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
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。
