雨果巴拉:行业北极星Vision Pro过度设计不适合市场

深入了解Quest Pro光学堆栈:分辨率、锐度、对比度、色彩等

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VR中的视觉清晰度由众多因素决定,其中最重要的是系统分辨率、锐度、对比度和颜色

映维网Nweon 2022年12月20日)对于逼真的VR体验,尽管声音和触觉都起着重要作用,但对大多数人来说,关键视觉,毕竟眼见为实。但VR依然是一种新兴技术,对于创造视觉体验的过程以及必须结合在头显中的复杂技术,行业尚没有太多共识。如今,我们对VR视觉质量的定义同样存在不一致的地方。

在考虑视觉质量时,大多数人采用的原则和标准与传统的2D显示器相同,比如手机和电视。但VR与其他消费设备存在巨大的差异。VR用户不是看着远距离的屏幕,而是看着近距离的小型屏幕。另外,你看到的画像是由光学堆叠中的一组透镜放大,这就像通过摄像头视图看电视一样:你看到的不仅取决于屏幕的分辨率,它同时取决于透镜的光学特性,比如放大率和清晰度。

与电视和手机不同的是,显示器基本会跟着头部移动,它离你的眼睛很近。为了实现高质量的视觉体验,所以光学器件必须在相关视角提供一致的几何和光学性能。这意味着,在未来VR的视觉表现和体验方面,眼动追踪技术将发挥越来越重要的作用。

Meta认为,行业需要根据VR特定的性能指标进行调整:“我们不能只关注显示器分辨率,我们必须考虑显示器和光学器件如何作为VR头显中的一个系统协同工作。”

这家公司指出,VR中的视觉清晰度由众多因素决定,其中最重要的是系统分辨率(以像素/度或PPD为单位)、锐度(以透镜的调制传递函数或MTF为单位)、对比度和颜色。在日前一篇博文中,团队深入介绍了这四个问题,以及它们与Quest Pro的Infinite Display光学堆栈的关系。下面是映维网的具体整理:

系统分辨率

在考虑VR头显质量时,我们很容易只关注显示器分辨率,因为这是我们判断2D显示器的标准。但相反,我们应该评估以PPD计量的整个光学系统的分辨率。这个综合度量标准考虑了显示器和光学系统的协同工作。它是一种角度测量,用于测量在1度视场范围内的像素数。PPD越高,VR头显的系统分辨率越好。

为了确保高品质体验,我们在设计和制造VR头显时密切关注PPD。由于Quest Pro显示器的像素密度更高,以及随后通过头显的Pancake光学放大,我们能够将Quest Pro(22 PPD)的整体系统分辨率相较于Quest 2(20 PPD)提高10%。尽管这不是当前市场最高的PPD,但这是量产型高质量VR和MR头显的重要里程碑。

我们正继续投资这一点。Reality Labs Research的显示系统研究团队先前发布了Butterscotch原型。它将视场限制在Quest 2的一半左右,并使用带有新型混合透镜的3K LCD面板,从而实现接近视网膜分辨率(约为60 PPD的55 PPD。这可能为新的行业标准铺平道路。尽管Butterscotch是一种研究原型,其技术配置可能无法使其成为未来产品,但我们正在开发高密度显示器和高分辨率光学系统,从而实现产品路线图的视网膜分辨率。

锐度

PPD为整个系统的分辨率设定了基准,而考虑到光学系统的组件,另一个关键指标尚未得到行业足够的关注:锐度。

通过结合分辨率和对比度的MTF测量,锐度决定了光学系统可以再现多少细节。MTF越高,图像细节越精细。由于VR显示器提供的影像需要通过透镜查看,所以团队必须优化光学器件的设计和制造,从而避免透镜造成的伪影。同样重要的是要,对于像电视这样的平面2D显示器,清晰度是一致的。但在VR中,透镜中心和外围有着不同程度的锐度。所以,我们的目标是在中心和外围实现更高的MTF。

对于Quest Pro,中心锐度为0.98,外围锐度为0.85,分别比Quest 2提高了25%和50%。

对比度

对比度是显示光学系统可以产生的最亮白色和最暗黑色的亮度之间的比率。比率越高,对比度越好。

为了最大化对比度,Quest Pro的高像素密度显示器配备了专门的局部调光技术。它可以独立控制500多个单独的LED块。这使得对比度提高了75%,并提供了更深的黑色,从而大大增强了视觉感知体验。

另外,为了最小化重影,Quest Pro的Pancake光学采用了三个偏振膜堆叠的独特设计:一个在显示器,剩下的分别位于两个透镜元件。这同样有助于整体对比度的提高。

颜色

最后,通过色域和颜色精度来衡量VR头显的颜色质量。色域是整个系统可以再现的光谱颜色范围。颜色精度是指视觉系统按照预期再现颜色和阴影的能力。总之,它们对于提供逼真的沉浸式体验至关重要。

Quest Pro具有广泛的DCI-P3色域,是Quest 2的1.3倍。我们同时为Quest Pro开发了先进的颜色校准技术,以确保双眼的颜色精度和亮度差异。所以,Quest Pro能够在整个视场中提供卓越的视觉清晰度。

缩短光学堆叠

Quest Pro采用双元件透镜和10+层功能光学膜。最初的概念由Reality Labs Research在大约两年的时间里开发,它代表了从研究到产品的一次非常成功的硬件技术转移。然而,在设计可在产品中使用的Pancake透镜和偏振光学器件方面依然具有提升空间。

我们的产品团队设计了真正独特的透镜和偏振堆叠,而不是现成的产品。尽管Pancake透镜和偏振光学本身并不新鲜,但它们在VR中的应用在大规模产品化方面带来了独特的挑战。没有制造商制造相关零件,而这又需要非常精确的透镜和偏振膜制造和集成,所以我们的产品团队必须在多年的过程中与行业密切合作,从零开始创建供应链,并提高其最先进的制造能力。

我们是第一批与一级工业合作伙伴合作,创建缩短光学堆栈和类似Quest Pro的Pancake光学的公司之一,我们规模化地完成了这项工作。

总而言之,Meta目前拥有350多项与光学技术相关的专利,包括专注于最小化尺寸的同时优化视觉性能的专利。

将所有整合在一起

当把所有创新和技术结合到单一的消费设备中时,你将获得一个搭载着可以提供更清晰文本、更锐利视觉效果、更鲜艳颜色和更舒适整体体验的视觉系统的VR头显。

这是一个系统优化设计挑战,要求我们的产品团队将VR视觉系统作为一个整体,而不是只关注单个组件。最后,我们的目标是最大化整体用户体验。这可能并不完美,但我们所做的权衡旨在保持最佳视觉体验。

这只是一个开始。随着Infinite Display技术不断改进,我们能够将Quest Pro的创新Pancake透镜和偏振光学与更高分辨率的显示器相结合,并且应该能够看到视觉质量的显著飞跃。

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