編譯/VR陀螺

虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域正在快速發(fā)展，不過在其達(dá)到技術(shù)潛力之前，仍有許多障礙需要克服。今年6月，Meta在Inside the lab活動(dòng)中展示了多款VR原型機(jī)，它們分別解決了不同方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，如分辨率、亮度、尺寸等。——相關(guān)閱讀：從Meta 4款原型機(jī)和概念機(jī)上看到的元宇宙未來

道格拉斯·蘭曼（Douglas Lanman）在Meta公司工作了8年，是開發(fā)顯示系統(tǒng)的部門負(fù)責(zé)人。在今年的Siggraph會(huì)議上，蘭曼發(fā)表了演講，主題是開發(fā)一個(gè)趨于完美的VR頭顯所面臨的十大挑戰(zhàn)。

道格拉斯·蘭曼（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

1.更高的分辨率

目前的VR頭顯在分辨率方面還遠(yuǎn)沒有達(dá)到人類的視覺分辨率。為了使虛擬世界看起來像實(shí)物一樣真實(shí)和清晰，并且即使在中等距離也能很好地閱讀文本，VR顯示器的分辨率必須大幅提高。

Meta公司表示，單眼8K、像素密度為60 PPD是初步目標(biāo)。Meta Quest 2只達(dá)到了單眼2K和20 PPD。6月公開的原型機(jī)之一Butterscotch已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接近視網(wǎng)膜級(jí)別的分辨率，達(dá)到55 PPD。

不過，高分辨率顯示器的開發(fā)和生產(chǎn)并不是最大的問題，問題在于要有相應(yīng)的計(jì)算能力來支持這種高分辨率顯示器。注視點(diǎn)渲染和云串流技術(shù)可以提供幫助，但它們本身也是重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

不同頭顯的分辨率比較（圖源：Meta）

2.更廣的視場(chǎng)角

人類的水平視場(chǎng)角大約是200度寬?，F(xiàn)階段，商業(yè)上可用的VR頭顯一般能達(dá)到100度的水平視場(chǎng)角，在垂直視場(chǎng)角方面也仍有改進(jìn)的余地。

更廣的視場(chǎng)角給透鏡技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，這表現(xiàn)在視場(chǎng)邊緣的圖像失真上。同時(shí)，這也關(guān)系到計(jì)算能力的問題，視場(chǎng)角越寬，VR頭顯所要顯示的像素就越多，這將導(dǎo)致更高的功率要求和更多的發(fā)熱。

3.人體工程學(xué)

消費(fèi)端市場(chǎng)的VR頭顯仍然很笨重。Meta Quest 2的重量超過1磅，從面部突出近3英寸。理想情況下，VR頭顯需要足夠舒適以支持長(zhǎng)時(shí)間佩戴，因此在設(shè)計(jì)上要更窄、更輕。Pancake透鏡和全息透鏡可以提供幫助。

原型機(jī)Holocake 2被扎克伯格稱為“我們制造的最薄、最輕的VR頭戴設(shè)備”。為了實(shí)現(xiàn)纖薄的效果，Meta開發(fā)了兩項(xiàng)新技術(shù)：平面全息透鏡和偏振反射。但問題在于，兩項(xiàng)技術(shù)都要使用定制的激光器作為光源，而這些激光器還沒有發(fā)展到可以大規(guī)模生產(chǎn)的程度。

以太陽鏡的形式顯示的是Holocake 1原型，作為對(duì)比，透明顯示的是2016年的Oculus Rift。（圖源：Meta）

4.帶視覺校準(zhǔn)的顯示器

完美的VR頭顯應(yīng)該能夠檢測(cè)并補(bǔ)償用戶的視覺缺陷，這樣無需佩戴傳統(tǒng)的眼鏡或隱形眼鏡就能在虛擬現(xiàn)實(shí)中看得清楚。

這個(gè)問題可以通過特殊的附件來解決，但更好的方案是，顯示器帶有視覺校準(zhǔn)功能，可以根據(jù)用戶自己的視力來進(jìn)行適配。這樣今后就不用擔(dān)心佩戴傳統(tǒng)眼鏡使用VR，會(huì)不會(huì)刮傷鏡片或擠壓用戶臉部的問題了。

5.可變的焦點(diǎn)

在VR環(huán)境中，人眼不能自然聚焦，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)導(dǎo)致眼睛疲勞和頭痛。這種現(xiàn)象在技術(shù)術(shù)語中被稱為“視差適應(yīng)沖突”。

為了解決這個(gè)問題，Meta公司開發(fā)了一款支持“漸進(jìn)式視覺”的原型機(jī)Half Dome。該顯示器能模擬不同的焦平面以及模糊，幫助眼睛更自然地觀察虛擬世界。不過，扎克伯格曾表示可變焦功能距離實(shí)裝上市還有至少五六年的時(shí)間。

另外值得一提的是，Half Dome的FOV達(dá)到了140度。

6.面向所有人的眼球追蹤

眼球追蹤是虛擬現(xiàn)實(shí)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它是許多其他重要的VR技術(shù)的基礎(chǔ)，如漸進(jìn)式視覺（見第5點(diǎn)）、注視點(diǎn)渲染和畸變校正（見第7點(diǎn)）。它還能在社交體驗(yàn)和新的互動(dòng)形式中實(shí)現(xiàn)眼神交流。

眼球追蹤的問題在于，它并不是對(duì)所有的人都有同樣的效果。行業(yè)需要一個(gè)可靠的解決方案，能夠覆蓋更廣泛的人口。否則，該技術(shù)只會(huì)讓人感到沮喪，并被消費(fèi)者所拒絕。

瞳孔的形狀因人而異。這對(duì)眼球追蹤系統(tǒng)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。（圖源：Meta）

7.畸變校正

透鏡本身就會(huì)產(chǎn)生圖像畸變，必須通過軟件進(jìn)行校正。瞳孔最輕微的移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致細(xì)微但明顯的畸變，它們損害了視覺的真實(shí)性，特別是在與其他技術(shù)（如漸進(jìn)式視覺）結(jié)合時(shí)。

為了加速校正算法的發(fā)展，Meta的研究人員開發(fā)了一個(gè)畸變模擬器。它可以用來測(cè)試不同的透鏡、分辨率和視場(chǎng)，而不需要制造測(cè)試頭顯和特殊透鏡。

8.高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）

實(shí)體物體和環(huán)境的亮度遠(yuǎn)高于VR顯示器。針對(duì)這一問題，Meta公司開發(fā)了原型機(jī)Starburst，其最高亮度可達(dá)2萬尼特。作為比較，一臺(tái)好的HDR電視能達(dá)到幾千尼特，而Meta Quest 2只有100尼特。

Starburst可以真實(shí)地模擬封閉房間和夜間環(huán)境中的照明條件。不過目前的原型機(jī)非常重，以至于得懸掛在天花板上，而且耗能極大。

據(jù)Meta公司稱，HDR對(duì)視覺真實(shí)性的貢獻(xiàn)比分辨率和可變焦距等更大，但距離實(shí)際應(yīng)用卻最遠(yuǎn)。

9.視覺逼真度

完美的VR頭顯必須在兩個(gè)方向都是半透明的。VR用戶應(yīng)該能夠看到環(huán)境，就像環(huán)境能夠看到VR用戶一樣。這既是出于用戶舒適度的考慮，也是出于社會(huì)接受度的考慮。

頭顯傳感器記錄環(huán)境，并將其顯示為虛擬現(xiàn)實(shí)中的視頻圖像。這種被稱為透視的技術(shù)目前已經(jīng)存在于商業(yè)化的VR頭顯中，盡管質(zhì)量相當(dāng)差。例如，Meta Quest 2提供了一種顆粒狀的黑白透視模式。Meta Quest Pro應(yīng)該會(huì)以更高的分辨率和色彩來改善這種顯示模式。

然而，這還不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理環(huán)境的完美重建。其中一個(gè)有待解決的問題是，透視技術(shù)捕捉到的世界視角在空間上與眼睛存在偏差，這在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)可能會(huì)引起不適。為此，Meta公司正在研究人工智能輔助的凝視合成技術(shù)，該技術(shù)能實(shí)時(shí)生成視角正確的視點(diǎn)，并具有高視覺保真度。

在相反的情況下，Meta公司稱之為“反向透視”，即外人能看到VR用戶的眼睛和臉，憑此得以進(jìn)行眼神交流或閱讀面部表情。這可以通過朝內(nèi)的傳感器和外部（光場(chǎng)）顯示器來實(shí)現(xiàn)。但正如Meta的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有準(zhǔn)備好進(jìn)入市場(chǎng)。

左邊是Oculus Rift，它阻擋了VR用戶的眼睛視線。右邊是一個(gè)早期的反向透視原型機(jī)。（圖源：Meta）

10.面部重建

共處和元宇宙是Meta公司的最終目標(biāo)。該公司希望有一天人們能在虛擬空間中會(huì)面，并感覺他們就像在同一個(gè)房間里一樣。為此，Meta公司正在研究逼真的Codec Avatars，但它們的制作和計(jì)算成本仍然很高。

這個(gè)方向的第一步是VR頭顯可以實(shí)時(shí)讀取VR用戶的面部表情，并將其轉(zhuǎn)移到虛擬現(xiàn)實(shí)中。Quest Pro將是Meta公司首款提供面部追蹤的頭顯。

來源：MIXED