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VR/AR显示技术的过去、现在和未来

导读:

今年对于VR来说似乎很平淡,消费级头显除了HTC Vive Pro以及Oculus Go的推出再无其他动静。这两款设备在

今年对于VR来说似乎很平淡,消费级头显除了HTC Vive Pro以及Oculus Go的推出再无其他动静。这两款设备在屏幕分辨率上相比先前的VR头显均有小幅度的提升,分辨率达到了2880×1600与2560×1440,然而分辨率的提升依然没有帮助消费者们摆脱纱窗效应的困扰。

另一边的AR虽然在企业市场炙手可热,也也依然在显示的问题上饱受诟病——色散、分辨率低、视场角小。为何VR/AR显示技术迟迟没有取得突破?各家显示技术供应商在这一年里到底取得了怎样的进展?未来又是怎样的?要知道这个问题的答案,首先你要了解VR/AR到底是如何显示图像的。

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VR/AR的光学原理

按照光学原理的不同,我们可以将VR/AR的显示技术分为两个大类:非瞳孔成像结构与瞳孔成像结构。

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非瞳孔成像结构常被用于我们熟悉的HTC Vive、Oculus Rift与PSVR等沉浸式设备。这种成像结构只用单个放大镜直接显示来自显示面板的光线。非瞳孔成像结构在结构上更轻便更紧凑,但是当光线透过透镜时会产生显著的枕型失真。

瞳孔成像结构中,则会使用另一片镜片来矫正图像的失真。瞳孔成像结构通常用于非沉浸式的设备,例如Google Glass以及微软的HoloLens。

除此之外AR眼镜在光学结构中还需要波导(Waveguide)结构来将光波引导到用户的眼睛里。这通常需要在设备内部设置反射结构来控制光在入口和出口之间的轨迹,目前AR行业用的波导结构可以分为四种:全息波导、衍射波导、偏振波导以及反射波导。

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全息波导是一种相对简单的波导类型,其在反射结构的出口与入口处通常会有如镜片之类的光学元件。这种结构被用于索尼的Smart Eyeglass上。

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衍射波导则需要通过精确的表面浮雕光栅来实现内部反射,以通过显示屏无缝叠加3D图形。这种结构被用在了Vuzix以及微软的HoloLens上。

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偏振波导则是当光进入波导结构后经过一系列的反射来到会反射部分光线的偏振表面。被选中的光波将被反射到观看者眼中,其余的则穿过该表面继续射向下一个偏振表面。

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反射波导和全息波导很类似,由一个波导平面以及一个或多个半反射镜面组成。反射波导被用在爱普生的Moverio以及Google Glass上。

这四种波导结构中应用最广泛的是全息波导与衍射波导,几乎占据了全部的AR市场,未来也依然是这两种波导结构平分天下,全息波导占比略高于衍射波导。

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VR/AR的显示技术

VR/AR的显示技术可以分为三种:完全沉浸式、光学透视以及视频透视。

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顾名思义,完全沉浸式显示是标准的VR显示器,其与传感器组合来追踪位置和方向,能够完全阻断外界的画面,就像《头号玩家》电影中展示的一样。

光学透视眼镜允许用户透过光学元件看到周围的环境,通常采用全息波导等能够在现实世界中实现图形叠加的系统。微软的HoloLens、Magic Leap One和Google Glass都是这一类型的眼镜。

视频透视让用户可以通过安装在头显上的一个或两个摄像头来观看周围现实世界,这些摄像头的图像可以与计算机生成的图像组合,为用户提供AR体验。HTC Vive头显就是这一类型的设备。

VR/AR的成像技术

LCD显示屏在高清晰度电视中很常见,自20世纪80年代以来一直被用作VR/AR头显中的显示器。LCD的优点在于技术较成熟,生产工艺难度相对较低,良品率高,缺点在于高刷新率下切换画面时产生图像残留。

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AMOLED显示屏则是现在主流消费级头显的首选。AMOLED由一层包含存储电容的薄晶体管组成,可以更好的控制每个像素,实现单个像素的开关,从而实现更深的黑色和更高的对比度。

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相比LCD,AMOLED的结构相对简单,并且不需要背光,因此厚度上更薄。此外,AMOLED消耗功率显著低于LCD,刷新率更快、对比度更高、色彩还原更好、分辨率更高。缺点则是生产过程中的良品率较低导致价格一直居高不下。不过随着京东方的AMOLED显示屏量产,AMOLED的屏幕价格正在逐渐下降,三星在屏幕的垄断一定程度上被打破。

AR眼镜则主要通过微型数字光投影仪(DLP)以及微型硅基液晶(LCoS)这两种近眼显示系统来显示图像。

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