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显示技术塑造沉浸式体验

发布:HPLSElaser阅读:2825时间:2018-1-9 13:57:01

在蓬勃发展的虚拟现实市场中,液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)正在争夺霸主地位。

大约四年前,Facebook CEO扎克伯格为奥克卢斯AR公司投资30亿美元,并表示:“我们相信这种身临其境的增强现实(AR)技术将成为数十亿人日常生活的一部分。”去年,扎克伯格在法庭上作证称,对奥克卢斯公司的起诉是因为虚拟现实(VR)技术没有像人们预期的那样快速繁荣,虚拟现实产品的销售“在一段时间不会有利可图”。

事实表明,虚拟现实并不像人们想象的那么热门。对于大多数人来说,其成本太高:如果增加了运动控制器、眼球跟踪器和其他附件,耳机的价格为400美元到600美元不等。此外,耳机通常被束缚在功能强大的计算机上,限制了用户的移动性,且其成本为500美元到1500美元。

索尼公司新推出的PlayStation VR,与数千万台已安装的PlayStation 4游戏机配合使用。谷歌广为宣传的“Glass and Glass 1”从未涉足广大群众,现在已经被降级为工业应用。谷歌公司最近将其Daydream View耳机的价格从99美元下调至49美元,因为其早期的销售量不佳。同时,VR耳机的整体销量远低于预期。根据市场研究机构的数据,2016年销售的耳机总数为五百一十八万只,其中不包括谷歌虚拟纸盒。还有一半以上是使用智能手机的低成本Samsung Gear VR和Google Daydream View。


图片来源:Meta。

AR/VR重新激活3D

AR/VR技术陷入了困境。根据Facebook、苹果和微软的预计,AR/VR技术会成为下一代智能应用,将价值数百亿美元,影响数十亿人的日常生活。


图片来源:Statista/IDC。

虽然VR耳机似乎适用于小众应用,例如教育和培训,但它们并不适合消费者模式,因为目前的耳机体积庞大,价格昂贵,并且限制了移动。此外,专家们已经使消费者把虚拟现实、合并现实、增强现实和沉浸式计算等术语相混淆,而没有明确界定它们。

全球市场研究和分析公司高德纳公司的预期更为乐观。预计2016年出货量达到1600万台的头戴显示器到2021年将增长到6700万台。但是VR在初期还没有达到当年智能手机的增长水平。


图片来源:IDC/加拿大投资银行集团。

预计AR/VR将在电影领域遭遇失败后重新激发3D技术的应用。虽然Facebook和FaceTime是二维应用,但是VR/AR是在3D空间中使用的。因此网页设计必须改变,并且占用3D空间。人体解剖学的图像并不是研究人体解剖的图像,而是人体内部和外部的所有部分都可以使用,包括更自然的界面,因为人体以三维方式进行操作。

华盛顿大学人体光子学实验室的研究结果显示,医学界已经发现VR在烧伤痛感管理方面比吗啡更有效。经过一年的VR治疗,参与研究的截瘫患者开始重新控制某些功能,如膀胱控制。美国通用电气公司正在使用Google Glass和AR技术对员工进行培训。

LCD与OLED

实现完全身临其境的体验所面临的挑战是艰巨的,但显示器行业似乎能够胜任。有两种显示技术争夺这个市场:液晶显示器和有机发光二极管,无论是直接观看还是微型显示器,都具有不同的特性。


嵌入式LCD的光场耳机。图片来源:美国斯坦福实验室。

OLED由于其在延迟、对比度、响应时间和黑电平方面的优势而成为VR的首选技术,并被所有流行的VR耳机,如Vive、Rift以及PlayStation VR所使用。由于需要能够在任何环境条件下工作,AR需要更高的亮度,所以在Google Glass中使用了硅基液晶(LCOS)。面临的挑战是如何使显示器在眼睛周围提供宽阔的视野,支持3D显示,并在任何周围环境下,在黑暗或明亮的环境下工作。微型显示器的使用有助于它的像素更小,从而消除了当像素与眼睛和显示器之间的距离不兼容时造成的“纱门效应”。


图像融合是将左右眼看到的东西整合成一个图像的过程。图片来源:奥克卢斯公司(Oculus)。

全球领先的硅基液晶显示技术公司高平公司宣布推出新型OLED微型显示器。高平公司是Google Glass和Google Glass 1的主要微显示器供应商。

为了吸引消费者,并达到每年数十亿台的产能,产品体积必须比目前的耳机更小,并达到更高的分辨率,以消除当前显示器的屏幕效应。微型显示器还必须支持快速刷新速率和响应时间,以消除任何延迟,并且可以从高端个人电脑进行操作。智能手机将是一个很好的替代品,但图形处理器需要达到更高的性能水平来处理带宽。


图片来源:Statista/IDC。

即使在部分光控的环境下,显示亮度也必须达到1000nit以处理所有的伪影。运动控制器、眼球跟踪器和其他附件都应该内置。电池应该设计成具有柔性基板,电流容量加倍。


图片来源:韩国三星公司。

位于纽约州霍普韦尔的eMagin公司将致力于开发OLED技术用于未来的AR应用。与LCOS不同,OLED可以达到每英寸2000像素点。它们支持对比度水平,实现更快的响应时间并且完全透明。eMagin公司能够做到1000nit的发光水平,因为它是第一家可以在微米级别对OLED进行图案化的公司,因此不需要彩色滤光片来滤除光线。


高平公司的OLED显示器与奥克卢斯公司的薄型光学器件。图片来源:高平公司。

还有其他解决方案,例如光场显示和全息图。全息图是对光场的摄影记录,而不是由透镜形成的图像,并用于显示“全息”对象的完全3D图像。然而,在这些设计中,诸如OLED或LCD的基本成像装置仍然是必要的。


屏幕效果显示600 ppi(左)与2000 ppi(右)。图片来源:eMagin公司。

现在身临其境的技术和《盗梦空间》或《黑客帝国》中描述的体验模拟系统之间仍然存在鸿沟。为了获得真实的身临其境般的体验,必须将计算机直接连接到人类的大脑。直到我们能够将假肢的眼睛、耳朵、四肢融入到神经系统中,这仍然处于很初级的实验阶段。设备和信号收发器必须通过手术植入并连接到大脑。满足当今硬件和软件的需求,完全欺骗人类大脑所需要的分辨率或细节的仿真是远远不够的。

虚拟现实(VR)

虚拟现实(VR)创造了一个数字化的世界。在VR设备中看到的所有东西都是由电脑产生的。外部的环境光被阻挡,并且该设备需要有限的亮度,但是需要高对比度、高像素密度和快速响应以跟上变化的图像。更小的外形是今后的发展趋势。


虚拟现实(VR)设备。图片来源:索尼&英特尔。

虚拟现实(VR)系统使用立体视觉原理来模拟深度和三维结构的感知。为了达到这个目的,系统必须为每只眼睛产生单独的图像,一个稍微偏移另一个,以模拟视差。

VR系统在头戴式显示器上以60 fps的最小帧率显示立体图像,以避免任何可能打破错觉的感觉滞后,当VR表现不佳时,使用者将感到恶心。系统的光学系统包括一对增强镜头,使它们能够聚合图像。镜头会聚并补偿畸变,使大脑感觉到深度感。在显示之后,使大脑相信它在另一个地方的下一个重要技巧是追踪头部的运动并在没有任何延迟的情况下更新渲染的场景。

VR MTP

MTP通常使用陀螺仪和加速度计等传感器阵列来跟踪用户头部的运动。信息被传递到计算平台以相应地更新渲染的图像。除了头部追踪之外,为了实现更好的沉浸感,先进的VR系统也追踪用户在真实世界中的位置。

VR系统必须允许用户与虚拟环境交互。它需要像谷歌虚拟纸盒中的磁性按钮那样简单的专用输入设备,或者像手动和身体跟踪传感器一样先进,可以识别运动和手势,包括体感控制器、身体跟踪系统等。最后,计算平台完成所有繁重的工作。VR系统通常使用PC控制台或智能手机作为计算平台。

增强现实(AR)

增强现实(AR)将现实世界与虚拟世界以无缝和交互的方式相结合。最终,它可能是一种比智能手机更多的生活方式产品。大多数与人的日常互动可能会通过个人AR设备进行。


增强现实(AR)设备。图片来源:英特尔。

合并现实(MR)

合并现实(MR)是与AR的定义类似。MR系统的三个基本组件与VR系统类似,包括头戴式显示器、追踪系统和硬件移动计算机。这项新技术的目标是将这三个组件合并成一个高度便携的单元,就像高科技随身听和一副普通的眼镜的组合一样。


对合并现实(MR)概念的描述。图片来源:英特尔/Magic Leap。

头戴式显示器使用户能够查看叠加的图形和系统创建的文本或动画。目前正在研究两种头戴式设计概念:视频透视系统和光学透视系统。视频透视系统阻止用户对外部环境的观察,并通过安装在头盔上的摄像机实时播放图像。当用户移动头部时,图像调整中的延迟是一个问题。另一方面,光学透视系统利用通过光源的快速移动将图像“直接”绘制到用户的视网膜上的技术。虽然该技术的成本是一个问题,但是研究人员认为这种方法对未来的增强现实系统来说更加便携。

跟踪和定位系统包括GPS,以便根据用户的周围环境查明用户的位置,并追踪用户的眼睛和头部的移动。跟踪整体位置,用户移动和调整显示图形所需的复杂程序是开发该技术的一些主要障碍。目前最好的系统仍然在用户的移动和图像的显示之间存在延迟。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62714&PID=5&VID=141&IID=973

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