FocusAR演示动态视觉校正 宝都518游戏、变焦AR头显,为真景、虚景同时提供正

时间:18-11-08 07:43 责任编辑: 来源: 点击:

FocusAR演示动态视觉校正、变焦AR头显,为真景、虚景同时提供正确焦点

2018-11-06 12:24 来源:砍柴网 开发 /AR /设计

原标题:FocusAR演示动态视觉校正、变焦AR头显,为真景、虚景同时提供正确焦点

如果AR确实是下一个平台,AR系统就必须足够舒适,可以支持长时间佩戴,甚至是全天候佩戴,就像一副普通的眼镜那样。否则普罗大众只会继续将智能手机放在口袋里。如果AR确实能变成日常医学眼镜的样式,普罗大众就会将其用于显示2D内容(消息和提醒)和3D地理定位内容。在所有这些情况下,用户希望同时拥有真实世界和虚拟世界的舒适视图。

我们必须克服一系列的设计和计算挑战,从而令这种眼镜式的AR系统成为现实:低延迟追踪和渲染,低功耗,宽视场,紧凑的形状参数。来自北卡罗来纳大学教堂山分校( Praneeth Chakravarthula ,David Dunn, Henry Fuchs )和英伟达研究院( Kaan Akit )的研究团队重点探讨了AR系统的一个未得到充分研究的重要方面:真实与增强影像的焦点调节。

相关论文: FocusAR: Auto-focus Augmented Reality Eyeglasses for both Real World and Virtual Imagery

该研究团队描述的系统FocusAR能够动态地校正近眼显示器的现实世界焦点,以及数字合成影像的内部显示,而其目的是完全替换用户的医学眼镜。调整真实与虚拟刺激信号焦点的能力对于各种各样的用户而言都十分有用,尤其是视觉调节范围有限的40岁以上用户。团队提出的解决方案采用可调焦透镜进行动态地视觉校正,以及利用一个变焦显示器来在适当的空间配准深度设置虚拟影像,同时演示了一个概念验证原型,并讨论构建自动对焦增强现实眼镜的挑战。

1. 普通眼镜规格AR面临的挑战

眼睛为固定在空间中同一点上而进行会聚的距离名为辐辏距离,而眼睛为将这一点的影像带到空间中锐利焦点而进行调节的距离则称为焦点或调节距离。辐辏和调节属于神经耦合,例如当辐辏角改变时,眼睛将调整调节深度,从而把场景带到焦点中。对于VR,辐辏和调节之间的正确匹配非常重要。如果不匹配,辐辏距离和调节深度就会产生冲突,亦即所谓的视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict;VAC),从而引起用户视觉疲劳和不适。

与VR相比,辐辏距离与调节深度的正确匹配对AR甚至更为重要,因为除了VR的要求之外,在AR中真实世界需要紧密匹配虚拟世界。如果虚拟影像与相应的真实对象不是位于相同的焦点深度,模糊不一致将迫使用户改变焦点,并注视于本应完全清晰对象上(见下图)。

FocusAR演示动态视觉校正
宝都518游戏、变焦AR头显,为真景、虚景同时提供正

图:由于所有虚拟对象都位于一个固定的深度平面,现有的传统AR显示器常常出现虚拟与现实世界焦点线索不匹配的情况。(左边)由于虚拟影像位置比教科书更深的平面上,因此书本出现在焦点上,而且书籍上的虚拟标签失焦;(右边)当焦点位于教科书时,书本上的虚拟标签变得清晰,但教科书失焦。

对于在日常生活中需要校正镜片的用户(“近视”和“远视”),情况则更为复杂,因为即使不是AR和VR,他们也必须处理VAC。比如说一位“近视”用户,他可以舒适地根据0.5米远的情景进行视觉辐辏和调节,但却需要校正镜片才能清晰地聚焦10米处的对象。当他第一次使用矫正性“距离”镜片时,10米处的对象将出现在焦点上(因为对于他的眼睛而言,10米的对象正位于0.5米处),但他在0.5米处会辐辏,从而产生“双重视觉”。经过数小时,数天甚至几周的佩戴后,他的视觉系统逐渐适应10米的辐辏,并同时仍然可以在0.5米远进行调节。有些用户永远无法适应如此大的VAC。经过几代人的努力,配镜师研究了大部分用户都可以适应和接受的VAC范围。

在穿戴头显时,需要视觉校正的用户仍需佩戴校正镜片。有的AR头显在用户眼睛和显示器之间为医学镜片留下了一定的物理空间。对于老花眼人群而言(40岁以上),这并不能解决问题,因为用户的焦距范围受限于镜片的聚焦范围。双焦,三焦或渐进镜片仅仅在一个垂直角度聚焦特定距离,迫使用户向上或向下倾斜头部以聚焦于特定距离的真实对象。至少自本杰明·富兰克林以来,发明者就一直在尝试解决聚焦所有距离的对象,但即使是最新的产品也要求用户转动透镜上的聚焦旋钮以调整焦平面深度,而这对大多数用户来说是一个无法接受的尴尬要求。

图左边:老花眼用户通过一台传统AR头显所感知到的真实与虚拟视图,视觉调节深度固定在7米。虚拟兔子位于中间(1米远),邮票(0.25米),教科书(1米)和自行车(5米)分别在近,中,远位置。请注意,真实影像和虚拟影像对用户来说都是模糊的,因为没有任何对象出现在老花眼用户的调节平面中;图中间:调节距离几乎为零的老花眼用户正在透过自动对焦AR眼镜进行观察。原型AR眼镜能够根据用户当前的眼睛调节状态来单独为用户焦点调整显示器上的真实世界和虚拟影像,从而在所有深度位置提供真实对象和虚拟对象的正确对焦影像;图右边:由于能够对真实和虚拟进行单独的焦点调整,用户通过自动对焦AR眼镜能够看到正确对焦的真实与虚拟视图。请注意位于中间位置(1米),教科书文本和虚拟兔子都是精确对焦。

今天和未来的AR显示器提供了一个机会,亦即利用AR显示器上已有的功能来改善视觉辐辏调节冲突:强大的处理器,以及用于追踪和基于双手用户交互的深度感知功能(如 微软Hololens和Meta)。如果增加了快速,精确和强大的双目 眼动追踪 系统,头显就可以测量用户在真实世界和虚拟世界中的注视对象。接下来,系统可以将自适应焦点添加到现实世界(外部)视图中,并与虚拟世界(内部)视图的自适应焦点分开,从而正确对焦真实与虚拟影像。这样的显示器同时可以应用于自动对焦的医学眼镜(不提供虚拟内容)。

2. FocusAR的意义和成果

但要构建一个能够为真实与虚拟,近距离和远距离提供正确对焦影像的AR显示屏,该团队认为需要克服两大挑战:第一是,设计一个可以动态调整内部显示器和外部真实世界场景的焦点的显示器,在本次研究中他们选择了用于外部场景的可调焦透镜,以及用于内部显示器的变焦光束组合器;第二是,强大的眼动追踪。

研究团队说,目前市场上不存在主动校正用户感知真实世界时视觉缺点的显示器设计,还没有人解决了同时为真实场景和虚拟场景提供正确焦点线索的挑战,所以才有了他们的FocusAR研究项目,并得出了以下成果:

提出了一个用于分析由AR显示器引起的视网膜模糊的框架,包括失焦的真实与虚拟对象。利用它来理解和表征能够提供正确对焦真实与虚拟影像的AR显示器的要求。

提出设计和制造了一个自动对焦AR眼镜原型(利用内部的定制3D打印组件,以及现成的消费电子产品),并实时驱动显示器。

实验证明,通过可独立调节的焦点(无论是现实世界还是虚拟内容),对于眼睛中具有较低阶像差的用户以及具有正常视力的用户而言,所有深度的图像感知质量都得到改善。(当前版本的原型没有校正散光)

3. FocusAR显示器设计

从下表可以看到,AR显示器如果要同时支持真实和虚拟的焦点线索,我们需要对虚拟影像深度和真实世界视觉校正进行单独的调整。

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