显示专题 | 单片SLM实现空间遮挡的光学穿透AR显示 (OSA OL)
单片空间光调制器实现空间遮挡的光学穿透增强现实显示
Occlusion-Capable Optical-see-through Near-eye Display Using a Single Digital Micromirror Device
本期导读
近眼显示是为用户展示虚拟图像的可穿戴设备。不同于虚拟现实(VR)需要屏蔽环境光实现沉浸式体验，应用于增强现实(AR)中的近眼显示(NED)通常需要有光学穿透(Optical See-Through, OST)的功能，让真实场景的光线也能穿透到达人眼。通常将显示在空间光调制器上的虚拟图像叠加到穿透的真实场景上，从而为用户提供了混合场景。目前报道的大多数光学穿透型的近眼显示受限于加法模式，即虚拟图像在叠加到真实场景时缺乏有效的遮挡效应。没有相应掩膜的虚拟图像感官上是透明的，无法遮挡后面的真实场景。空间遮挡是描述物体深度相对关系的强暗示。缺乏空间遮挡会降低场景的真实感，同时显示虚拟场景的对比度和可见度也会显著下降，尤其是在环境光比较明亮的情况下。针对这一问题，来自韩国仁荷大学和美国亚利桑那大学的学者提出了一种实现空间遮挡的光学透视型增强现实显示的新策略，发表于光学领域顶级期刊Optics Letter上。
技术思路
为了提供有效的空间遮挡暗示，来自韩国仁荷大学和美国亚利桑那大学的学者提出了一种实现空间遮挡的光学透视型增强现实显示的新策略。这种方法仅利用了单片空间光调制器(SLM)，同时提供真实场景的遮挡掩膜及虚拟图像的显示。通过结合基于偏振的双通结构实现了紧凑的系统设计，其基本结构如图1所示。
图1 支持空间遮挡的增强现实显示基本原理
外部真实场景的图像经过多次偏振转换之后成像到数字微镜阵列(DMD)上，通过DMD显示虚拟图像掩模滤除真实场景中的被遮挡部分，之后再利用红绿蓝LED光源照射DMD显示彩色虚拟图像，再通过PBS等一系列偏振转换后到达人眼，从而实现了支持空间遮挡的光学穿透增强现实显示。DMD上的显示图案如图2所示，蓝色星型区域为显示的虚拟图像区域，此区域对真实场景部分进行滤除，再利用LED照明显示相应的彩色虚拟图像。
图2 基于DMD的真实场景遮挡和虚拟图像显示: (a)真实场景和LED的光路图；(b)观察场景示例
基于这一设计，构建的原理验证系统如图3所示。实验中采用了单片高速DMD作为空间光调制器，实现了60Hz的彩色动态显示，RGB每个通道为4位，并分析了显示图像与遮挡掩膜在不同显示时间比例条件下的遮挡效果，实验结果如图4所示。这项空间遮挡技术通过时分复用的方法为实现光学穿透增强现实显示提供了一种新策略，将为突破传统物理上的一些固有限制探索了新思路。
图3构建的原理验证实验系统
图4 针对不同空间遮挡比例的实验结果对比图 (第一行为只显示遮挡掩膜的AR显示效果，第二行为显示12位RGB彩色图像的AR显示效果)
关于该项关于增强现实现实技术研究工作的更多技术细节和结果详见
https://doi.org/10.1364/OL.393194。
该项工作与之前本公众号分享的斯坦福大学的工作采用了类似的研究思路，经过SLM的调制实现了增强现实显示的空间遮挡效果，欢迎点击回顾 显示专题 | 支持空间遮挡的光学穿透式AR显示 （IEEE TVCG）。但是这种实现空间遮挡的方法其光学系统相对比较复杂，很难实现大视场角以及眼镜尺寸的紧凑型设计，相信在不久的将来可以突破这些限制，实现理想逼真的虚实融合。
回顾与预告
上期回顾：计算专题 | 自动驾驶场景实例级视差估计实现双目三维物体检测 (IEEE CVPR)(欢迎点击查阅)
下期预告：我们将不定期持续推荐学术领域具有代表性的计算显示和计算成像研究工作，同时穿插一些新型光学设计和VR/AR光机实现科普等的资讯分享，欢迎订阅关注，欢迎来稿交流。end