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    科技魔方

    Meta展示多款VR頭顯原型,探索變焦、畸變、視網膜分辨率、HDR等挑戰

    AR/VR

    2022年06月21日

      對于VR硬件,Meta的最終目標是打造一款舒適、小巧、并且在視覺視場方面“與物理現實別無二致”的設備。日前,公司首席執行官馬克·扎克伯格通過一個短視頻發布了團隊最新的VR頭顯,并表示這是他們朝所述目標邁出的又一步。

      Meta多次公開表示,已在XR方面投入了數百億美元,而其中大部分都是用于Reality Labs的長期研發工作?;蚴菫榱讼蚬蓶|交待,保持大眾的關注和憧憬,以及給行業指明方向和信心,這家公司日前展示了團隊在VR硬件研發方面的最新成就。

      首先,扎克伯格與Reality Labs首席科學家邁克爾·亞伯拉什(Michael Abrash)一起解釋道,最終目標是構建滿足所有視覺要求,可以令人類大腦接受其為“真實”的VR硬件。

      如今的VR頭顯確實可以實現令人印象深刻的沉浸感,但毫無疑問,你依然會認為這一切都只是虛擬畫面。

      對于Reality Labs的研究團隊,他們一直在使用“視覺圖靈測試”一詞來表示需要滿足的標準。所以為了令人類視覺系統完全相信頭顯呈現的一切都是真實,Meta表示VR硬件必須通過“視覺圖靈測試”。

      1. 四大挑戰

      在通過視覺圖靈測試之前,VR頭顯需要解決四個關鍵的視覺挑戰:變焦、畸變、視網膜分辨率和HDR。

      簡單概述它們的含義:變焦:能夠聚焦虛擬場景的任意深度,同時具備眼睛的基本聚焦能力(會聚和調節) 畸變:透鏡本身會令通過它們的光線發生畸變,并通常會產生像色散等偽影。這使得透鏡的存在變得十分明顯。 視網膜分辨率:顯示器的分辨率足以達到或超過人眼的分辨率 HDR:高動態范圍,它描述了我們在現實世界中經歷的黑暗和亮度范圍(目前幾乎沒有任何顯示器能夠正確模擬這一點)。

      作為應對上述問題的概念證明,Reality Labs的顯示系統研究團隊構建了一系列的原型。

      2. 變焦

      關于變焦問題,Reality Labs一直在探索名為“Half Dome”的原型系列。團隊首先探索了采用機械移位顯示器來改變與透鏡之間的距離,從而改變圖像的焦距。研究人員后面則轉向了固態電子系統,這提升了變焦光學系統的緊湊性、可靠性和靜音能力。

      延伸閱讀:Meta分享Half Dome三年研發歷程與核心技術,劍指顛覆VR行業

      延伸閱讀:Meta展示Half Dome第三代原型機,電子變焦,輕巧舒適,開啟未來之門

      3. 透鏡

      至于畸變,亞伯拉什解釋道,針對VR透鏡設計的設計和畸變校正算法是一個繁瑣的過程。他指出,新型透鏡無法快速制造,而一旦制造完成,它們又需要小心地集成到頭顯之中。

      為了幫助顯示系統研究團隊更快地解決這個問題,他們構建了一個“畸變模擬器”,使用3DTV模擬VR頭顯,并在軟件中模擬透鏡(及相應的畸變校正算法)。

      其中關鍵的挑戰是在眼睛移動時動態糾正透鏡畸變,而不僅僅是糾正眼睛在透鏡直接中心所看到的偽影。

      4. 視網膜分辨率

      在視網膜分辨率方面,Meta展示了一款從未公開亮相的頭顯原型Butterscotch,而且它達到了每度60像素、允許20/20視力的視網膜分辨率。

      為了實現這款原型,團隊采用了像素密度極高的顯示器,并縮小了視場,以便將像素集中在一個小范圍區域之中。所以,Butterscotch目前的視場僅為Quest2的一半左右。作為說明,Quest 2的視場約為90度。

      這家公司同時開發了一種可以“完全解析”提高分辨率的“混合透鏡”。下面是Rift1、Quest 2和Butterscotch原型之間的透鏡比較:

      盡管行業現在已經出現Varjo VR-3這樣能夠提供“視網膜分辨率”的設備,但它只能在視圖中間的一個小型區域(27°×27°)內達到60 PPD的水平。在所述區域以外,任何畫面都會下降到30 PPD或更低。表面上看,Butterscotch原型在整個視場內的分辨率都能達到60 PPD,但Meta沒有解釋透鏡邊緣的分辨率降低程度。

      5. HDR高動態范圍

      扎克伯格指出,在他和亞伯拉什概述的四個關鍵挑戰中,“其中最重要的是HDR。”

      為了證明HDR對VR體驗的影響,顯示系統研究團隊構建了另一個原型Starburst。據稱,這是第一款亮度可以達到驚人20000 nit的VR頭顯。

      但HDR的目標不是令你“眼前一亮”,而是為現實生活中非常明亮的對象提供真實的亮度。例如火災、爆炸、煙火,甚至窗戶的明亮反光。Meta表示,能夠在VR中復刻這種現實亮度對于通過視覺圖靈測試至關重要。

      相比之下,Quest 2的最大顯示亮度為100 nit,而高端HDR電視則為2000 nit左右。這意味著Starburst可以實現比HDR電視高10倍的亮度范圍。

      索尼即將發售的PSVR2有望成為首款商用HDR VR頭顯,但這家公司對“HDR”的定義并不明確。所以無法預測它是否能夠達到1000 nit。

      6. 小型化

      需要注意的是,團隊為了驗證單獨概念而犧牲了重量和尺寸。換句話說,目前難以以適合的重量和尺寸整合一系列的實驗成果。

      對于尺寸和重量方面,Meta同樣致力于探索設備的小型化。在這個方面,他們概念驗證了全息折疊光學研究,并制造了一款名為Holocake 2的可用設備。

      這一令人印象深刻的緊湊原型解決了當代VR頭顯的兩個重要尺寸限制:光路長度和透鏡寬度。

      為了令VR頭顯中的透鏡能夠正常工作,你必須將其放置在與顯示器相隔一定距離的位置。但利用Pancake光學元件(又稱“折疊”光學元件),你可以通過偏振將光來回反射,從而實現路徑“折疊”,有效縮短透鏡和顯示器之間的距離。

      當你縮小這個距離時,你會發現透鏡的厚度實際上限制了顯示器與眼睛的距離。所以,Holocake 2原型采用了比傳統透鏡薄得多的全息透鏡。

      它們基本是非常細薄的全息薄膜。盡管薄,但它們操縱光線的方式與較厚的透鏡類似。

      所以,全息透鏡和Pancake光學系統的結合令Holocake 2非常緊湊。

      Meta表示:“全息透鏡的發明是一種提升形狀參數的新方法,代表著VR顯示系統向前邁出的顯著一步。這是我們首次嘗試通過全息光學技術制作可以正常工作的頭顯,而我們相信頭顯進一步實現小型化是有可能的。”

      需要注意的是,Holocake 2是一款PC VR頭顯。這意味著它需要額外的空間來支持計算和電池組件,從而實現Meta所追求的一體機設置。遺憾的是,Meta指出Holocake 2需要一個激光光源,而它們的尺寸或成本尚無法達到商用產品所需的水平。

      7. Cambria

      對于VR硬件的未來走向,這都是一個令人興奮的展望。但顯然,它們離我們依然存在一段遙遠的距離。換句話說,我們無法通過將于今年亮相的高端頭顯Cambria感受Reality Labs的實驗成果。

      Meta表示,今天展示的大多數技術都遠未沒成熟。誠然,Cambria似乎會采用折疊光學系統,但要實現Holocake 2這樣的緊湊形狀,團隊依然需要繼續努力。

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    來源:映維網

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