AR光學(xué)系統(tǒng)視覺(jué)相關(guān)重要參數(shù)

AR技術(shù)引言

AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))技術(shù)是下一代前沿視覺(jué)顯示技術(shù)。完美的AR顯示需要光、機(jī)、電、聲的無(wú)縫配合以呈現(xiàn)一場(chǎng)科技盛宴。光學(xué)無(wú)疑是顯示技術(shù)中的核心，本文將從光學(xué)角度切入探索AR世界。

人類消費(fèi)數(shù)字內(nèi)容的方式正在發(fā)生歷史性的變化。固定的獨(dú)立顯示設(shè)備，例如電視和計(jì)算機(jī)顯示器，將很快加入收音機(jī)和報(bào)紙，成為過(guò)時(shí)的媒體傳遞設(shè)備。同樣，我們低頭看手機(jī)的日子也可能不再持續(xù)。新一代的顯示設(shè)備即將出現(xiàn)，將提供前所未有的視覺(jué)刺激。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）正處于數(shù)字顯示革命的前沿。本篇文章旨在討論實(shí)現(xiàn)這一革命所需的光學(xué)顯示技術(shù)，因?yàn)闆](méi)有成功的硬件實(shí)現(xiàn)，這只是一個(gè)夢(mèng)想而非現(xiàn)實(shí)。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)顯示中，用戶既可以看見(jiàn)保留的現(xiàn)實(shí)世界的內(nèi)容又可以獲得擴(kuò)展的數(shù)字顯示內(nèi)容。圖1中展示了一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的示例。由于AR保留了現(xiàn)實(shí)世界的視圖，它對(duì)我們的生活產(chǎn)生了更大的影響。

AR光學(xué)技術(shù)歷史與起源

自1960年以來(lái)，光學(xué)透視增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）顯示一直在不斷發(fā)展。Ivan Sutherland的第一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)顯示器被戲稱為“達(dá)摩克利斯之劍”。 它是第一個(gè)頭戴式顯示器，盡管其體積龐大且需要懸掛使用。這一設(shè)備標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人機(jī)交互領(lǐng)域的重要進(jìn)步，并為后續(xù)AR技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著個(gè)人電腦的普及，AR技術(shù)在1980年代開(kāi)始進(jìn)入消費(fèi)者市場(chǎng)?；陬^盔的顯示器提供了40°×30°的視場(chǎng)，集成了頭部跟蹤功能，為用戶帶來(lái)了沉浸式的體驗(yàn)。這些早期的AR頭盔雖然在技術(shù)上有所限制，但它們?yōu)榻裉斓腁R眼鏡和應(yīng)用提供了寶貴的設(shè)計(jì)參考。早期的AR項(xiàng)目使工程師們意識(shí)到，除了在硬件方面進(jìn)行創(chuàng)新外，還需要深入了解增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)人類感知的影響，以減輕長(zhǎng)時(shí)間使用可能導(dǎo)致的不良副作用，例如惡心、頭暈、疲勞或頭痛 。

AR光學(xué)與人眼視覺(jué)系統(tǒng)

為了更加深入了解AR顯示的光學(xué)技術(shù)，首先需要了解外部世界與人類視覺(jué)的交流樞紐—人眼視覺(jué)系統(tǒng)。

AR顯示系統(tǒng)是專門針對(duì)人類視覺(jué)所設(shè)計(jì)的一套光學(xué)系統(tǒng)。為了獲得一個(gè)擁有優(yōu)異光學(xué)性能的AR顯示系統(tǒng)，不可避免地需要了解人眼。雖然人眼是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但使用簡(jiǎn)單的人眼光學(xué)模型（如圖3）足以滿足對(duì)AR光學(xué)系統(tǒng)的了解。角膜是眼睛的主要聚焦元件，提供大部分聚焦能力。晶狀體通過(guò)肌肉調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。虹膜作為光闌，控制進(jìn)光量和成像質(zhì)量。視網(wǎng)膜前的玻璃體不參與聚焦。眼睛旋轉(zhuǎn)中心位于角膜后約11毫米處。

視網(wǎng)膜可視為與眼球曲率相匹配的非平面探測(cè)器。它由兩種像素組成：數(shù)量較多的桿狀體負(fù)責(zé)周邊視覺(jué)，而密集的錐狀體則集中在黃斑區(qū)，提供高分辨率的中心視覺(jué)。眼睛通過(guò)快速掃描黃斑區(qū)的高分辨率區(qū)域來(lái)感知清晰圖像。根據(jù)奈奎斯特采樣理論，眼睛的最大理論分辨率為每毫米200個(gè)周期，實(shí)際可達(dá)每毫米110個(gè)周期，相當(dāng)于一弧分的視角。這種高分辨率僅限于視場(chǎng)中心，分辨率隨著視場(chǎng)增大迅速下降。最鮮明的圖像來(lái)自于可見(jiàn)光譜的綠色帶。

圖3 圖片來(lái)源：Springer Handbook o? AR

AR光學(xué)系統(tǒng)視覺(jué)相關(guān)重要參數(shù)

在了解眼睛如何作為成像系統(tǒng)工作后，我們接下來(lái)開(kāi)始討論用于給眼睛成像的光學(xué)系統(tǒng)了。許多為人類視覺(jué)系統(tǒng)服務(wù)的光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)是將放大的圖像呈現(xiàn)給眼睛，包括AR顯示系統(tǒng)。這種類型的光學(xué)系統(tǒng)屬于目鏡設(shè)計(jì)類別。目鏡的一個(gè)獨(dú)特特征是它們?cè)O(shè)計(jì)有外部瞳孔。為了避免在使用目鏡時(shí)出現(xiàn)視場(chǎng)漸暈，光學(xué)系統(tǒng)的外部瞳孔必須與眼睛的入射瞳孔重合，即通過(guò)角膜的虹膜圖像，位于角膜后面約3.05毫米處。如果目鏡與眼睛不匹配就會(huì)發(fā)生畫面裁剪或漸暈的情況。

圖4

眼動(dòng)范圍（Eye Box）的概念與瞳孔密切相關(guān)。光學(xué)系統(tǒng)的眼動(dòng)范圍被定義為用戶可以放置眼睛的三維區(qū)域，其中視場(chǎng)的漸暈是可接受的，并且圖像質(zhì)量滿足規(guī)格要求。眼動(dòng)范圍通常設(shè)計(jì)得比眼睛的瞳孔大，以便容易、靈活地使用，并適應(yīng)給定頭部位置的自然眼睛旋轉(zhuǎn)。

眼間距(Eye Clearance)是AR顯示器的一個(gè)與眼動(dòng)范圍相關(guān)的參數(shù)，影響用戶的舒適度（如圖4）。眼間距定義為眼睛入射瞳孔與AR顯示器組件的任何結(jié)構(gòu)特征之間的最小距離。這與更常見(jiàn)的視距(Eye Relief)規(guī)格相似，但除了光學(xué)組件外，還考慮了機(jī)械特征。如果眼間距太短，AR顯示器的部分會(huì)與用戶的臉部或鼻子發(fā)生碰撞。如果眼間距太大，AR顯示器會(huì)從用戶臉上難看地突出。光線傳播的長(zhǎng)度更長(zhǎng)、傳播范圍更大，從而導(dǎo)致更大、更冗余的光學(xué)元件。因此，眼鏡距離臉部約17-20毫米可參考為AR顯示的最佳眼間距。

視場(chǎng)角

圖5 圖片來(lái)源：Springer Handbook o? AR

一旦眼睛位于眼動(dòng)范圍內(nèi)，就可以看到完整的虛擬圖像，而視場(chǎng)角決定了虛擬圖像的大小。視場(chǎng)角是AR顯示系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，通常會(huì)給用戶留下最深刻的印象。視場(chǎng)越大，體驗(yàn)越沉浸。AR顯示器所需的視場(chǎng)根據(jù)應(yīng)用的不同而有很大差異。對(duì)于文本顯示和通知，15°的小視場(chǎng)可能就足夠了。對(duì)于沉浸式游戲，尋求90°或更大的視場(chǎng)(如圖5)。

畸變

圖6圖片來(lái)源：Springer Handbook o? AR

隨著視場(chǎng)角的增加，圖像畸變也會(huì)增加。在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的視覺(jué)系統(tǒng)中，畸變要么是純徑向的枕形形式，要么是桶形形式，如圖8.10所示，當(dāng)畸變百分比大于1%時(shí)，人眼可以明顯感知到畸變。但AR系統(tǒng)往往不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此失真很少僅僅是徑向的，非對(duì)稱畸變也是AR成像畸變的重要組成(如圖6)。