編者按：本文來(lái)自北京理工大學(xué)的王涌天教授發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)信息科學(xué)》2016年第12期的文章《虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)顯示技術(shù)》。本文綜述了VR主要顯示技術(shù)的原理和特點(diǎn)，并提出顯示技術(shù)期待達(dá)到的目標(biāo)，最后還做出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的展望。以下是正文： 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高性能VR技術(shù)及VR系統(tǒng)的需求與日俱增，而VR設(shè)備營(yíng)造高沉浸感的關(guān)鍵之一在于良好的顯示效果。 本文介紹了當(dāng)今VR領(lǐng)域所涉及的主要顯示技術(shù)，對(duì)每種技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析、比較和總結(jié)。 特別地，對(duì)當(dāng)前VR的最主流顯示方式，即頭盔顯示器，進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并通過(guò)頭盔顯示技術(shù)的演變闡述當(dāng)前顯示技術(shù)所致力解決的問(wèn)題與期望達(dá)到的目標(biāo)。 最后對(duì)VR中顯示技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。 VR圖像顯示的要求 VR中的顯示技術(shù)需要服務(wù)于VR的目的，即營(yíng)造一種逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶具有很好的沉浸感。 沉浸感是用戶感覺(jué)到的虛擬環(huán)境的真實(shí)程度，良好的沉浸感會(huì)使得用戶難以分辨環(huán)境的真假。需要從人眼視覺(jué)特性著手，人眼的單目視場(chǎng)角為水平150°，豎直120°，兩只眼睛的視場(chǎng)只有部分重合，重合區(qū)域?yàn)?0° 至60°。 同時(shí)，人眼的分辨率由視場(chǎng)中心到邊緣迅速下降。 另外， 兩眼觀察同一景物時(shí)，由于左右眼位置的區(qū)別，每只眼睛的視角會(huì)有所差別，雙眼的視差會(huì)使得大腦獲得物體的深度信息。 所以，作為VR的顯示設(shè)備，應(yīng)當(dāng)具有與人眼類似的視場(chǎng)角、良好的顯示效果(足夠的分辨率和色彩顯示性能)，并且能夠在一定程度上滿足人眼立體視覺(jué)的特性。 頭盔式VR顯示系統(tǒng) 頭盔顯示系統(tǒng)(head-mounted display， HMD) 是最為典型的VR顯示系統(tǒng)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的VR顯示系統(tǒng)，它是指佩戴在用戶頭部，可以隨著用戶移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，并且向用戶眼睛顯示圖像信息的設(shè)備。 頭盔顯示系統(tǒng)的分類是多樣的。 按照所采用顯示器的大小可以分為采用微顯示器的頭盔顯示系統(tǒng)與采用較大顯示器的頭盔顯示系統(tǒng)。 按照物像關(guān)系可以分為目鏡式頭盔顯示系統(tǒng)與非成像式頭盔顯示系統(tǒng)，大多數(shù)頭盔顯示器中的微顯示器與用戶眼底具有物像關(guān)系，屬于前者，而視網(wǎng)膜投影(掃描) 頭盔以及光場(chǎng)顯示頭盔則不是。 按照立體感的程度劃分，常見(jiàn)的頭盔顯示器利用左右眼雙目視差形成立體感， 而多焦面頭盔、視網(wǎng)膜投影(掃描) 頭盔、光場(chǎng)頭盔和利用單眼視覺(jué)的頭盔等利用人類視覺(jué)的深度感知特性，能產(chǎn)生更真實(shí)的立體感。 目鏡式頭盔顯示系統(tǒng) 自由曲面棱鏡式頭盔最早由Okuyama 和Yamazaki 提出，Cheng 等對(duì)其進(jìn)行再設(shè)計(jì)，如下圖所示， 并通過(guò)像質(zhì)自動(dòng)平衡算法實(shí)現(xiàn)53。5° 的大視場(chǎng)角與1。875 的小F#，大大提升了顯示效果。 最早將中等尺寸顯示器頭盔成功推向市場(chǎng)的是美國(guó)的Oculus公司，近些年來(lái)這種類型的頭盔顯示設(shè)備成為消費(fèi)級(jí)VR顯示器的主流產(chǎn)品。對(duì)于這類頭盔目鏡的設(shè)計(jì)，大視場(chǎng)角會(huì)導(dǎo)致鏡片元件中心厚度的增大。為了避免這一點(diǎn)，Wearality sky 利用Fresnel透鏡減小鏡片厚度，實(shí)現(xiàn)150° 的超大視場(chǎng)。不同結(jié)構(gòu)形式的頭盔顯示器的參數(shù)見(jiàn)下表： 大視場(chǎng)高分辨率頭盔顯示技術(shù) Rolland 等提出靜態(tài)光電插入式頭盔顯示原型，如下圖所示，該系統(tǒng)利用微透鏡陣列將高分辨率圖像復(fù)制成圖像陣列，再利用光學(xué)開(kāi)關(guān)陣列選通，將與用戶觀察位置對(duì)應(yīng)的圖像單元疊加在背景圖像上。 雙目分視技術(shù)是另一種利用人眼視覺(jué)融合特性的方法。下圖為這種方法的示意圖，用戶的一只眼睛觀察大視場(chǎng)低分辨率圖像，另一只眼觀察中心區(qū)域小視場(chǎng)高分辨率圖像。該方案成本低廉，但是用戶只能觀察到中心區(qū)域的高清晰圖像，且無(wú)法產(chǎn)生立體效果。 Cheng 等提出了雙自由曲面棱鏡拼接式的頭盔顯示設(shè)備，獲得56° × 45° 的大視場(chǎng)與3.2 角分的角分辨率，如下圖所示。同時(shí), Cheng 等還提出其他的自由曲面棱鏡拼接形式，其中六塊棱鏡拼接可以獲得119° × 56° 的大視場(chǎng)角，同時(shí)角分辨率保持為3.2 arcmin。 多焦面頭盔顯示技術(shù) 分時(shí)復(fù)用式多焦面頭盔在某個(gè)特定時(shí)刻只具有一個(gè)深度的焦面，通過(guò)自身光焦度或者物像關(guān)系的變化使得系統(tǒng)的焦面在幾個(gè)特定深度之間迅速切換，進(jìn)而生成若干焦平面。 Hu 等利用變形鏡改變中間像的軸向位置, 再借由自由曲面棱鏡實(shí)現(xiàn)了雙焦面的構(gòu)建，其光路圖如下圖所示。 這個(gè)雙焦面系統(tǒng)已經(jīng)可以佩戴于頭部，但由于光路復(fù)雜， 鏡片數(shù)目較多，體積仍然比較龐。 Cheng 等利用兩片自由曲面棱鏡的軸向堆疊， 首次設(shè)計(jì)出了可以佩戴的輕小型雙通道頭盔顯示器，如下圖所示。在這個(gè)系統(tǒng)中， 兩個(gè)顯示通道分別產(chǎn)生位于1.25m 和5m 處的焦面?？臻g并行式多焦面系統(tǒng)往往采用多個(gè)顯示器，通過(guò)多個(gè)光學(xué)顯示通道獲得多個(gè)焦面。與分時(shí)復(fù)用式不同，空間并行式系統(tǒng)能夠同時(shí)顯示數(shù)個(gè)不同深度的圖像。 利用單眼視覺(jué)的頭盔顯示技術(shù) 利用單眼視覺(jué)可能是緩解會(huì)聚與聚焦不匹配問(wèn)題的另一條道路。Johnson 和Konrad 各自獨(dú)立地將”單眼視覺(jué)”原理應(yīng)用到立體顯示領(lǐng)域中。下圖顯示了單眼視覺(jué)顯示的原理。相對(duì)于多焦面頭盔系統(tǒng)，單眼視覺(jué)頭盔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。 視網(wǎng)膜投影技術(shù)與視網(wǎng)膜掃描顯示技術(shù) 視網(wǎng)膜投影顯示(retinal projection display，RPD) 采用Maxwell 觀察法，使用空間光調(diào)制器在光束的不同孔徑高、不同方位角的位置疊加圖像信息，讓用戶眼底的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于從空間光調(diào)制器出射的特定孔徑高、特定方位角的光線。簡(jiǎn)化的視網(wǎng)膜頭盔原理如下圖所示。Ando在其提出采用全息光學(xué)元件的頭盔顯示器中首先用到了Maxwell觀察法原理。 視網(wǎng)膜投影顯示的圖像沒(méi)有遠(yuǎn)近的概念，在人眼視度調(diào)節(jié)的過(guò)程中圖像始終是清晰的，而在實(shí)際中，由于系統(tǒng)并不是理想的針孔模型，系統(tǒng)的景深是有限的。視網(wǎng)膜顯示系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于可以提供更清晰的圖像、更高的對(duì)比度和更大的景深，如下圖所示。 光場(chǎng)頭盔顯示技術(shù) 除了多焦面顯示與視網(wǎng)膜顯示外，光場(chǎng)成像，或者說(shuō)集成成像，也能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)立體感。光場(chǎng)顯示模擬了真實(shí)場(chǎng)景中的光線的位置和傳播方向。光場(chǎng)頭盔顯示器常常借助微孔陣列或者微透鏡陣列。Song 等在自由曲面棱鏡與它的微顯示器之間加入微孔陣列獲得光場(chǎng)頭盔顯示器，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有200mm 至1m 深度顯示范圍，參見(jiàn)下圖。 Lanman 等利用OLED微顯示器與微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)的光場(chǎng)顯示器在包含機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下只有11mm，約為普通目鏡系統(tǒng)的四分之一，其外形與顯示效果如下圖所示。 VR顯示中的視度調(diào)節(jié) VR頭盔顯示器作為一種目視系統(tǒng)若要獲得廣泛的應(yīng)用，則需要具有一定視度調(diào)節(jié)能力，使得具有不同視力水平的用戶均能正常使用。以最簡(jiǎn)單的頭盔顯示器，即使用較大顯示器的單片式頭盔為例，視度調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變透鏡與顯示器之間的距離實(shí)現(xiàn)。另外，在光路中加入液體透鏡、變形鏡等變焦距元件也可以實(shí)現(xiàn)視度的補(bǔ)償。 投影式頭盔顯示系統(tǒng) 投影式頭盔顯示器最早由Fergason于1997年提出，雖然它是用戶佩戴在頭部的顯示設(shè)備，但它的顯示原理更接近于投影顯示。與普通投影機(jī)相比，這種投影系統(tǒng)并不會(huì)在屏幕上產(chǎn)生一個(gè)實(shí)像。Hua 的研究組在引入衍射光學(xué)元件和塑料光學(xué)元件的基礎(chǔ)上研制了超輕型、高投影質(zhì)量的鏡頭，并于2008年結(jié)合用戶自定義的鏡頭完成了另一種更加緊湊、適合于佩戴的樣機(jī)，如下圖所示。該樣機(jī)能達(dá)到50° 的視場(chǎng)角，重量?jī)H為750克。 其他VR顯示技術(shù) 除了頭盔顯示系統(tǒng)以外，VR還有大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)、體三維顯示系統(tǒng)(如下圖所示)、計(jì)算全息顯示系統(tǒng)等多種其他顯示方式。這些顯示方式各具特點(diǎn)，有著各自的應(yīng)用領(lǐng)域。 結(jié)束語(yǔ) VR的顯示手段多種多樣，各具特色。頭盔顯示設(shè)備是最為典型也是最具有發(fā)展前景的VR顯示設(shè)備。小型化與大視場(chǎng)高分辨顯示依然是頭盔顯示發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)前的頭盔顯示系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)已經(jīng)從單通道的左右視差型頭盔向多通道、兼具大視場(chǎng)與高分辨率以及真實(shí)立體感頭盔的方向轉(zhuǎn)移。除了具有物像關(guān)系的傳統(tǒng)目鏡式頭盔顯示外，視網(wǎng)膜顯示技術(shù)、光場(chǎng)頭盔顯示技術(shù)這些新型頭盔顯示技術(shù)蓬勃發(fā)展。 目前的頭盔顯示器距離長(zhǎng)時(shí)間使用中舒適的用戶體驗(yàn)還有很長(zhǎng)的路要走。解決會(huì)聚與聚焦的不匹配問(wèn)題是提高用戶舒適度的一個(gè)重要步驟，然而目前多焦面頭盔還難以實(shí)現(xiàn)輕小型的實(shí)用系統(tǒng)。視網(wǎng)膜顯示設(shè)備的嚴(yán)格的佩戴精度要求使得用戶體驗(yàn)打了折扣。而對(duì)于光場(chǎng)頭盔，如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的圖像顯示效果是有待解決的問(wèn)題。 不同技術(shù)交叉融合，各取所長(zhǎng)將會(huì)誕生出新型的高性能頭盔顯示設(shè)備。如前所述，視網(wǎng)膜顯示技術(shù)與多視點(diǎn)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了具有真實(shí)立體感的頭盔顯示設(shè)備; 集成成像與自由曲面棱鏡的結(jié)合誕生了光場(chǎng)頭盔顯示系統(tǒng)。此外，近些年眼動(dòng)跟蹤技術(shù)的發(fā)展也會(huì)對(duì)頭盔顯示技術(shù)有所促進(jìn)。帶有眼動(dòng)跟蹤功能的頭盔顯示器可能具有更加輕小的結(jié)構(gòu)和更加卓越的性能。透射式頭盔顯示技術(shù)與其他VR顯示技術(shù)，例如投影技術(shù)、CAVE 等，相結(jié)合能產(chǎn)生多層次的VR顯示效果以及適用于多用戶的VR顯示系統(tǒng)。 除了頭盔以外的顯示方式仍然有一定的發(fā)展與應(yīng)用前景。尤其是計(jì)算全息顯示系統(tǒng)，如果計(jì)算能力不足的難題得以突破、空間光調(diào)制器的分辨率得以提高，則不失為一種優(yōu)秀的真實(shí)立體感VR顯示方式。 來(lái)源：零鏡網(wǎng) 關(guān)注微信公眾號(hào)：VR陀螺（vrtuoluo）,定時(shí)推送，VR/AR行業(yè)干貨分享、爆料揭秘、互動(dòng)精彩多。