一文了解AR/VR顯示技術基礎

從最小的谷歌眼鏡(jing)到完全沉浸HTC vive，用于AR/VR頭戴(dai)設備有不同的形狀和尺寸，其核心是頭戴(dai)顯示(shi)器(qi) (head-mounted displays，HMDs)，它由(you)光學設備和圖形顯示(shi)器(qi)兩(liang)個(ge)主要(yao)結構(gou)組(zu)成。

光學設備

了解人眼的(de)性質，在認識(shi)(走(zou))真(***)學(xue)(觀)學(xue)(花)光學(xue)設備基(ji)礎之前，還是很重要的(de)。人眼的(de)基(ji)本性質:

1、Field of View (FOV) 視場角

視(shi)(shi)角被定義為(wei)(wei)雙(shuang)眼看到圖(tu)像的最大角度(du)(du)范圍。平均而(er)言，水平雙(shuang)眼視(shi)(shi)角為(wei)(wei)200度(du)(du)，其中重疊(die)120度(du)(du)。這部分重疊(die)對于(yu)構(gou)建立體視(shi)(shi)覺和估計深度(du)(du)尤為(wei)(wei)重要（稍(shao)后再詳細討(tao)論），垂直視(shi)(shi)角約為(wei)(wei)130度(du)(du)。

2、Inter-pupillary distance (IPD) 瞳距

正如名字所描述(shu)的，瞳(tong)(tong)(tong)距(ju)(ju)是(shi)指眼睛(jing)和瞳(tong)(tong)(tong)孔之間的距(ju)(ju)離(li)，這是(shi)眼睛(jing)視覺(jue)系統中(zhong)極其重(zhong)要(yao)的參數。瞳(tong)(tong)(tong)距(ju)(ju)因人而(er)異，性別和種族不同。錯誤的瞳(tong)(tong)(tong)距(ju)(ju)參數可能(neng)導致眼鏡(jing)校準失敗(bai)、圖像畸變、眼鏡(jing)疲勞、頭(tou)痛等不良(liang)反(fan)應。成(cheng)人瞳(tong)(tong)(tong)距(ju)(ju)平均值(zhi)約63mm，大部分(fen)浮動在50-75mm之間，而(er)兒童最小瞳(tong)(tong)(tong)距(ju)(ju)約40mm。

3、Eye relief 目視離隙

視(shi)覺間(jian)隙(xi)定(ding)義為：當(dang)用(yong)戶(hu)可以看到整個(ge)(ge)視(shi)角時，角膜與第一個(ge)(ge)光學(xue)設備(bei)表面之間(jian)的(de)(de)距離。這是(shi)戴矯(jiao)正眼鏡和(he)近視(shi)眼鏡的(de)(de)人的(de)(de)一個(ge)(ge)非常(chang)(chang)重要(yao)(yao)的(de)(de)參數，通常(chang)(chang)眼鏡的(de)(de)視(shi)覺間(jian)隙(xi)約為12毫米。用(yong)戶(hu)調整視(shi)覺間(jian)隙(xi)非常(chang)(chang)重要(yao)(yao)。

4、Exit pupil 出射(she)瞳(tong)

通過光學(xue)系統(tong)，光線透射到眼睛的光圈(quan)直徑。

5、Eye box眼框(kuang)

目數

目數(shu)測量的是看物體時需要的眼睛的數(shu)量，因為(wei)我們人類最(zui)多(duo)只(zhi)有兩(liang)只(zhi)眼睛，所以(yi)智(zhi)能顯示器的目數(shu)限制在最(zui)多(duo)的眼睛上(shang)。

1、Monocular display 單目

單目顯示(shi)系(xi)統(tong)(tong)允許用(yong)戶通(tong)過單個(ge)小(xiao)顯示(shi)元件或鏡頭觀察(cha)單個(ge)視覺通(tong)道。該通(tong)道放置在用(yong)戶的一(yi)只眼(yan)睛(jing)前，用(yong)戶可以用(yong)另一(yi)只眼(yan)睛(jing)完全自(zi)由地(di)觀察(cha)現(xian)實世界(jie)。單目顯示(shi)系(xi)統(tong)(tong)通(tong)常用(yong)作信息顯示(shi)器，因為它體積小(xiao)，但(dan)不能提供三(san)維(wei)深度信息，導致對比度低。谷歌眼(yan)鏡是一(yi)種單目顯示(shi)系(xi)統(tong)(tong)。

2、Biocular 雙目單鏡

雙(shuang)目(mu)單鏡類(lei)型通(tong)過(guo)內部反射向雙(shuang)目(mu)觀察提供單通(tong)道視顯示系統也缺乏(fa)三(san)維視覺，適用于近距離觀測任(ren)務(wu)。

3、Binocular 雙目雙鏡

在(zai)雙(shuang)眼鏡類(lei)型中，每(mei)只眼睛都獲(huo)得(de)了獨(du)立的(de)視圖來創建三維視覺，它(ta)提供了最深的(de)信息和(he)沉(chen)浸感(gan)，但也(ye)是最重、最復雜(za)的(de)計算(suan)密集(ji)的(de)顯示系統。

光學架構

智能眼鏡中(zhong)的光(guang)學設(she)備主(zhu)要有(you)三種(zhong)用(yong)途：

1、Distortion 畸變(bian)

光學(xue)系統通常有兩種設計，或者AR/VR一般(ban)有兩種結(jie)構：非直視型(xing)和直視型(xing)

2、Non-pupil forming architecture 直視型

直視型由單鏡(jing)頭組成(cheng)，通常(chang)用于一些流行的(de)沉浸(jin)式設(she)備，如HTC vive、Oculus Rift、索尼PSVR，這種類型的(de)架(jia)構通常(chang)用單個放大透鏡(jing)直接對準顯示板(ban)的(de)光線(xian)。

3、Pupil forming architectures 非直視型

非直視(shi)結構具有更(geng)輕、更(geng)緊(jin)湊的設計和更(geng)大的眼框，但透(tou)鏡也會導致明(ming)顯的光彎曲畸(ji)(ji)變(bian)，即枕形畸(ji)(ji)變(bian)；在這種類型中，另一(yi)種透(tou)鏡通(tong)常會產生桶(tong)形畸(ji)(ji)變(bian)來抵消以前的畸(ji)(ji)變(bian)。一(yi)般用(yong)于微軟等(deng)非沉(chen)浸(jin)式設備Hololens谷(gu)歌(ge)眼鏡。

波導

顧名(ming)思義(yi)，波(bo)導是一種引導光進(jin)入用(yong)戶(hu)眼(yan)睛的光學物理(li)結構，通過精細控制光進(jin)出運(yun)動和(he)內部反射來達到效果(guo)。工業上有(you)四種波(bo)導：

1、Holographic waveguide 全息(xi)波導

全(quan)息(xi)波(bo)導是一種相當(dang)簡單的波(bo)導類型(xing)，利(li)用光學元件（如透鏡）通過一系列內部反射進行內耦合（進入(ru)）和(he)外(wai)耦合（出口）。S ** rt Eyeglass使用這(zhe)種類型(xing)的波(bo)導。

2、Diffractive waveguide 衍射波導(dao)

衍射(she)波導(dao)表面有精確(que)的(de)起(qi)伏光柵(zha)，用(yong)(yong)于內部(bu)反射(she)，然后通過顯示(shi)屏實現無縫3D圖形覆(fu)蓋。相當一部(bu)分(fen)。Vuzix顯示(shi)器和微軟Hololens使用(yong)(yong)這種波導(dao)。

3、Polarized waveguide 偏振波(bo)導(dao)

光(guang)進入偏(pian)振波導，選定的光(guang)抵(di)消(偏(pian)振)通過在部(bu)分反射(she)部(bu)分偏(pian)振面進行一系(xi)列內部(bu)反射(she)進入觀(guan)眾眼睛。Lumus DK-50 AR眼鏡采用這種波導方法。

4、Reflective waveguide 反射波導

反(fan)射波導(dao)類似于全息波導(dao)，使(shi)(shi)用單個平面波導(dao)結合一(yi)個或多個半反(fan)射透鏡。這(zhe)種(zhong)波導(dao)可以在愛普生使(shi)(shi)用Moverio看谷歌眼鏡。

顯示器技術

1、Fully immersive 全沉浸型(xing)

完全沉浸(jin)式是標準的完全沉浸(jin)式VR這些三維(wei)顯示(shi)器(qi)結合傳(chuan)感(gan)器(qi)跟蹤位置和方向(xiang)，就像《Ready Player One》它們(men)完全阻擋了(le)用戶對外界的視線(xian)。

2、Optical see through 光學透視型

用戶(hu)可(ke)以(yi)直接通過光學設備(如全息波導等)覆蓋現實(shi)世界的光學透視(shi)智能(neng)眼鏡

中(zhong)間系統)觀(guan)察現實世界。這種類型的最新例子是:微軟Hololens、Magic Leap One、谷歌眼鏡。

3、Video see through 視頻透視型

視頻透視智(zhi)能眼鏡，用(yong)戶首先看到安(an)裝(zhuang)在顯示器上的(de)一(yi)個或兩個相機(ji)錄制的(de)真實(shi)圖像(xiang)，然(ran)后將這些相機(ji)獲(huo)得的(de)圖像(xiang)與計算機(ji)生成的(de)圖像(xiang)結合起來供用(yong)戶觀看。HTC的(de)Vive VR頭盔(kui)內(nei)置相機(ji)通常用(yong)于設(she)備(bei)創建AR效果(guo)。

成像技術

在過去(qu)的幾(ji)十年(nian)里，成像顯(xian)示技(ji)術取(qu)得(de)了很大(da)的進(jin)步，高端陰極射(she)線(xian)顯(xian)像管種關鍵成像技(ji)術所取(qu)代(dai)：

1、Liquid Crystal Displays (LCD) 液晶顯示屏

液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)屏（LCD）自20世(shi)紀80年代以來，它在高清電視中很常見(jian)AR/VR中。該(gai)類(lei)型(xing)由含有液(ye)晶(jing)分子(zi)的單元(yuan)陣列組成(cheng)，位(wei)于(yu)兩個(ge)偏振片之(zhi)間(jian)。該(gai)精密(mi)裝置(zhi)(zhi)位(wei)于(yu)數百萬晶(jing)體管印刷的薄玻璃(li)基底之(zhi)間(jian)。彩色液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)屏（LCD），將(jiang)紅(hong)、綠、藍濾光片的附加基底放置(zhi)(zhi)在原基底的每個(ge)單元(yuan)上(shang)。單個(ge)RGB液(ye)晶(jing)單元(yuan)被稱為子(zi)像素(su)，三個(ge)子(zi)像素(su)形成(cheng)一(yi)個(ge)像素(su)。

液晶顯示(shi)屏（LCD）在中間，電流(liu)可(ke)以通(tong)過玻璃(li)電流(liu)來調(diao)節(jie)光(guang)通(tong)道(dao)(dao)，產(chan)生準確的(de)顏色；如果所有的(de)子(zi)像素通(tong)道(dao)(dao)都(dou)完(wan)全打(da)開(kai)，就(jiu)會出現白光(guang)。

液晶(jing)單元(yuan)本身不發(fa)光，所以(yi)需要背光。液晶(jing)單元(yuan)只(zhi)能改變光通道，以(yi)產(chan)生(sheng)所需的(de)顏(yan)色和圖像。

2.有機(ji)發光二極管屏

二(er)極管屏幕有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)（OLED）基于有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)材料(liao)(liao)（碳技(ji)術，基于有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)材料(liao)(liao)（碳與氫(qing)結(jie)合），施加(jia)電流時會發(fa)光(guang)。能量以(yi)有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)薄(bo)片的形式(shi)釋放(fang)，也稱(cheng)為電致發(fa)光(guang)。顏色可以(yi)通過仔細包(bao)裝有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)(薄(bo)膜)來控制，但大(da)多(duo)數制造商都在(zai)有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)二(er)極管屏幕上（OLED）在(zai)棧列中加(jia)入紅、綠、藍膜。二(er)極管有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)（OLED）有(you)(you)兩種面板：

（1）被(bei)動驅動有機(ji)發光二極管：與陰極射(she)線顯像管一(yi)樣(yang)，該類型由復雜的(de)電子網格(ge)組成(cheng)，以控制每行中的(de)每個像素。它不包括存(cun)儲(chu)電容器，減慢(man)更新(xin)速度，保(bao)持(chi)像素狀態(tai)，因此主要(yao)用于簡單的(de)字(zi)符和圖標顯示。

(2)主動(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)有機(ji)(ji)發光二極管(guan):被動(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)（POLED）主動(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)有機(ji)(ji)發光二極管(guan)不同（AOLED）晶體管(guan)層由(you)一個(ge)薄晶體管(guan)層組成，它包含一個(ge)存儲電容器，以(yi)保(bao)持每個(ge)子像素(su)的狀態，從(cong)而更好(hao)地控制(zhi)單個(ge)像素(su)。主動(dong)(dong)驅(qu)動(dong)(dong)（AOLED）單個(ge)像素(su)可以(yi)完全(quan)關閉，從(cong)而實現更深的黑色和更高的對比(bi)度，這是(shi)近視虛擬和增強現實設備最合適(shi)的顯示類型。

二極管(guan)屏(ping)幕有機發(fa)光(guang)（OLED）遠優于液晶顯示屏(ping)（LCD），它(ta)(ta)們的結(jie)構相對簡單，可以(yi)非常薄(bo)，因(yin)為它(ta)(ta)們不需要外(wai)部背光(guang)。此外(wai)，它(ta)(ta)們消耗的功率大大降低(di)，刷(shua)新速度更(geng)快(kuai)，對比度更(geng)高，顏(yan)色恢復(fu)效(xiao)果(guo)更(geng)好，分辨率更(geng)高，所以(yi)大多數完全沉浸式(shi)頭戴設(she)備(bei)都使用(yong)這種技術。

3.數字光投影微顯示屏

數字光投影微顯(xian)示屏（DLP）芯片最初(chu)由德州儀器(qi)開發，也被稱為數字微鏡(jing)器(qi)件（DMD）。該顯(xian)示器(qi)由大約(yue)200萬個(ge)單獨控制的(de)(de)微鏡(jing)組成，每個(ge)微鏡(jing)可以(yi)用來表示單個(ge)像素，每個(ge)微鏡(jing)的(de)(de)大小約(yue)是(shi)karrylady.cn微米。有趣的(de)(de)是(shi)，眼睛的(de)(de)視(shi)網(wang)膜本身就(jiu)是(shi)顯(xian)示面(mian)。RGB這些微鏡(jing)反(fan)射光，朝向(xiang)(xiang)或遠離(li)光源。由于每個(ge)微鏡(jing)可以(yi)在(zai)一秒鐘內向(xiang)(xiang)任何方(fang)向(xiang)(xiang)改變數千次(ci)，所以(yi)改變反(fan)射的(de)(de)顏(yan)色(se)會在(zai)視(shi)網(wang)膜上產生不(bu)同的(de)(de)陰影。

數字光(guang)投影(ying)微(wei)顯示(shi)屏（DLP）它(ta)是目前最快的顯示(shi)技術之一，具有高(gao)色刷(shua)新(xin)率、低(di)延遲(chi)率、低(di)功耗和(he)超(chao)高(gao)分(fen)辨率(karrylady.cn英寸的對角線陣列可(ke)以實現 x 因此，720圖像成為制作(zuo)頭戴(dai)式顯示(shi)器(qi)的理(li)想選擇(ze)。

4.硅基液晶微顯示屏

硅(gui)(gui)基液(ye)晶(jing)(jing)微(wei)(wei)(wei)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)（LCoS）液(ye)晶(jing)(jing)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)（LCD）和(he)數字光(guang)投影微(wei)(wei)(wei)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)（DLP）顯(xian)(xian)(xian)示(shi)之間。液(ye)晶(jing)(jing)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)（LCD）數字光(guang)投影微(wei)(wei)(wei)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)是一種生成(cheng)和(he)傳輸給用(yong)戶的(de)透射(she)(she)(she)技術（DLP）單個子像(xiang)素通過微(wei)(wei)(wei)鏡反(fan)射(she)(she)(she)是一種反(fan)射(she)(she)(she)技術。硅(gui)(gui)基液(ye)晶(jing)(jing)微(wei)(wei)(wei)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)（LCoS）光(guang)強度和(he)顏色由(you)一系列子濾鏡通過反(fan)射(she)(she)(she)表面和(he)光(guang)反(fan)射(she)(she)(she)來調節。類似(si)于DLP與(yu)小型(xing)設備集成(cheng)時，顯(xian)(xian)(xian)示(shi)器的(de)小尺寸屬(shu)性使其具有相(xiang)當大的(de)靈活性。微(wei)(wei)(wei)軟的(de)Hololens，甚至谷(gu)歌眼(yan)鏡Magic Leap One使用(yong)硅(gui)(gui)基液(ye)晶(jing)(jing)微(wei)(wei)(wei)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)（LCoS）。

考慮到正在開發的(de)顯(xian)(xian)示(shi)技術(shu)分辨(bian)率很(hen)高，基(ji)于(yu)平板電腦的(de)頭(tou)戴顯(xian)(xian)示(shi)器(qi)可能會成為AR設備的(de)歷史。歡迎積極(ji)討論~

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