光场,显示领域的下一个大热门



虽然近年来虚拟现实技术很火,但它却面临着几个显著的问题。

 

  • 虚拟现实头盔过于笨重,以至于戴着它看起来很傻;
  • 失衡感:你看到的与你感受到的并不匹配;
  • 双眼的视觉辐辏与焦点调节冲突。

 

这些都导致了“虚拟现实病”。

 

在近日召开的国际计算机图形和交互技术会议(SIGGRAPH)上,美国斯坦福大学的戈登·维茨坦因教授与其同事展示了一种新的头戴式虚拟现实设备,它可以将视觉辐辏与焦点调节冲突问题最小化。

 

冲突不大,后果很严重

 

视觉辐辏与焦点调节之间的冲突与“虚拟现实病”有何关系?

 

在你看一个物体时,会发生两种情况。首先,你要对焦你的眼球。如果物体很近,你的视轴自然会聚焦于它;如果它很远,你的视轴会发散。这就产生了视觉辐辏;其次,眼睛的晶状体会聚焦到这个物体上,这叫做焦点调节。

 

在自然世界中,这两种作用是互相结合的。换句话说,在真实世界中我们很少体验二者之间的冲突。但是当你带上 Oculus Rift 或三星的 Gear VR 等虚拟现实头盔时,情况就不同了。

 

这些有立体感的头盔设备通过分别为左眼和右眼展示在视觉上有偏移的图像来制造出三维效果。图像之间偏移越厉害,物体的空间成像点看起来就越近,反之则越远。这样就可以利用眼睛的辐辏作用使物体在屏幕上形成空间上的纵深感。然而此时你眼睛的焦点调节依然在屏幕上。

 

这意味着你的眼睛一边要适应戴在头上的屏幕,同时还要聚焦于更远的地方,于是产生了视觉辐辏与焦点调节的冲突。这种冲突与人的生理规律是相违背的。当双眼在这两种作用之间不断调节时,视觉疲劳、身体不适等“虚拟现实病”就会如期而至。

 

光场+特殊算法,有效协调冲突

 

这不仅仅是学术圈面对的难题。领先的虚拟现实公司,例如 Oculus 和微软,非常清楚它们的虚拟现实头盔存在这种问题。坐落于佛罗里达州的增强现实公司 Magic Leap 也在这个问题上下了不少工夫。

 

维茨坦因的团队设计了一种能够解决这种冲突的设备。它是一个大盒子,里面有三四个位面展示了同一个图像的不同部分。这些位面前有一个可以改变功率的透镜,可以对焦到画面的不同部分。

 

与普通虚拟现实设备使用平面图像制造出三维效果不同,这种设备制造出一种光场,光线可以模拟现实世界中光在物体上的反射,进而投射出三维效果。

 

该设备还包含两层叠加的液晶显示器。研究人员使用一种算法使图像不同部分在两层液晶显示器上呈差异化显示:距离远的物体会在后面那层显示器上显示更多细节,距离近的则在前面那层显示器上显示更多细节。这样就很好地协调了视觉辐辏与焦点调节之间的冲突问题。

 

维茨坦因介绍,整个设备是用现成的部件组成的,“真正的不同是这个算法环节”。

 

传统技术可能是条“死胡同”

 

美国加利福尼亚大学伯克利分校的视觉科学家马丁·班克斯说:“这是一个非常令人兴奋的研究领域,我觉得这将是显示领域下一个大热门。”

 

但我们还是不要期待很快就能在玩视频游戏时用上这种“神器”。虽然更多位面可以带来更真实的图像,但这一设备的视场只有90度,分辨率也无法达到 Oculus 虚拟现实头盔的标准,所以它的出世并不意味着头戴式虚拟现实设备完全解决了视觉辐辏与视觉调节之间的冲突问题。

 

维茨坦因说,有研究小组在试图通过微型透镜使灯光发生弯曲来制造光场,不过使用这种方法提高画面分辨率难度更大。据报道,Magic Leap 也正在做光场方面的研究,但目前还不清楚其具体的研究方向。

 

目前,Oculus 和三星的虚拟现实设备都依赖传统的三维立体显示,这种显示技术很棒,但是在解决视觉辐辏与视觉调节冲突面前,它可能是一条死胡同。为了根除“虚拟现实病”,这个产业可能需要在光场方面重新起步。



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