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发布日期:2022-05-08 03:54    点击次数:105

Esther|編輯

隨著技術發展,VR的視覺效果和體驗感越來越好,盡管如斯這項技術也曾存在多種技術局限,其中最明顯的,等于VR沉重的外形。實際上,從2016年Rift頭顯問世于今,C端VR頭顯的體積的確在逐漸縮小,但是現有的VR頭顯產品也曾大量體積沉重。這主若是因為VR光學元件频繁具有一定厚度,經過多年發展,這一點并沒有太大改善。為此,一些VR廠商開始探索基于Pancake的超短焦光學,不過当今還沒有一個將6DoF Inside-Out定位和短焦决议結合的VR一體機產品。

基于Pancake光學的超短焦VR已經足夠輕便,但在NVIDIA眼中,VR還不错更小,尤其是VR光學模組的厚度、透鏡和顯示器之間的距離還不错縮短。因此,NVIDIA與斯坦福大學融合研發了一種基于SLM元件和光波導的全息VR顯示决议,并在近期公布了這項恶果。

據青亭網了解,NVIDIA的全息决议不错將VR眼鏡的厚度縮短至2.5毫米,况兼不僅能顯示2D圖像,還支撑3D顯示,視覺效果更立體。其最大的冲突是接收精密設計的光學結構,極大縮減光學模組的厚度。值得防卫的是,該决议可搭配眼球追蹤模組,并接收一種Pupil-HOGD算法來校準用戶的動態瞳孔尺寸(誤差小于0.5毫米),以提高VR圖像質量。玄妙的是,還能將用戶的瞳孔作為一種自然的傅里葉濾波器。

全息VR光學旨趣

我們清亮,VR頭顯的本質是將一款顯示屏放在你目下很近的地方。而人眼距離屏幕太近會看不清東西,因此為了讓你在近距離看明晰VR屏幕的畫面,則需要加入透鏡結構來放大圖像。長期以來,VR每每接收菲涅爾透鏡結構,這種透鏡决议的缺點是光路較長,因此光學模組的厚度偏大。比拟之下,Pancake透鏡接收折疊式光路,可大幅縮小整體厚度。

盡管如斯,Pancake光學决议仍然具有一定厚度,况兼僅能顯示2D圖像,因此NVIDIA研發了全息VR决议,來解決Pancake光學的痛點。

簡單來講,這項全息VR决议由三大中枢部分組成:1,虛擬花样的全息顯示屏;2,幾何相位透鏡;3,瞳孔仿生光波導。

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其中,全息顯示屏包含目鏡、分束器、激光、純相位空間光調制器(Phase-Only SLM)等元件。與真實花样比拟,虛擬花样的全息顯示屏主要區別是成像平面位置不同,好處是可縮短光路,裁减硬件厚度。實際上,純相位SLM在模組前哨和后方均可顯示全息圖像,在前哨顯示時光線通過分束器反射至目鏡一側,而在后方顯示時,目鏡與SLM光路的距離不错進一步縮短,從而裁减整體厚度。

為了進一步縮減硬件體積,NVIDIA接收了一個仿造瞳孔的光波導結構,來取代分束器,從而將全息成像位置改為人目下。此外,還接收更輕的幾何相位透鏡(GP)來取代目鏡。GP僅支撑幾種特定的光束偏振,由于大多數SLM僅支撑線性偏振光,因此NVIDIA在SLM和GP透鏡之間加入了一個四分之一波片(QWP)。

VR原型與優化

為了驗證效果,NVIDIA設計了臺式、單目和雙目三種原型决议,其中雙目眼鏡原型的厚度僅2.5毫米,重60g,對角線FOV達22.8°,固定眼動范圍為2.3毫米,動態眼動范圍可達8毫米。當然,由于該决议具備可擴展性,現有的原型參數也不错進一步優化。NVIDIA示意:全息顯示决议的顯示特质主要由SLM和目鏡決定,比如SLM體積越大則FOV越大,SLM像素越小則眼動范圍越大,GP透鏡焦距越短則適眼距越短。

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因此,盡管原型VR眼鏡的FOV惟有22.8°,但NVIDIA稱如果接收2英寸SLM和15毫米焦距GP透鏡,可將單目FOV提高至120°。此外,堆疊兩個调换的GP透鏡和一個圓偏振器,也不错在不大幅加多厚度的情況下將焦距減半。另外,NVIDIA設計的VR眼鏡原型的眼動范圍僅2.3毫米,但是通過結合眼球追蹤模塊,便可將眼動范圍擴展至8毫米。同時,眼動范圍大小與SLM的像素間距也有胜仗關系。

而為了優化像素細節和圖像質量,NVIDIA還接收HOGD(高梯度下跌)算法來取代SGD(隨機梯度下跌)算法來提高對比度。未來,接收專為全息VR眼鏡設計的光波導,還能進一步提高圖像質量。

總之,NVIDIA這項全息VR光學决议主要解決以下問題:打造支撑3D顯示的超薄光學决议,進一步縮短目鏡/透鏡與顯示面板之間的距離,進而縮小VR頭顯厚度,以實現輕量化的全天候外觀設計。它是一種基于SLM和光波導的决议,并非傳統的透鏡和顯示面板組合結構。

比拟于傳統VR光學,全息顯示决议還有兩個不同點:1)衍射級更高;2)具備動態眼動范圍,SLM光照所在可由輸入光束的角度來遏抑,在結合眼球追蹤模塊后,可跟隨注視點和視角變化來同步改變輸入光束的角度,從而實現動態變焦,解決視覺輻輳調節沖突問題。

實際上,NVIDIA的全息VR决议也讓人聯意想此前Meta曾展示的一種基于HOE的VR眼鏡决议。比拟之下,Meta的决议接收2D全息+液晶組合,并不成顯示3D立體視覺,而NVIDIA則接收全息+光波導决议,基于激光光源。不過,NVIDIA全息VR光學模組厚度僅2.5毫米左右,原型機的FOV為22.8°,不含SLM的分量為60g,作為對比Meta全息VR眼鏡原型厚度9毫米左右,視場角高達90°范圍,兩者技術路徑不同導致有明顯差異。

參考:

https://research.nvidia.com/publication/2022-08_holographic-glasses-virtual-reality

( END)

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