocular display)

显示设备允许用户通过一个显示元素或镜头在一个单独的视觉通道中观看。这个镜头出现在用户的一只眼睛前面，另一只眼睛可以查看外面的其他内容。单眼成像在生活中得到了广泛的应用，不容易受到外部因素的影响，但它不能为用户提供三维的景深，不能产生较低的对比度。Google Glass 基于这种模式。

双眼单通道 (Biocular)

它将提供一个单独的视觉检查通道，但您可以根据设备中的折射进行眼睛观察。它也会缺乏三维感，但适合更高精度的观察工作。

双眼双通道 （Binocular)

每只眼睛都能得到一个独立的视野，从而形成一个三维的视角。它将为用户提供景深和沉浸式的感觉。但你也是最复杂的计算系统。

光学架构

眼部光学设备主要解决三个问题：

瞄准视野内容，使其呈现更大的距离来放大视野内容，方便用户观看光的折射传递到用户视野中的失真 (Distortion)

一般有两种光学设计系统，或增强现实或虚拟现实的基本结构，pupil forming 以及 non-pupil forming。

Non-pupil forming 非直视结构

它由一些单独的镜头组成，如常见镜头 HTC Vive, Oculus Rift 和 Sony PSVR都是基于这种设计的。这种设计通过放大镜直接投射到太显示屏上。

pupil forming 直视型结构

这种设计需要在视窗中进行更复杂、更轻的设计，在渲染光线时会造成明显的效果 枕形失真的设计，镜头会产生 桶形失真 从而抵消这种效果。这种设计通常用于不需要沉浸式设备，如 Microsoft’s Hololens 和 Google glass。

波导

顾名思义，它是一种物理光学结构设计，可以使光曲折进入人们的眼睛。这是用来控制内部反射和光进出的。工业上有四种波导结构设计。

全息波导 (Holographic waveguide)

这是一种相当简单的光学元件波导类型，如耦合（进入）和外部耦合（退出）。 这种类型用于Sony 的 S ** rt Eyeglass。

衍射波导 (Diffractive waveguide)

通过显示器实现无缝3D覆盖图形。 许多波导都被使用Vuzix 显示设备和Microsoft的Hololens中。

偏振波导 (Polarized waveguide)

光进入波导，并通过部分偏振表面进行一系列内部反射。 选定的光波会抵消(偏振)并进入观众的眼睛。 该方法由Lumus DK-50 AR眼镜使用。

反射波导 (Reflective waveguide)

这类似于全息波导，其中单个平面光导与一个或多个半反射镜一起使用。 在爱普生的Moverio和Google Glass这种波导可以在中间看到。

全沉浸式显示技术显示类型

这些都是标准的完全沉浸式虚拟现实显示器。 这些立体显示器与传感器结合起来跟踪位置和方向。 它们像《 Ready Player One》一本书完全阻挡了用户对外界的视野。

光学透视型

在“光学 ** 用户可以通过光学元件(如全息波导等可以在现实世界中叠加图形的系统)直接查看现实。 微软的Hololens，Magic Leap One和Google Glass是最近通过智能眼镜进行光学透视的例子。

视频透视型

借助这些智能眼镜，用户可以观看安装在显示器上的一两个摄像头首先捕获的真实图像。 然后将这些相机视图与计算机生成的图像结合起来供用户查看。 HTC Vive VR 头显有内置摄像头，通常用于在设备上创建 AR 体验。

蒲小花：AR/VR 展示技术原理 (下)扩展阅读瞳孔距离出射光瞳Eye-relief-and-eye-box枕形失真波导Augmented Hu ** n — Helen PapagiannisPractical Augmented Reality — Steve Aukstakalnis

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