Oculus展示新突破“焦點(diǎn)平面顯示技術(shù)”

據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，Oculus Research 的 VR 和 AR 研發(fā)中心近日發(fā)布了一項(xiàng)名為“焦點(diǎn)平面顯示”的新技術(shù)，該技術(shù)試圖改善現(xiàn)今 VR 頭戴設(shè)備的視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題（VAC現(xiàn)象，也就是我們通常所說的調(diào)焦沖突，雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))的詳細(xì)解釋請閱讀文后背景介紹），公司將這項(xiàng)技術(shù)稱為一次“突破性”進(jìn)展。

圖為Oculus Research 焦點(diǎn)平面展示器原型機(jī)，圖片來源：courtesy Oculus

目前，Oculus Research 已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于該技術(shù)的一篇論文，并計(jì)劃在今年7月的SIGGRAPH 大會上展示這項(xiàng)技術(shù)。公司官方報道稱：

焦點(diǎn)平面顯示技術(shù)模仿了人眼在不同距離物體間自然轉(zhuǎn)換聚焦的方式。不同于過去通過增加更多聚焦區(qū)域來獲得相同景深的方法，這項(xiàng)新的技術(shù)利用空間光調(diào)制器（SLMs）改變光線進(jìn)入顯示器的方式，使頭盔顯示器在3D物體上的焦點(diǎn)發(fā)生彎曲，從而增加景深，同時將展示的空間距離最大化。這項(xiàng)技術(shù)可以提升畫面的清晰度，讓用戶的 VR 使用體驗(yàn)更加真實(shí)自然。該項(xiàng)目結(jié)合了先進(jìn)的硬件工程技術(shù)、科學(xué)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺研究和最先進(jìn)的算法技術(shù)，旨在推進(jìn)下一代 VR 設(shè)備的發(fā)展，此次研究綜合使用了多個學(xué)科的最前沿方法，也是我們的第一次嘗試。這項(xiàng)技術(shù)未來甚至可以讓近視人群在使用 VR 設(shè)備時摘掉眼鏡。

項(xiàng)目研究者們使用了空間光調(diào)制器，對光線進(jìn)行選擇性彎曲，從而改變對圖像不同區(qū)域的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)。

由 Oculus Research 的科學(xué)家 Nathan Matsuda，Alexander Fix 和 Douglas Lanman 合作發(fā)表的論文中對該技術(shù)闡釋如下：

焦點(diǎn)平面顯示延續(xù)了此前變焦距和多焦距的概念，并進(jìn)一步根據(jù)場景內(nèi)容對視覺圖像進(jìn)行定制化。得益于數(shù)年來相關(guān)的自適應(yīng)成像技術(shù)應(yīng)用的研究基礎(chǔ)，我們展示了新型的相位調(diào)制器 SLMs 在實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)平面顯示一概念的能力。我們構(gòu)建出一個概念證明原型機(jī)來展示高像素的多點(diǎn)對焦成果，同時也展示了對聯(lián)合焦點(diǎn)平面與彩色圖像分解的一個完整最優(yōu)解決框架。通過將基于目標(biāo)的焦散、視網(wǎng)膜掃描顯示器和其他相適應(yīng)的HMDs 等概念的結(jié)合，我們希望該研究可以啟發(fā)研究者們利用新型展示技術(shù)解決 HMDs 中的視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)并不是解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題的最佳方法，但是 Oculus 打算將這項(xiàng)技術(shù)作為目前 VR 展示技術(shù)和未來理想解決方案的一個折衷方法。

Oculus 在其官方博客中寫道：“盡管我們離最終產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)還有很長的一段路要走，但那時這項(xiàng)新技術(shù)為未來的研究打開了一個激動人心又富有價值的新方向。我們將會為整個 VR/AR 產(chǎn)業(yè)的利益，持續(xù)發(fā)表新的研究結(jié)果。“

論文中提到的所謂“變焦距”展示是目前一個熱門研究主題。因?yàn)樵摷夹g(shù)旨在讓 VR 頭盔展示器中的光線變得更貼近我們現(xiàn)實(shí)生活中看到的樣子，使得我們的雙眼在虛擬場景中聚焦更加自然和舒適。這項(xiàng)技術(shù)也可以讓近視人群在使用 VR 頭盔時摘掉眼鏡。

焦點(diǎn)平面顯示技術(shù)仍然需要人眼追蹤，所以這還不是一個十分完善的解決方案。研究者也承認(rèn)，該技術(shù)在廣角情況下不易實(shí)現(xiàn)，下圖展示了研究者們對實(shí)現(xiàn)“變焦距”的不同技術(shù)方式的特點(diǎn)評估。

問題背景：視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題（Vergence-Accommodation Conflict）

在聚焦不同距離的物體時，眼晶體會自行調(diào)整曲度，圖片來源：courtesy Pearson Scott Foresman

在現(xiàn)實(shí)世界里，如果想要聚焦在近物上，眼睛晶狀體就會自動彎曲，將物體的光準(zhǔn)確地反射在視網(wǎng)膜上，使你清晰地看到該物體。而對于遠(yuǎn)距離物體，光線則從不同于近物的角度進(jìn)入眼睛，此時晶狀體必須再次調(diào)整，保證光線還能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。這也就是為什么當(dāng)你注視眼前的手指時，后面的景象會變得模糊；相反地，如果你聚焦與手指后面的景象，你的手指將變得模糊不清。這就叫做屈光調(diào)節(jié)（Accommodation）。

視覺輻輳是指單眼將單個視角重疊整合為3D圖像的眼軸旋轉(zhuǎn)。圖片來源：courtesy Fred Hsu

視覺輻輳（Vergence）是指雙眼眼軸通過一定的旋轉(zhuǎn)將左右單個視角整合為一個立體圖像的過程。在觀察遠(yuǎn)距離物體時，雙眼幾乎是平行的，因?yàn)殡p眼距離與物體的距離相比已經(jīng)微不足道了（這相當(dāng)于兩個眼睛觀察到的物體角度幾乎相同）。但是在觀察近距離物體時，你的雙眼必須有一定角度的向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證圖像的立體效果。你可以通過觀察面前手指來感受這一過程。當(dāng)你聚焦在近處的手指時，會看到手指后方的景象有兩個成像，而當(dāng)你聚焦在遠(yuǎn)處時，會出現(xiàn)兩根手指。

通過眼睛的精密調(diào)整，你的大腦可以利用屈光調(diào)節(jié)或視覺輻輳來判斷聚焦物體的遠(yuǎn)近距離。問題在于，屈光調(diào)節(jié)和視覺輻輳實(shí)際上并不是自動地同時發(fā)生的，他們之間有一個直接的相關(guān)關(guān)系，給定任意的屈光調(diào)節(jié)度，就會對應(yīng)一個視覺輻輳度；相同地，給定一個視覺輻輳度，就有一個相應(yīng)的屈光調(diào)節(jié)度。在人類的嬰兒時期，大腦和眼的配合就已經(jīng)形成了正確的肌肉記憶，使得二者總能在無需思考下同時發(fā)生。

但是，在現(xiàn)今的AR/VR頭戴展示器上，受限于光學(xué)設(shè)計(jì)，屈光調(diào)節(jié)和視覺輻輳不會像人眼一樣同時調(diào)整。在AR/VR 的頭盔中，在距雙眼3英寸的地方有一個播放虛擬圖像的顯示器，和一個將光線聚焦在眼睛上的透鏡（就像人眼中將外界光線聚焦在視網(wǎng)膜上的晶狀體一樣）。但是因?yàn)轱@示器和眼睛的距離是固定不變的，所以圖像中所有物體的光線也是從相同距離出發(fā)。因此即使在虛擬場景里有一個五公里遠(yuǎn)的山和一個五英寸近的咖啡杯，他們進(jìn)入你眼中光線的角度都是一樣的（這就意味著你眼睛的屈光調(diào)節(jié)度不會改變）。

因此，不變的屈光調(diào)節(jié)和頭盔中變化的雙眼視覺輻輳產(chǎn)生了一個沖突。所以調(diào)整VR顯示中左右眼不同的圖像，使得雙眼可以在不同距離物體之間調(diào)整聚焦點(diǎn)，是VR/AR 顯示立體光學(xué)的關(guān)鍵所在。

當(dāng)然，雷鋒網(wǎng)覺得未來我們的確可以研發(fā)出的最貼近現(xiàn)實(shí)也是最舒適的VR/AR展示技術(shù)，消除視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突問題，讓二者同步進(jìn)行，正如我們在真實(shí)世界里看到的一樣。

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