AR顯示器的技術(shù)原理是什么？

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是促使真實(shí)世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合在一起的較新的技術(shù)內(nèi)容，其將原本在現(xiàn)實(shí)世界的空間范圍中比較難以進(jìn)行體驗(yàn)的實(shí)體信息在電腦等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)施模擬仿真處理，疊加將虛擬信息內(nèi)容在真實(shí)世界中加以有效應(yīng)用，并且在這一過程中能夠被人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

真實(shí)環(huán)境和虛擬物體之間重疊之后，能夠在同一個(gè)畫面以及空間中同時(shí)存在。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠有效體現(xiàn)出真實(shí)世界的內(nèi)容，也能夠促使虛擬的信息內(nèi)容顯示出來，這些細(xì)膩內(nèi)容相互補(bǔ)充和疊加。在視覺化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶需要在頭盔顯示器的基礎(chǔ)上，促使真實(shí)世界能夠和電腦圖形之間重合在一起，在重合之后可以充分看到真實(shí)的世界圍繞著它。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中主要有多媒體和三維建模以及場景融合等新的技術(shù)和手段，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所提供的信息內(nèi)容和人類能夠感知的信息內(nèi)容之間存在著明顯不同。

當(dāng)前AR 顯示器有 2 類主要技術(shù)：光學(xué)透視和視頻透視。兩種類型過去都有很多探索，但視頻透視的限制非常明顯，幾乎所有商業(yè) AR 設(shè)備都在使用光學(xué)透視顯示器。

光學(xué)透視顯示器讓用戶透過一組光學(xué)鏡片“直接”看到真實(shí)世界。AR 顯示器的原理是：在真實(shí)世界的源光線中疊加虛擬內(nèi)容的光線。這個(gè)疊加操作是無法展示黑色或讓真實(shí)世界變暗的，所以現(xiàn)在的 AR 顯示器是無法展示黑色內(nèi)容或繪制陰影的。實(shí)驗(yàn)室中已有設(shè)備能做到像素級遮擋源光線了，但離實(shí)用還很遠(yuǎn)，這里不再考慮。

目前主要有 2 種光學(xué)透視顯示器：光波導(dǎo)(waveguide)和自由空間系統(tǒng)(free-space system)。光波導(dǎo)在現(xiàn)今的高端市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，上文提到的所有設(shè)備都是基于光波導(dǎo)的：從投影儀(projector)在發(fā)出的一幀圖像的光，從光波導(dǎo)鏡片的一側(cè)進(jìn)入，根據(jù)全內(nèi)反射原理將在光波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生反射(和光纖電纜類似);然后在另一側(cè)離開光波導(dǎo)并進(jìn)入眼睛。光波導(dǎo)很流行，因?yàn)橥ㄟ^它很容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)雅的扁平設(shè)計(jì)，但也帶來了很多圖像質(zhì)量問題。

視頻透視顯示器通過一對攝像頭記錄真實(shí)世界，然后將影像展示在 OLED 或 LED 的不透明屏幕上，通過傳統(tǒng)的視頻混合技術(shù)添加虛擬內(nèi)容。這意味著包括 展示黑色內(nèi)容、暗化真實(shí)世界 在內(nèi)的任何操作都是可行的。

視頻透視相比光學(xué)透視的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)容混合的可控性。但目前幾乎所有的 AR 設(shè)備都采用了光學(xué)透視，原因也簡單：視頻透視需要面對本文討論的所有對現(xiàn)實(shí)世界和虛擬內(nèi)容的挑戰(zhàn);相反光學(xué)透視只需要面對虛擬內(nèi)容的挑戰(zhàn)，且通過一些 UI 設(shè)計(jì)可以較好的規(guī)避。動態(tài)范圍就是個(gè)明顯的例子：人眼的動態(tài)范圍可清晰分辨一個(gè)站在陽光直射下的人和鄰近的站在陰影下的人，目前攝像頭和顯示器做不到這點(diǎn);陰影里的人太暗而陽光下的人又太亮，此外大視場就變得必要了，不僅要匹配所部署的相機(jī)系統(tǒng)，還要要模仿肉眼所見的真實(shí)世界視場。加之人類自身因素的安全考慮?；谝陨弦蛩?，下文只考慮光學(xué)透視顯示器。

AR 顯示器諸多關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)介紹：

· 視場

· 適眼區(qū)尺寸

· 亮度、透明度和工作時(shí)間

· 對比度

· 均勻性和顏色質(zhì)量

· 分辨率

· 真實(shí)世界失真

· 虛擬圖像失真

· 眼睛安全

· 出瞳距離

· 周邊視覺

· 色差

· 深度感知

· 尺寸、重量和結(jié)構(gòu)

· 光學(xué)效率

· 延遲

· 雜散光

由于AR技術(shù)的顛覆性和革命性，AR技術(shù)獲得了大量了解。早在20世紀(jì)90年代，就有3D游戲上市，但由于當(dāng)時(shí)的AR技術(shù)價(jià)格較高，其自身延遲較長，設(shè)備計(jì)算能力有限等缺陷，導(dǎo)致這些AR游戲產(chǎn)品以失敗收尾，第一次AR熱潮就此消退。到了2014年，F(xiàn)acebook以20億美元收購Oculus后，類似的AR熱再次襲來。在2015和2016兩年間，AR領(lǐng)域共進(jìn)行了225筆風(fēng)險(xiǎn)投資，投資額達(dá)到了35億美元，原有的領(lǐng)域擴(kuò)展到多個(gè)新領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、虛擬仿真教學(xué)、手術(shù)診療、文化遺產(chǎn)保護(hù)等。如今，AR、VR等沉浸式技術(shù)正在快速發(fā)展，一定程度上改變了消費(fèi)者、企業(yè)與數(shù)字世界的互動方式。用戶期望更大程度上從2D轉(zhuǎn)移到沉浸感更強(qiáng)的3D，從3D獲得新的體驗(yàn)，包括商業(yè)、體驗(yàn)店、機(jī)器人、虛擬助理、區(qū)域規(guī)劃、監(jiān)控等，人們從只使用語言功能升級到包含視覺在內(nèi)的體驗(yàn)。而在這個(gè)發(fā)展過程中，AR將超越VR，更能滿足用戶的需求。