新型三维显示设备：改善VR/AR产品视觉舒适度！
导读
时下，VR和AR技术已成为非常热门的前沿科技。然而用户使用这些设备时，眼睛往往会产生疲劳和不适。最近，美国伊利诺伊大学香槟分校科研人员提出了一种创新方法，可以大幅改善使用VR/AR设备时的视觉舒适度。
关键字
背景
VR 和 AR，都是当下非常热门的前沿科技，广受业界关注与追捧。但是，也许很多朋友还是不太熟悉这两个概念，有必要先为大家科普一下，以便大家后续更好地了解今天所要介绍的创新科技。
VR（Virtual Reality）即虚拟现实，就是用计算机模拟创建出一种三维虚拟世界，让用户沉浸于其中，产生视觉、听觉、触觉等感官模拟，并与虚拟环境进行实时交互。
AR（Augmented Reality）即增强现实，就是用计算机技术，将虚拟世界的信息与真实世界相结合，让虚拟环境和真实环境同时叠加到一个画面中，并进行实时互动。
一般来说，VR，是让用户沉浸在完全虚拟的世界中（通常会采用封闭式的头戴设备）；AR，则会让用户看到真实世界的画面，并在此基础上叠加虚拟环境（通常会采用具有一定透明度的眼镜）。
如今，许多科技巨头和创业公司都纷纷推出自己的VR/AR产品。例如，微软推出的头戴设备HoloLens，之前笔者在《“瞬间转移”？微软新的AR技术holoportation给你一种全新体验》一文中，也介绍过利用这款设备与微软新开发的技术，用户可以和远方朋友的全息影像进行互动，体验一种远在千里，却近在咫尺的实时互动效果。
（图片来源：微软研究院）
另外，谷歌推出了廉价的VR设备 Cardboard，三星推出了Gear VR，索尼推出了PlayStation VR，Oculus 公司推出了Rift，HTC 推出了Vive。还有消息称，苹果也在研发自己的AR眼镜。除了以上这些，笔者也曾在多篇文章中介绍过VR/AR相关的技术和产品，有兴趣的朋友可以参考一下历史文章。
虽然目前市场上充斥着各式各样的VR/AR产品，但是很长时间以来，用户使用VR/AR产品时，都存在着一个明显的痛点：眼睛的疲劳和不适，甚至会有眩晕感。这个问题非常影响用户的佩戴体验，同时也妨碍了VR/AR产品进一步走向成熟。如果能解决好此问题，对于VR/AR技术的发展来说，意义十分重大。
创新
最近，美国伊利诺伊大学香槟分校科研人员提出了一种创新方法，旨在解决上述的老大难问题。他们开发出一种新型三维显示设备，可以大幅提升使用VR/AR设备时的视觉舒适度。该校的科研人员 Liang Gao 称：
“我们想要利用我们的三维显示设备，取代目前使用的AR和VR设备的光学显示模组，消除眼睛的疲劳。我们的方案能带来新一代的三维显示设备，它可以集成到任何的AR眼镜和VR头盔中。”
Gao 和Wei Cui 在光学会（OSA）的《光学快报》杂志上，描述了他们设计的这种光学映像的新型三维显示设备。这种新型显示模组的尺寸是1 x 2英寸，通过制造深度线索（这种感知与我们在真实世界中看到的深度大致相同）， 提高观众的观看舒适度。
技术
首先，我们看看AR/VR设备为什么会引起眼部疲劳？
如今的VR头盔和AR眼镜在展示二维图片时，都会为观看者的大脑提供一种“暗示”，将这些图片组合成一幅三维场景的印象。这种立体显示会引起著名的“视觉辐辏调节冲突”（vergence-accommodation conflict），随着时间的推移，观看者融合图像的难度将增加，从而造成眼部的疲劳和不适。
对于视觉辐辏调节冲突，我通过以下这幅图片为大家简单介绍一下。
（图片来源：参考资料【3】）
在这幅图中，分别体现了观看真实物体和三维显示器上的虚拟物体时的情况，(A)(B)分别表示出不同情况下的视线聚合距离和焦点距离。(C)(D)分别表示视网膜中的观测点和其两侧图像的清晰度对比。由这幅图可以看出：(D)表示观测三维显示器上的虚拟物体时，观测点和其两侧的图像同样清晰，这与(C)中观测真实世界物体的情况是不同的，(C)的两侧图像是模糊不清的。
因此我们可以看出，三维显示器屏幕所发出的光线，并没有体现出这种深度信息。换句话说，它并没有因为各个虚拟对象的深度不同，发出具有差异的光线，而是和平面图像一样，相互基本上是一致的。然而，眼睛的焦点调节与这种深度是不匹配的，从而会产生视觉辐辏调节冲突。它与人类的正常生理规律相违背，会带来视觉疲劳和不适感。
上面这些只是简单粗略地为大家介绍一下这种现象，如果有读者想深入了解，可以阅读参考资料【3】。
那么，新技术方案是如何消除“视觉辐辏调节冲突”的？
这种新显示设备使用了一种光学映像技术显示三维图像。它通过将数字显示器拆分为子面板，每个子面板都可以创建出一幅二维图像。子面板图像被移至不同的深度，而所有这些图像的中心都相互对齐。这样一来，当用户使用目镜观看时，每张图像就像位于不同的深度。同时，研究人员也创建出一种融合图像的算法，使得深度看上去具有连续性，从而创造出一幅统一的三维图像。
这个新型系统的关键组件就是空间多路复用单元，它将子面板图像轴向地移动到制定的深度，同时侧向地移动子面板图像的中心到视轴上。在目前的装置中，空间多路复用单元由空间光调制器组成，空间光调制器可以根据研究人员开发的特定算法改变光线。
（图片来源：Liang Gao / 伊利诺伊大学香槟分校 ）
尽管这个方案可适用于任何的现代显示技术，研究人员还是使用了有机发光二极管（OLED）显示器。它是一种最新的显示技术，已经应用于商用电视和移动设备。OLED显示器具有超高的分辨率，确保每个子面板都能具有足够多的像素，创建出一幅清晰的图像。
Gao 说：
“人们已经尝试了各种类似于我们的方案来创建多平面深度，但是他们并没能同时创建出多深度图像，而是非常快速地改变图像。然而，这种方案具有动态范围内的平衡，或者对比度等级，因为每幅图像显示的时间非常短。”
测试
研究人员通过使用该设备显示一幅停放汽车的复杂场景来进行测试。
他们在目镜前方放置了一个摄像头记录人眼看到的场景。摄像头能够对焦于远处的汽车，而前景保持不对焦的状态。同样，摄像头也可以对焦于近处的汽车，而后景保持模糊不清的状态。
经测试确认，新型显示设备制造出焦点线索，从而创造出场景中的深度知觉，这一点和人眼感知深度的方式十分相似。虽然这种演示时基于黑白图像的，但是研究人员称，这项技术也可以用于制造彩色图像，尽管横向分辨率会减退。
未来
目前，研究人员正致力于进一步减少系统的尺寸、重量和功耗。Gao 称：
“未来，我们想要以另外一种光学组件，例如体积全息光栅，取代空间光调制器。除了变得更小，这些光栅不会主动地消耗功率，会使得我们的设备变得更加紧凑，同时也提高了VR头盔和AR眼镜的舒适性。”
尽管目前研究人员还没有任何商业伙伴，但是他们已经开始和一些公司进行讨论，看看这种新的显示器是否可以集成到未来的AR和VR产品中。
参考资料
【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_3d_display_takes_the_eye_fatigue_out_of_virtua/?utm_source=osaHome&utm_campaign=slider&utm_term=sliderlink&utm_content=OpLtr%20VRFatigue
【2】Wei Cui et al, Optical mapping near-eye three-dimensional display with correct focus cues, Optics Letters (2017). DOI: 10.1364/OL.42.002475
【3】http://jov.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2122611
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