Meta展示多款VR头显原型,探索变焦、畸变、视网膜分辨率、HDR等挑战

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团队在VR硬件研发方面的最新成就

映维网Nweon 2022年06月21日)对于VR硬件,Meta的最终目标是打造一款舒适、小巧、并且在视觉视场方面“与物理现实别无二致”的设备。日前,公司首席执行官马克·扎克伯格通过一个短视频发布了团队最新的VR头显,并表示这是他们朝所述目标迈出的又一步。

Meta多次公开表示,已在XR方面投入了数百亿美元,而其中大部分都是用于Reality Labs的长期研发工作。或是为了向股东交待,保持大众的关注和憧憬,以及给行业指明方向和信心,这家公司日前展示了团队在VR硬件研发方面的最新成就。

首先,扎克伯格与Reality Labs首席科学家迈克尔·亚伯拉什(Michael Abrash)一起解释道,最终目标是构建满足所有视觉要求,可以令人类大脑接受其为“真实”的VR硬件。

如今的VR头显确实可以实现令人印象深刻的沉浸感,但毫无疑问,你依然会认为这一切都只是虚拟画面。

对于Reality Labs的研究团队,他们一直在使用“视觉图灵测试”一词来表示需要满足的标准。所以为了令人类视觉系统完全相信头显呈现的一切都是真实,Meta表示VR硬件必须通过“视觉图灵测试”。

1. 四大挑战

在通过视觉图灵测试之前,VR头显需要解决四个关键的视觉挑战:变焦、畸变、视网膜分辨率和HDR。

简单概述它们的含义:

  • 变焦:能够聚焦虚拟场景的任意深度,同时具备眼睛的基本聚焦能力(会聚和调节)
  • 畸变:透镜本身会令通过它们的光线发生畸变,并通常会产生像色散等伪影。这使得透镜的存在变得十分明显。
  • 视网膜分辨率:显示器的分辨率足以达到或超过人眼的分辨率
  • HDR:高动态范围,它描述了我们在现实世界中经历的黑暗和亮度范围(目前几乎没有任何显示器能够正确模拟这一点)。

作为应对上述问题的概念证明,Reality Labs的显示系统研究团队构建了一系列的原型。

2. 变焦

关于变焦问题,Reality Labs一直在探索名为“Half Dome”的原型系列。团队首先探索了采用机械移位显示器来改变与透镜之间的距离,从而改变图像的焦距。研究人员后面则转向了固态电子系统,这提升了变焦光学系统的紧凑性、可靠性和静音能力。

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3. 透镜

至于畸变,亚伯拉什解释道,针对VR透镜设计的设计和畸变校正算法是一个繁琐的过程。他指出,新型透镜无法快速制造,而一旦制造完成,它们又需要小心地集成到头显之中。

为了帮助显示系统研究团队更快地解决这个问题,他们构建了一个“畸变模拟器”,使用3DTV模拟VR头显,并在软件中模拟透镜(及相应的畸变校正算法)。

其中关键的挑战是在眼睛移动时动态纠正透镜畸变,而不仅仅是纠正眼睛在透镜直接中心所看到的伪影。

4. 视网膜分辨率

在视网膜分辨率方面,Meta展示了一款从未公开亮相的头显原型Butterscotch,而且它达到了每度60像素、允许20/20视力的视网膜分辨率。

为了实现这款原型,团队采用了像素密度极高的显示器,并缩小了视场,以便将像素集中在一个小范围区域之中。所以,Butterscotch目前的视场仅为Quest 2的一半左右。作为说明,Quest 2的视场约为90度。

这家公司同时开发了一种可以“完全解析”提高分辨率的“混合透镜”。下面是Rift 1、Quest 2和Butterscotch原型之间的透镜比较:

尽管行业现在已经出现Varjo VR-3这样能够提供“视网膜分辨率”的设备,但它只能在视图中间的一个小型区域(27°×27°)内达到60 PPD的水平。在所述区域以外,任何画面都会下降到30 PPD或更低。表面上看,Butterscotch原型在整个视场内的分辨率都能达到60 PPD,但Meta没有解释透镜边缘的分辨率降低程度。

5. HDR高动态范围

扎克伯格指出,在他和亚伯拉什概述的四个关键挑战中,“其中最重要的是HDR。”

为了证明HDR对VR体验的影响,显示系统研究团队构建了另一个原型Starburst。据称,这是第一款亮度可以达到惊人20000 nit的VR头显。

但HDR的目标不是令你“眼前一亮”,而是为现实生活中非常明亮的对象提供真实的亮度。例如火灾、爆炸、烟火,甚至窗户的明亮反光。Meta表示,能够在VR中复刻这种现实亮度对于通过视觉图灵测试至关重要。

相比之下,Quest 2的最大显示亮度为100 nit,而高端HDR电视则为2000 nit左右。这意味着Starburst可以实现比HDR电视高10倍的亮度范围。

索尼即将发售的PSVR 2有望成为首款商用HDR VR头显,但这家公司对“HDR”的定义并不明确。所以无法预测它是否能够达到1000 nit。

6. 小型化

需要注意的是,团队为了验证单独概念而牺牲了重量和尺寸。换句话说,目前难以以适合的重量和尺寸整合一系列的实验成果。

对于尺寸和重量方面,Meta同样致力于探索设备的小型化。在这个方面,他们概念验证了全息折叠光学研究,并制造了一款名为Holocake 2的可用设备。

这一令人印象深刻的紧凑原型解决了当代VR头显的两个重要尺寸限制:光路长度和透镜宽度。

为了令VR头显中的透镜能够正常工作,你必须将其放置在与显示器相隔一定距离的位置。但利用Pancake光学元件(又称“折叠”光学元件),你可以通过偏振将光来回反射,从而实现路径“折叠”,有效缩短透镜和显示器之间的距离。

当你缩小这个距离时,你会发现透镜的厚度实际上限制了显示器与眼睛的距离。所以,Holocake 2原型采用了比传统透镜薄得多的全息透镜。

它们基本是非常细薄的全息薄膜。尽管薄,但它们操纵光线的方式与较厚的透镜类似。

所以,全息透镜和Pancake光学系统的结合令Holocake 2非常紧凑。

Meta表示:“全息透镜的发明是一种提升形状参数的新方法,代表着VR显示系统向前迈出的显著一步。这是我们首次尝试通过全息光学技术制作可以正常工作的头显,而我们相信头显进一步实现小型化是有可能的。”

需要注意的是,Holocake 2是一款PC VR头显。这意味着它需要额外的空间来支持计算和电池组件,从而实现Meta所追求的一体机设置。遗憾的是,Meta指出Holocake 2需要一个激光光源,而它们的尺寸或成本尚无法达到商用产品所需的水平。

7. Cambria

对于VR硬件的未来走向,这都是一个令人兴奋的展望。但显然,它们离我们依然存在一段遥远的距离。换句话说,我们无法通过将于今年亮相的高端头显Cambria感受Reality Labs的实验成果。

Meta表示,今天展示的大多数技术都远未没成熟。诚然,Cambria似乎会采用折叠光学系统,但要实现Holocake 2这样的紧凑形状,团队依然需要继续努力。

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