增强现实与虚拟现实显示光路设计

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1、增强现实与虚拟现实显示光路设计王萃中国电影科学技术研宄所摘要：近两年，市场掀起了增强现实与虚拟现实产品的热潮，各大消费电子公同如索尼、Oculus,HTC、微软、谷歌等纷纷推出消费型增强现实与虚拟现实头戴式设备。本文分析丫增强现实与虚拟现实的两类显示方式:睛孔成像方式与非睛孔成像方式，重点介绍了非瞳孔成像方式下的各种常用光路设计及其对应的市场产品，并简要介绍了基于投影式的头戴式设备和视网膜扫描显示技术。关键词：培强现实;虚拟现实;睛孔成像;非睛孔成像;视网膜扫描显示;增强现实(Augmentedreality,AR)技术是将虚拟与现实土活相结合的技术，即将计算机产生的图像叠加或混

2、合于现实场景中，并通过与现实场景的交互以使其变得更加有意义。增强现实功能可让使用者通过移动设备上的应用程序实现在真实世界中与虚拟内容的互动，但同时乂能将虚拟和真实世界IX分开。虚拟现实(Virtualreality,VR)是一种虚构的、由计算机生成的模拟或重现真实生活的环境或状态。它主要通过图像与声音的模拟营造一种亲身体验虚构现实场景的感觉，让使用者沉浸其中，无法分清自己处于现实还是虚拟场景。增强现实和虚拟现实都有着让使用者沉浸其中的目标，但实现方式却大不一样。在增强现实体验中，使用者通过与虚拟物体的互动持续地与真实世界联系在一起，而处于虚拟现实体验中的使用者却由于沉浸在一个完全

3、虚构的世界中而与真实世界隔绝。因此就二者的概念來看，虚拟现实更适用于娱乐应用，如视频游戏和虚拟环境中的社交网络游戏，如第二人生(SecondLife)等，但虚拟现实头戴式设备佩戴体验有点差强人意，对运算功率要求较高;而增强现实由于没有将使用者完全带出真实世界，其应用范围更广，＞1.成功案例更多。总的来说，虚拟现实和增强现实都是可视化工具，至于二者的竞争，只有能持续在虚构世界和真实世界吸引消费者的体验才会在未来胜出，著名研究分析公司DigiCapital认为增强现实技术在未来会占有更多的市场份额［1］。虚拟现实技术与增强现实技术中的虚拟显示部分采用的显示光路设计在技术原理上基木类似

4、，但侧重点不同，在光路结构的细节设计上也有所差别。两类技术由于应用目标不同，偏爱采用的显示光路设计也不同。由于增强现实较虚拟现实技术而言，多出对真实世界显示的功能，因此在介绍二者虚拟显示部分的显示光路之前，首先介绍增强现实技术的显示结构设计，即增强现实技术对真实世界的显示设计，以及如何将真实世界与虚拟场景相结合的问题。1增强现实的两种显示结构増强现实显示结构主要有两种对真实世界的显示方法:光学式和视频式。图1展示了一种经典的光学透视显示方法。如阁1所示，真实与虚拟的阁像在部分透射和反射式的光学器件上进行合成，常采用半透明的镜子，如半镀银镜。真实世界几乎能完好无损地透过光学合成器，

5、与虚拟图像进行光学叠加。在大多数光学透视式头戴设备中，光学合成器件常置于光路的末端，就在人眼之前。在采用半镀银镜的情况下，真实场景简单地通过半镀银镜即可看见，而虚拟图像在半镀银镜上通过反射进入到人眼。因此，成像器件不能遮挡真实场景进入人眼，一般被罝于光学合成器件的上方或者头旁边，通过光学中继器件将光线传输至半镀银镜上。光学透视显示方式的优点在于给使用者提供了自然、瞬时变化的真实场景，虚拟与真实可以无缝融合、结构简单、设备轻巧。图1经典光学透视显示方法[2]下载原图图2经典视频式透视显示方法[3]下载原图图2所示为经典的视频式透视显示方法。在这类显示方法中，真实世界通过安装在头戴设

6、备上的一个摄影机摄制形成影像，然后与虚拟图像进行电子合成后呈现给使用者。电子合成通常采用图像采集设备，如数码相机，或色度抠像设备来实现。视频式透视显示方法的优点包括真实图像与虚拟图像能保持连贯，以及可应用各种图像处理技术对形成的图像进行处理，并能通过对采集图像与虚拟图像的追踪与同步处理实现时空的一致。但与光学式透视显示技术相比，市场上的商用视频式透视显示设备要少得多。2增强现实与虚拟现实的显示光路设计显示光路的作用在于放大和聚焦显示图像，并将图像传递到人眼，具体来说其作用有三方面：1）使得阁像源的光线平行，以在离人脸更远的地方呈现虚拟影像;2）放大源图像;3）中继光源，目的也是为

7、了让虚拟影像呈现在离人脸更远的地方。应用于增强现实与虚拟现实的显示光路不计其数，每一种光路设计都有其优缺点和适用范围。这些显示光路结构主要可分为两种类型：非瞳孔成像和瞳孔成像。2.1非瞳孔成像方式由于人眼只能聚焦距其至少25cm以外的显示设备发出的光线。这就导致了头戴式设备的体积较大，视角相对较小，这样人眼就需要不断调整焦距，容易引起视觉疲劳。为了克服这个问题，头戴式设备在眼睛和显示屏之间插入了透镜，即非瞳孔成像方式。该方式不需要形成图像源的中间影像，结构简单，仅由图像源和放大透