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虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality, VR), 是利用計算機模擬產生的三維空間, 提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬, 讓使用者如同身臨其境一般體驗虛擬的世界. 雖然人類對世界的感知是多感官協(xié)同作用的過程, 但人所接收的信息絕大多數(shù)來源于視覺, 人對圖像的敏銳程度也遠高于聽覺、嗅覺或者觸覺. 在虛擬現(xiàn)實中, 要實現(xiàn)高沉浸感, 關鍵在于虛擬圖像的顯示. 北京理工大學的王涌天教授針對當今虛擬現(xiàn)實領域所涉及的主要顯示技術, 對每種技術的原理和特點進行了分析、比較和總結. 特別地, 對當前虛擬現(xiàn)實的最主流顯示方式, 即頭盔顯示器, 進行了詳細的分析, 并通過頭盔顯示技術的演變闡述當前顯示技術所致力解決的問題與期望達到的目標. 最后對虛擬現(xiàn)實中顯示技術的未來發(fā)展趨勢進行了展望. 該文發(fā)表在《中國科學 信息科學》2016年第12期“虛擬現(xiàn)實縱覽”專刊中. 王涌天, 程德文, 許晨. 虛擬現(xiàn)實光學顯示技術. 中國科學: 信息科學, 2016, 46: 1694-1710 虛擬現(xiàn)實中的顯示技術需要服務于虛擬現(xiàn)實的目的, 即營造一種逼真的虛擬環(huán)境, 讓用戶具有很好的沉浸感. 沉浸感是用戶感覺到的虛擬環(huán)境的真實程度, 良好的沉浸感會使得用戶難以分辨環(huán)境的真假. 需要從人眼視覺特性著手, 人眼的單目視場角為水平150°, 豎直120°, 兩只眼睛的視場只有部分重合, 重合區(qū)域為50° 至60°. 同時, 人眼的分辨率由視場中心到邊緣迅速下降. 另外, 兩眼觀察同一景物時, 由于左右眼位置的區(qū)別, 每只眼睛的視角會有所差別, 雙眼的視差會使得大腦獲得物體的深度信息. 所以, 作為虛擬現(xiàn)實的顯示設備, 應當具有與人眼類似的視場角、良好的顯示效果(足夠的分辨率和色彩顯示性能), 并且能夠在一定程度上滿足人眼立體視覺的特性. 頭盔顯示系統(tǒng)(head-mounted display, HMD) 是最為典型的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng), 也是目前應用最為廣泛的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng), 它是指佩戴在用戶頭部, 可以隨著用戶移動和轉動, 并且向用戶眼睛顯示圖像信息的設備. 頭盔顯示系統(tǒng)的分類是多樣的. 按照所采用顯示器的大小可以分為采用微顯示器的頭盔顯示系統(tǒng)與采用較大顯示器的頭盔顯示系統(tǒng). 按照物像關系可以分為目鏡式頭盔顯示系統(tǒng)與非成像式頭盔顯示系統(tǒng), 大多數(shù)頭盔顯示器中的微顯示器與用戶眼底具有物像關系, 屬于前者, 而視網(wǎng)膜投影(掃描) 頭盔以及光場顯示頭盔則不是. 按照立體感的程度劃分, 常見的頭盔顯示器利用左右眼雙目視差形成立體感, 而多焦面頭盔、視網(wǎng)膜投影(掃描) 頭盔、光場頭盔和利用單眼視覺的頭盔等利用人類視覺的深度感知特性, 能產生更真實的立體感. 自由曲面棱鏡式頭盔最早由Okuyama 和Yamazaki 提出, Cheng 等對其進行再設計, 如下圖所示, 并通過像質自動平衡算法實現(xiàn)53.5° 的大視場角與1.875 的小F#, 大大提升了顯示效果.
Cheng D, Wang Y, Hua H, et al. Design of an optical see-through headmounted display with a low f-number and large field of view using a free-form prism. Appl Opt, 2009, 48: 2655-2668 最早將中等尺寸顯示器頭盔成功推向市場的是美國的Oculus公司, 近些年來這種類型的頭盔顯示設備成為消費級虛擬現(xiàn)實顯示器的主流產品. 對于這類頭盔目鏡的設計, 大視場角會導致鏡片元件中心厚度的增大. 為了避免這一點, Wearality sky 利用Fresnel透鏡減小鏡片厚度, 實現(xiàn)150° 的超大視場. 不同結構形式的頭盔顯示器的參數(shù)見下表.
Rolland 等提出靜態(tài)光電插入式頭盔顯示原型, 如下圖所示, 該系統(tǒng)利用微透鏡陣列將高分辨率圖像復制成圖像陣列, 再利用光學開關陣列選通, 將與用戶觀察位置對應的圖像單元疊加在背景圖像上. 光電插入式頭盔顯示原理 Rolland J P, Yoshida A, Davis A L. High-resolution inset head-mounted display. Appl Opt, 1998, 37: 4183–4193 雙目分視技術是另一種利用人眼視覺融合特性的方法. 下圖為這種方法的示意圖, 用戶的一只眼睛觀察大視場低分辨率圖像, 另一只眼觀察中心區(qū)域小視場高分辨率圖像. 該方案成本低廉, 但是用戶只能觀察到中心區(qū)域的高清晰圖像, 且無法產生立體效果. 雙目交疊顯示原理 Cheng 等提出了雙自由曲面棱鏡拼接式的頭盔顯示設備, 獲得56° × 45° 的大視場與3.2 角分的角分辨率, 如下圖所示. 同時, Cheng 等還提出其他的自由曲面棱鏡拼接形式, 其中六塊棱鏡拼接可以獲得119° × 56° 的大視場角, 同時角分辨率保持為3.2 arcmin. 自由曲面棱鏡拼接式大視場高分辨頭盔顯示系統(tǒng): (a) 為兩面拼接實現(xiàn)56°× 45° 的大視場, 在虛擬現(xiàn)實應用中并不需要右側的自由曲面補償透鏡; (b) 為6 片拼接以實現(xiàn)119°× 56° 的大視場角 Cheng D, Wang Y, Hua H. Euro Patent, 2564259 B1, 2015-01-21 分時復用式多焦面頭盔在某個特定時刻只具有一個深度的焦面, 通過自身光焦度或者物像關系的變化使得系統(tǒng)的焦面在幾個特定深度之間迅速切換, 進而生成若干焦平面. Hu 等利用變形鏡改變中間像的軸向位置, 再借由自由曲面棱鏡實現(xiàn)了雙焦面的構建, 其光路圖如下圖所示. 這個雙焦面系統(tǒng)已經可以佩戴于頭部, 但由于光路復雜, 鏡片數(shù)目較多, 體積仍然比較龐大.
Hu X, Hua H. High-resolution optical see-through multifocal-plane head-mounted display using freeform optics. Opt Express, 2014, 22: 13896-13903 Cheng 等利用兩片自由曲面棱鏡的軸向堆疊, 首次設計出了可以佩戴的輕小型雙通道頭盔顯示器, 如下圖所示. 在這個系統(tǒng)中, 兩個顯示通道分別產生位于1.25m 和5m 處的焦面. 空間并行式多焦面系統(tǒng)往往采用多個顯示器, 通過多個光學顯示通道獲得多個焦面. 與分時復用式不同, 空間并行式系統(tǒng)能夠同時顯示數(shù)個不同深度的圖像. Cheng等設計的空間并行式雙焦面頭盔顯示系統(tǒng) Cheng D, Wang Q, Wang Y, et al. Lightweight spatialy multiplexed dual focal-plane head-mounted display using two freeform prisms. Chin Opt Lett, 2013, 11: 031201 利用單眼視覺可能是緩解會聚與聚焦不匹配問題的另一條道路. Johnson 和Konrad 各自獨立地將'單眼視覺'原理應用到立體顯示領域中. 下圖顯示了單眼視覺顯示的原理. 相對于多焦面頭盔系統(tǒng), 單眼視覺頭盔系統(tǒng)結構簡單、成本低廉. 單眼視覺顯示原理 Johnson P V, Parnell J A Q, Kim J, et al. Dynamic lens and monovision 3D displays to improve viewer comfort. arXiv:1512.09163 視網(wǎng)膜投影顯示(retinal projection display, RPD) 采用Maxwell 觀察法, 使用空間光調制器在光束的不同孔徑高、不同方位角的位置疊加圖像信息, 讓用戶眼底的每一點對應于從空間光調制器出射的特定孔徑高、特定方位角的光線. 簡化的視網(wǎng)膜頭盔原理如下圖所示. Ando在其提出采用全息光學元件的頭盔顯示器中首先用到了Maxwell觀察法原理.
視網(wǎng)膜投影顯示的圖像沒有遠近的概念, 在人眼視度調節(jié)的過程中圖像始終是清晰的, 而在實際中, 由于系統(tǒng)并不是理想的針孔模型, 系統(tǒng)的景深是有限的. 視網(wǎng)膜顯示系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于可以提供更清晰的圖像、更高的對比度和更大的景深, 如下圖所示. 視網(wǎng)膜投影顯示的圖像具有很大的景深, (a) 和(b) 分別為聚焦在5 cm 和1.5 m 處的圖像. 圖中字母“A”為虛擬圖像, 寫有“手前”與“奧”的紙片分別位于5cm 與1.5m 處. Takatsuka Y, Yabu H, Yoshimoto K, et al. Retinal projection display using diffractive optical element. In: Proceedings of the 10th International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing, Kitakyushu, 2014. 403–406 除了多焦面顯示與視網(wǎng)膜顯示外, 光場成像, 或者說集成成像, 也能夠實現(xiàn)真實立體感. 光場顯示模擬了真實場景中的光線的位置和傳播方向. 光場頭盔顯示器常常借助微孔陣列或者微透鏡陣列. Song 等在自由曲面棱鏡與它的微顯示器之間加入微孔陣列獲得光場頭盔顯示器, 并且通過實驗驗證了其具有200mm 至1m 深度顯示范圍, 參見下圖. Song 等設計的光場頭盔顯示器. (a) 為原理樣機, (b) 與(c) 分別為聚焦于200mm 和1m 處的顯示效果, 圖中條紋為顯示的虛擬圖像. Song W, Wang Y, Cheng D, et al. Light field head-mounted display with correct focus cue using micro structure array. Chin Opt Lett, 2014, 12: 39–42 Lanman 等利用OLED微顯示器與微透鏡陣列實現(xiàn)的光場顯示器在包含機械結構的情況下只有11mm, 約為普通目鏡系統(tǒng)的四分之一, 其外形與顯示效果如下圖所示.
Lanman 設計的光場顯示器設備(a) 與顯示效果(b). Lanman D, Luebke D. Near-eye light field displays. ACM SIGGRAPH Talks, 2013, 32: 2504-2507 虛擬現(xiàn)實頭盔顯示器作為一種目視系統(tǒng)若要獲得廣泛的應用, 則需要具有一定視度調節(jié)能力, 使得具有不同視力水平的用戶均能正常使用. 以最簡單的頭盔顯示器, 即使用較大顯示器的單片式頭盔為例, 視度調節(jié)可以通過改變透鏡與顯示器之間的距離實現(xiàn). 另外, 在光路中加入液體透鏡、變形鏡等變焦距元件也可以實現(xiàn)視度的補償. 投影式頭盔顯示器最早由Fergason于1997年提出, 雖然它是用戶佩戴在頭部的顯示設備, 但它的顯示原理更接近于投影顯示. 與普通投影機相比, 這種投影系統(tǒng)并不會在屏幕上產生一個實像. Hua 的研究組在引入衍射光學元件和塑料光學元件的基礎上研制了超輕型、高投影質量的鏡頭, 并于2008年結合用戶自定義的鏡頭完成了另一種更加緊湊、適合于佩戴的樣機, 如下圖所示. 該樣機能達到50° 的視場角, 重量僅為750克.
投影式頭盔顯示系統(tǒng)原理樣機 Zhang R, Hua H. Characterizing polarization management in a p-HMPD system. Appl Opt, 2008, 47: 512-522 除了頭盔顯示系統(tǒng)以外, 虛擬現(xiàn)實還有大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)、體三維顯示系統(tǒng)(如下圖所示)、計算全息顯示系統(tǒng)等多種其他顯示方式. 這些顯示方式各具特點, 有著各自的應用領域.
虛擬現(xiàn)實的顯示手段多種多樣, 各具特色. 頭盔顯示設備是最為典型也是最具有發(fā)展前景的虛擬現(xiàn)實顯示設備. 小型化與大視場高分辨顯示依然是頭盔顯示發(fā)展的趨勢. 當前的頭盔顯示系統(tǒng)的研究熱點已經從單通道的左右視差型頭盔向多通道、兼具大視場與高分辨率以及真實立體感頭盔的方向轉移. 除了具有物像關系的傳統(tǒng)目鏡式頭盔顯示外, 視網(wǎng)膜顯示技術、光場頭盔顯示技術這些新型頭盔顯示技術蓬勃發(fā)展. 目前的頭盔顯示器距離長時間使用中舒適的用戶體驗還有很長的路要走. 解決會聚與聚焦的不匹配問題是提高用戶舒適度的一個重要步驟, 然而目前多焦面頭盔還難以實現(xiàn)輕小型的實用系統(tǒng). 視網(wǎng)膜顯示設備的嚴格的佩戴精度要求使得用戶體驗打了折扣. 而對于光場頭盔, 如何實現(xiàn)優(yōu)良的圖像顯示效果是有待解決的問題. 不同技術交叉融合, 各取所長將會誕生出新型的高性能頭盔顯示設備. 如前所述, 視網(wǎng)膜顯示技術與多視點技術的結合產生了具有真實立體感的頭盔顯示設備; 集成成像與自由曲面棱鏡的結合誕生了光場頭盔顯示系統(tǒng). 此外, 近些年眼動跟蹤技術的發(fā)展也會對頭盔顯示技術有所促進. 帶有眼動跟蹤功能的頭盔顯示器可能具有更加輕小的結構和更加卓越的性能. 透射式頭盔顯示技術與其他虛擬現(xiàn)實顯示技術, 例如投影技術、CAVE 等, 相結合能產生多層次的虛擬現(xiàn)實顯示效果以及適用于多用戶的虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng). 除了頭盔以外的顯示方式仍然有一定的發(fā)展與應用前景. 尤其是計算全息顯示系統(tǒng), 如果計算能力不足的難題得以突破、空間光調制器的分辨率得以提高, 則不失為一種優(yōu)秀的真實立體感虛擬現(xiàn)實顯示方式. |
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