为什么说AR头显并非FOV越大体验感越好?

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Esther| 编纂

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上个月,一家名为Kura的美国AR初创公司发布一款全新的轻量级AR眼镜:Gallium。据官网称,Gallium采用一体化设计,机身重量仅80g,采用自研的构造化几许光波导方案,视场角高达150°,透光率达95%,亮度也高达4000nit,支撑8K差别率和DCI-P3色域。

Gallium的推出,激发了业内子士的商议,有人甚至还曾质疑其真实性。此前青亭网在《AR光学系统全解析》一文中也曾提到过,凭据光学公式推算,150°对角线光波导理论上其光学模组尺寸可达135mm x 100mm摆布,不光在体积上弗成行,还将发生双目重叠的问题。

Kura

总之,考虑到今朝市面上主流AR头显Magic Leap One和HoloLens 2的视场角离别仅为40°x30°和43°x29°,不难想象增大视场角是今朝AR光学范畴依然需要霸占的难题,究竟这同时还受到其他身分限制,好比角差别率、亮度、对比度、透光率、图像伪影、失真、一致性,或许非显露问题,如:适眼区、巨细、重量、电池、成本、耐用性等。

黑色为头显遮挡的视觉区域,可见HoloLens 2比Magic Leap One的透视区域大得多

对AR视场角的执着起原于VR?

FOV对于AR虽然主要,但就像吃冰淇淋一般,数量多了很轻易发生副感化。不外,如今好多人将FOV作为评判和对比AR头显独一主要的尺度,这或者是因为受到了VR影响,而AR和VR从多种方面是非常纷歧样的。

VR主打沉浸感,大视场角能更好避免打破沉浸,今朝市面上的VR头显已经能够做到100°到200°摆布,是HoloLens 2视场角的好多倍。同时,VR起步比AR更早一些,人们在体验过VR的大视场角后,也进展能在AR中看到一致水平,甚至将视场角作为评判尺度。

殊不知,AR与VR的应用场景其实并不完全沟通,今朝AR或者更留意于生产力等场景,旨在为用户供应信息,也就是说重点在于可以显露充沛清楚的文字,是以好多应用场景对于光学模组的差别率要求较高。

幻想的角差别率是每像素1弧分,而大多数VR头显的角差别率约为每像素5弧分。为了让用户看清文字,VR中的字体不得不放大,并且看起来也对照粗(因为纱窗效应),是以文字和数字会占有大面积FOV。与此同时,人眼扫视的局限也更大,长时间旁观轻易发生视觉委靡。

若想有效显露清楚的文字,那么角差别率需要获得提高。今朝,与手机、电脑甚至智妙手机的屏幕比拟,VR显露屏差别率还有很大差距。

VR与AR光学构造分歧

市面上大多数VR头显采用手机屏幕巨细的平面显露器和简洁的透镜,这种构造不光可降低成本,也能带来大FOV,瑕玷是角差别率低。此外,VR头显的体积大多粗笨,像是在滑雪护目镜上加上了繁重的附加模块。

比拟之下,AR头显的外形设计遍及偏轻,而且具有必然透亮度。并且,光学模组采用的微型显露屏面积约比VR显露屏小100倍,像素颗粒长度约小12倍。为了让微型显露屏的小颗粒像素更适合阅读,则需要采用较为昂贵的透镜,并且还需要夹杂的光学模组构造将数字内容与真实世界融合。

微型显露屏像素颗粒小意味着差别率高,不外若要提高FOV,微型显露屏尺寸也需要增大,如许并不实际。于是,市面上采用微型显露屏的AR头显的角差别率约在每像素1到1.5弧分局限,而且难以供应50°以上的视场角。除了光学模组自己限制,光波导类型的夹杂光学自己特征也会限制视场角。

(注:1弧分在阅读距离大约能显露300ppi,苹果曾将首款跨越300ppi的iPhone屏幕成为视网膜显露屏。

为了提拔FOV,也有些较低成本的AR头显,采用雷同于鱼眼道理的半反半透式光学模组,连系雷同于手机屏幕巨细的显露屏和一对球面组合器(Meta 2、Mira、DreamWorld、iGlass)。如许做的优点是FOV变大了(Meta 2视场角可达90°),不外角差别率非常低(与一样的VR头显差不多),同时也存在图像失真、核心不平均等缺陷。

此外,尽管夹杂光学模组体积较大,采用这种手艺的AR头显体积并不会比光波导光学的AR头显更大。

为什么FOV不见得是功德

在本年国际光学工程学会举办的Photonis West博览会上,前Google Glass项目的手艺主管/司理Thad Starner主张,大FOV不光牺牲了体积、重量、成本、舒适度、可被社会接管的外形等要害元素,并且还或者起到反感化。

Thad Starner

据认识,Starner从1993年起头一向持续使用AR眼镜,到如今已经26年了。在AR范畴里,他更像是一个逆向脑筋者,主张降低AR头显/眼镜的FOV,从而优化体积、重量、舒适度和外形等更主要的部门。

Starner感觉,并不是FOV越大越好,AR应该越简洁越好,复杂的光学反而失去了AR的优势,他甘愿为了更简便天然的外形而牺牲AR眼镜的其他机能。在本年Photonics West上,他本人就佩戴了一副North Focals AR眼镜,这款眼镜视场角仅为15°,适眼区小,并且图像质量一样,不外他感觉适合本身。

大FOV遮挡大夫的手

而他所说的反感化,指的是过多的AR图像或者会遮挡真实情况中你需要看到的器材,好比外科大夫做手术时的手。此外还建议,或许将AR影像放在正面视觉的一侧平日结果对照好。

叠加在真实情况上的AR内容,是会提拔用户的能力,照样会发生干扰,甚至发生危险,将是一个主要的问题。好比,若是AR头显遮盖住用户的余光,那么他是不是就看不到四周的情况。尽管我们常说,人眼余光差别率较低,然则它对于四周的活动充沛敏感,若是受到遮挡,会不会让过马路的行人看不到驶来的车辆?

那么几多FOV够大呢?

Starner指出,即使是片子院屏幕的视场角其实也不大,THX尺度中指出片子屏幕与座位之间的摆放体式只需要为观众供应约35到40°的最佳视场角。这是因为视场角太大,观众就需要像近距离看乒乓球一般往返摆头,体验感并欠好。Starner甚至还列举了现有屏幕手艺平日所需的FOV,局限大约在6.4度到55度(横向视场角)之间。

尽管Starner列举出的包罗一些最低视场角,以及低配iPhone和iPad mini所需的视场角,然则他的概念充沛合理,人人高估了人眼所需的FOV。

他透露:很多AR的应用场景中,其实并不需要跨越30°FOV(相当于通俗的HDTV),并且即使是FOV更小的眼镜也很实用。是以认为,AR的FOV巨细与分歧的应用场景有关,并且即使是家里有大尺寸LCD电视的人,在坐着旁观的时候平日也只需要20到30°FOV。

关于固定视觉灵敏区

Bernard Kress论文图表

那么对于AR眼镜来讲,究竟需要几多视场角来显露清楚的细节信息呢?对于这个问题,前Google [X] Labs首席光学架构师,现微软HoloLens合作光学架构师Bernard Kress在论文顶用一张图表注释了人眼视场角道理。

Wikipedia图解

图表中显露,人眼中央凹(视网膜中视觉最灵敏区域)差别率最高的区域仅占3°视场角(Wikipedia数据则认为占5°),不外实际情形也会因分歧的中央凹巨细和外形而定,并且中央凹也会受到儿童早期近视等原因影响。总之,人眼视觉最灵敏区域仅占整体FOV的一小部门。

尽管中央凹是独一达到20/20视觉的部门,但研究表明其四周差别率较低的近窝区也能够匡助阅读文字。同时,人眼会连结持续跳动(飞快扫视,saccade),而人眼视觉系统会连系每次扫视捕获到的各类差别率快照生成面前的图像,这一过程平日人眼察觉不到。

人眼阅读纪律

Starner强调,平日报纸专栏仅占6.6°横向视场角(以阅读距离查察),只有6.6°横向视场角才能够向人眼传递充沛多的文字。

而Kress认为,人眼在一个固定视觉灵敏区中移动中央凹,可连结舒适体验感,这个区域也许占40°到50°视场角,不外具体因人而异。同时也有其他研究认为,这一数字在25°到40°之间。

此外,Starner还认为,即使人眼在短时间内能够在固定视觉灵敏区移动自如,但进行不到30分钟后也会发生视觉委靡。他引用了Malcolm Haynes 2017年论文中提到的论点:眼球生理学为将来的头显设计供应了一些根蒂局限,好比因为眼球活动的机械限制,横向视场角不该该跨越55°,45°以内最佳,而舒适的视觉甚至不跨越首要谛视点摆布的10-20°。

研究还表明,人眼谛视点外20°以上的处所不该该持续显露内容,如斯一来,若是AR头显将清楚内容显露在用户谛视点前方,那将有或者反对他们的视线,若是显露在谛视点较边缘的处所,则轻易引起视觉委靡。

而跨越固定视觉灵敏区外的内容,或者将需要你经由回头而不是迁移眸子才能看到。平日,人们在看电视的时候会不得不回头,不外AR头显将显露屏放到你面前,素质上应该削减这种情形。

与2D屏幕分歧之处

AR头显和电视、电脑屏幕有相当大不同,因为你在回头的时候头显的屏幕也会跟着移动,也就是说内容超出人眼水平谛视点15°摆布的时候,会不由得回头。

若是使用SLAM和眼球追踪手艺,则能够将AR内容定位在四周空间中,雷同于将显露屏固定在你周围,不外这将需要尽量模拟人眼跳动和聚焦,才能带来天然的体验感。总之,AR头显的界面需要与固定的2D显露屏有所分歧。

拿Varjo来讲,其VR头显为每只眼睛供应两块屏幕,一块高差别率放在中央,而四周则采用一块较低差别率屏幕。不外高差别率屏幕不克随人眼移动,仅笼盖32°x18°视场角。为了避免肉眼识别到两块屏幕的接壤,Varjo甚至将高差别率屏幕的70像素每弧分提拔到60像素每弧分,以笼盖更多视场角,不外这并不是满有把握,除非将视场角提高到40到50度摆布。

比拟之下,苹果在前不久曝光的一项MR全息眼镜专利中指出,行使多个扫描激光投影仪和激光阵列,可为MR头显生成一个视网膜投影的谛视点衬着方案。据悉,苹果专利中说起的AR眼镜包罗反射式全息组件,目的就是将光源图像反射到用户眼中,同时一并将情况光输入,提拔整体的视觉观感。

总结

总之,分歧应用场景对于AR头显的FOV和角差别率要求各有分歧,并且FOV并不是决意AR眼镜体验感更好的独一身分,支撑清楚文字阅读的高差别率也十分主要。

对于AR厂商来讲,他们天然进展AR眼镜能兼顾外形和舒适感,只是今朝的产物更像是为了兼顾所有元素,而并没有专注于哪一个。除了尽量提高光学和显露参数外,甚至还集成较量模块、传输硬件和电池(或采用分体式模块),究竟是这些AR眼镜只能被对照小众的B端市场接管,并且几乎没有人甘愿长时间使用。在不使用的时候,还需要用大盒子来进行留存和携带。

(END)


 
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