00的XR周刊02-VR和AR 显示技术的不同

　　HMD （Head Mounted Display）指佩戴在头部眼睛前面的显示器，通常可以用双眼观看。HMD 是 VR 和 AR 眼镜的通用术语。VR 和 AR 都使用显示器来创造沉浸式或互动式体验。不过它们在向用户展示信息的方式上有所不同。VR 眼镜将用户与外部世界隔离开来，让人沉浸在虚拟世界中，AR 眼镜则通过添加虚拟内容来丰富用户的真实环境。

　　HMD 通常有一个集成的跟踪系统，根据当前位置和方向不断调整虚拟摄像机的位置和观看方向。大多数 HMD 使用双眼光学，使用户可以立体地感知内容。

　　VR

　　虚拟现实系统使用虚拟现实耳机或多投影环境来生成逼真的图像、声音和其他感觉，以模拟用户在虚拟环境中的实际存在。VR 显示器的设计是为了让用户完全沉浸在一个虚拟环境中。

　　VR 眼镜的工作原理是在眼镜内的屏幕上显示 3D 图像和视频，然后通过创造深度和距离错觉的镜片来观看。VR 眼镜通常采用封闭式设计，HMD 的视野有时几乎与自然视野一致，使用户在视觉上与环境完全隔绝，视野完全被虚拟环境填满，这有助于加强沉浸感。

　　

　　显示器左右眼各有一块镜片，眼睛看到的是同一个显示器的不同区域，形成立体视觉。通过使用 LCD 或 OLED 显示器，实现了高分辨率与高亮度的结合，并且价格合理。眼镜通常还内置有传感器，如陀螺仪和加速计，可以跟踪用户头部的运动并相应地调整图像。这使得用户可以在虚拟环境中环顾四周，就像观察现实世界一样。交互功能更强大的 VR 眼镜还配备了更多的感知和互动能力，如触觉反馈，为用户提供触觉感受，或眼球追踪，使系统能够追踪用户的目光并相应地调整图像。

　　总的来说，VR眼镜使用技术的组合，如屏幕、传感器和软件，为用户创造一个沉浸式的互动虚拟环境。

　　AR

　　AR 可以定义为包含三个基本特征的系统：真实世界和虚拟世界的结合、实时交互以及虚拟和真实对象的准确 3D 配准。AR 显示器是为了用虚拟内容增强现实世界。它们使用屏幕或投影仪在现实环境之上叠加显示数字内容，使用户能够同时看到虚拟内容和现实世界。用户的视野部分会显示虚拟内容，其余部分则被现实世界填满。

　　头戴式 AR 眼镜可以分为两类：光学透视显示器（Optical see-through，OST）和视频透视显示器（Video see-through，VST）。前者通过光学方式在用户的视野中叠加真实和虚拟的图像，后者则使用视频摄像机来捕捉环境信息，然后在渲染过程中与虚拟内容叠加。

　　

　　光学 AR 眼镜

　　一般的 AR 眼镜都是 OST 显示器，以 Hololens2、Magic Leap One 为代表。透过眼镜可以直接看到现实环境，虚拟图像是由显示器产生的，并由镜头放大。与 VST 相比，观看真实环境时，在质量和分辨率方面没有限制，而且造价成本较低。但它也有一些缺点：

　　定位误差会被放大，对跟踪注册精度要求较高。虚拟图像通过分光镜投射到眼睛，是一个固定的距离，可能与用户当前关注的真实世界内容的距离不同。

　　在明亮环境中的背景对比度不足。由于显示器相对于环境光的亮度低，会影响虚拟内容的可见性。一般需要在明亮的环境中减少透明度来增加背景对比度，但不同的叠加方法通常会导致入射光量的显著减少，画面显得很暗。因此大多数 OST 不太适合在阳光下使用。

　　AR 光学显示系统的核心是微型显示屏和成像系统（光学元件），近眼显示技术的不同组合是区分目前市场上 AR 眼镜的关键。

　　近眼显示技术是现阶段 AR 眼镜的瓶颈之一。为什么它的难度很大呢？因为现有技术方案在各种参数（如分辨率、视场角）间存在潜在冲突，如何组合、取舍、权衡，得到最佳组合方案，是业界共同面临的重大挑战。

　　表 近眼显示技术路线

　　基于棱镜的眼镜

　　基于棱镜的眼镜与其他设计相比，能以更紧凑的设计实现相对较高的出光量。在用作透视显示器时，棱镜由一个具有平行外表面的玻璃体来补充，因此环境光可以通过玻璃而不被折射。

　　长期以来，棱镜一直是 OST 显示器的首选。内容显示在 LCD 或 OLED 显示器上，并通过位于显示器下方/上方的放大镜来放大。经典的方法是用两面半透明的镜子，一面垂直安装在前面，另一面在后面以 45° 角朝向眼睛。环境光只需通过两面镜子，而来自显示器的光则被对角镜反射到正面，然后再反射到眼睛。

　　棱镜方法受到欢迎的另一个原因是，能够用智能手机实现简单的 OST 显示器。将智能手机垂直插入用户额头前的一个支架中，一面镜子将图像向下反射到眼睛前面的区域。这里通常还有一个光学系统，每只眼睛都有一个放大镜。在眼睛前面的区域有一个对角线排列的半透明镜子，将显示器的图像反射到眼睛上的同时可以看到环境。

　　基于光波导的眼镜

　　近年来光学 AR 眼镜开始采用光波导的光学方案。

　　光波导是引导光波在其中传播的介质装置，通过光的全反射原理，实现光在传输的过程中无损失无泄漏。达到全反射需要满足两个条件：

　　传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图 n1> n2)

　　光进入波导的入射角需要大于临界角θc.

　　光波导原理是光线被送入玻璃体，然后像光缆一样通过玻璃体外部的反射在其中传播。其中的关键是光如何进入玻璃体（耦合进入）和如何退出（耦合退出）。这需要使用特殊的光学元件，使光在先前预定的方向上被传输和辐射。光机成像后，波导将光耦合进玻璃基底中，通过“全反射”将光传输到眼睛前方再释放出来。借助波导，显示屏和成像系统得以移到额头顶部或者侧面，可降低光学系统对外界视线的阻挡，并改善设备的重量分布和佩戴体验。

　　这样 HMD 就可以使用跟传统眼镜类似的镜片，大大减小设备体积。对于全彩显示，三层导光板必须一层一层地排列，因为由于折射率与光的波长有关，各个颜色通道必须分别传输。应用全息光学元件的全息波导是这种方法的典型代表。像微软 Hololens 2、Daqri 的 AR 显示器都使用了光波导技术。

　　视网膜眼镜

　　视网膜 HMD 实际没有上没有显示器，因为内容直接投射到视网膜上，因而也被称为虚拟显示。调制的激光被用作光源，通过一个半透明的棱镜被导入眼睛。要实现全彩显示，则需要 RGB 三个独立的激光器。这种方法有两个主要优点：一方面避免了复杂的光学系统，另一方面可以让视场非常大，因为眼睛前面没有光学器件的的覆盖和遮挡。

　　VST 眼镜

　　视频 AR 眼镜一般集成了一个或两个视频摄像头，利用视频图片处理的方式从真实世界获得跟踪信息，并融合显示。VST 设备以 ARKit、ARCore 等为代表。与 VR 眼镜不同的是，透过眼镜可以看到现实世界的图像。不过有越来越多的 VR 眼镜也开始提供彩色 VST 模式，AR 和 VR 的界限日渐模糊。

　　

　　由于人眼只看到显示器的图像，真实和虚拟的内容总是在同一个聚焦面。摄像机和显示器对真实世界的感知的分辨率有限，现实世界中那些不在摄像机聚焦范围内的部分，用户也就无法看见。摄像机的视野必须大于 HMD 的视野，所捕获的视频图像在渲染时才能被正确插入作为背景图像。在大多数情况下，不能将摄像机直接放在眼睛正前方。因此，在纠正摄像机图像的透视时，除了整顿和限制视角外，往往还必须扣除平移和/或旋转偏移。

　　VR 和 AR 的区别

　　VR 和 AR 有很多不同，以下重点总结两者在视觉显示方面的差异。

　　沉浸感。VR 显示器的设计是为了创造一种沉浸感，它完全屏蔽了现实世界，用虚拟环境来代替它。而 AR 显示器并不完全遮挡现实世界，这可能会影响沉浸感水平。

　　互动性。VR 设备通常提供更多的互动体验，因为它们允许用户完全沉浸在虚拟环境中并以各种方式与之互动。而 AR 提供的互动形式相对有限，因为它们的目标是增强现实世界而不是取代它。

　　使用场景。VR 通常用于游戏、教育和培训，而 AR 通常用于实时显示信息或提供指导等任务。

　　硬件。VR 显示器通常需要专门的硬件，如 VR 眼镜或头盔，而 AR 显示器可以使用各种设备实现，包括智能手机和平板电脑。

　　总的来说，VR 和 AR 显示器提供不同类型的沉浸式和互动式体验，并用于各种不同的目的。主要区别在于它们向用户展示信息的方式：VR 使用户完全沉浸在虚拟环境中，而 AR 则用数字内容增强现实世界。