HoloLens光学架构师：MR眼镜满足什么条件才能打开市场

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还记得此前青亭网在《为什么说AR头显并非FOV越大体验感越好？》一文中，曾提到的那位微软光学架构师Bernard Kress吗？近期，他在为国际光学工程学会（SPIE）提交的论文中，进一步阐释了AR/MR/VR的过去，现在和未来，以及需要解决的痛点。Kress表示：在技术层面上，智能手机生态所带来的显示、网络和传感器技术推动了VR/AR的第二次爆发，不过传统的手机显示技术只会成为最初的催化剂，而AR/VR则将再次颠覆多半个世纪以来传统显示技术的变革（从CRT显示器，到LCD计算机屏幕，再到OLED平板电脑和智能手机屏幕，到LCoS、DLC、MEMS扫描微镜、iLED智能手机屏幕等）。他还指出，不管是对于VR还是对于AR来讲，其发展和成功不仅依靠技术的发展（如低成本IMU传感器、低功耗3D渲染GPU、无线数据传输技术等），还需要合适的内容支撑。就好比，苹果iPod的成功是源于它拥有硬件、WiFi连接和线上音乐商店三个要素，同时iPod的概念也迎合了强烈的消费者需求，在消费者眼中，iPod不只是一个音乐播放器，而更像是一个整体的音乐体验生态。Bernard Kress（右）同时，不管C端AR/MR头显的技术有多优秀，如果不配备优质的应用商店，也还是无法打开C端市场。分析VR/AR/MR市场形势在AR/VR的各种应用中，Kress唯独最看好其在国防场景的应用，并认为在接下来十年里AR/VR在国防领域将看到持续的投入和开发，不管是在飞行模拟和培训上，还是在提供路线情况信息的飞机HUD上。而在C端场景中，Kress认为接下来最有效的将会是汽车HUD和用于私人观影的XR头显。Gartner技术成熟曲线（2017-2018）此外，相比于第一次，第二次VR/AR浪潮不仅出现了比AR或VR更具包容性的分类定义：MR、XR，而且据Gartner技术成熟曲线显示，投资者、市场分析师、AR/VR/MR系统集成商和B端用户预计于接下来五年看到真正的投资回报，而AR/VR技术也将在2到10年里达到稳定的生产力水平。与VR相比，MR在B端的应用已经证明其在市场中的可持续生存潜力，其优势在于：加快新员工学习速度、降低失误、高收益、支持协作设计、远程专家指导、优化的服务和监控、高生产质量保障、优化产品展示和演示，以及更好的终端客户体验。目前，在MR在B端市场已经带来有形的收益，并主要集中于制造（汽车、航空、重工产品）、能源、电力、采矿和公共事业、技术、媒体和通信，以及医疗与手术、金融服务、零售/服务业/休闲消费等。而智能眼镜/XR在C端市场更的存在感则没那么明显，比如此前的Google Glass、Snap Spectacles、Intel Vaunt、North Focals等设备得到的也是褒贬不一的市场反馈。VR头显方面，近期的开发进度开始放缓，比如StarVR、Intel Alloy项目终止等。不过Kress认为，在VR头显上通过视频透视实现的MR技术将长期保持强劲势头。AR头显厂商方面，Meta、CastAR、ODG相继关闭，后来CastAR和Meta分别以Tilt Five和MetaVision的身份重生。变焦距AR头显厂商Avegant也曾经历重大重组，这些例子说明AR市场依然不明朗，还在探索中。当然，这其中也有还在持续发展，并得到VC融资的AR公司，比如Vuzix。在C端，智能眼镜的市场份额较小，其中包括North Focals，该眼镜技术类似于Intel此前取消的Vaunt项目，外观看起来像是普通眼镜。不过推出没多久，Focals的售价直降接近一半，而且North也曾经历大批裁员，总之Kress对于C端智能眼镜的短期发展趋势持不明确态度。与此同时，尽管2018年第三季度首次看到全球智能手机和平板电脑销量下滑，苹果2018年第四季度股价下跌30%，Kress认为还不能确定C端MR硬件能够有潜力取代现有的智能手机/平板电脑，或者成为这些设备的最佳伴侣，甚至提供任何传统显示屏无法实现的沉浸式体验。Kress总结了多款智能眼镜、VR/AR/MR头显和眼镜在C端、B端、医疗、国防领域的各方面表现，详细列表如下：MR能否成为下一代计算平台在论文中Kress指出，像North Focals这样的轻量化智能眼镜，其组成部分主要包括：屈光镜片、AR/MR光学模组（通常不支持3D显示，而且对角线FOV不足15°）、传感器（通常只有3DoF）。普通智能眼镜不支持3D显示，原因是3D AR光学对于镜框的稳定性有较高要求，如果镜框偏移，则容易产生水平和垂直视网膜差距，引起视觉疲劳，而2D AR光学模组则不同，更适合轻便的眼镜设计，还容易与屈光调节镜片集成。通过与3G、4G、WiFi、蓝牙等信号传输结合，智能眼镜可作为智能手机的配套设备，比如用作外接屏幕或者虚拟助手、AR导航、社交等，它的目标不是取代智能手机而是类似于智能手表这种穿戴式外设。相比之下，VR头显则更像是游戏主机的一种延伸，而AR和MR头显会更有潜力成为下一代计算平台，取代台式机、笔记本电脑甚至平板电脑。AR/MR头显通常并不像PC VR一样需要连接电脑，HoloLens甚至可以做到完全无线化（不需要连接配套的计算单元），此外还依赖比较高端的光学引擎和模组（自由曲面、光波导、衍射、全息光学等）、光学组合器和传感器（如深度摄像头、头部和手柄定位摄像头、眼球和手势追踪模块）。总之，随着技术发展，智能眼镜、VR头显、AR/MR头显有望融合成同一种概念，当然这将需要5G和WiGig等传输技术的提高，以及优化的视觉体验感（全新光学技术）和穿戴的舒适性（提高电池续航、散热、重量/体积）。这里Kress再次提到，2018年第三季度智能手机和平板电脑销量下滑或许预示着，消费电子巨头和投资机构将着手于投资和开发新一代产品，而MR头显很可能是其中之一。优化MR体验感的关键对于未来优质的MR体验（C端或B端），Kress认为都需要满足舒适度和沉浸感，其中舒适度分为穿戴舒适和视觉舒适，而沉浸感需要从视觉、音频、手势交互、体感反馈等元素入手。同时，理想的MR体验还需要兼顾低于10ms的移动延时、准确的3D地图定位、快速且通用的眼球追踪三点（其中大多数可通过集成在专门芯片上的全局传感器融合工艺来实现，比如HoloLens使用的全息处理器）。此外，Kress还详细分析了舒适性和沉浸感所需要满足的元素：穿戴舒适性：
; B2 M4 z" q  K4 Y' k- D  _9 {

• 无线化设计提高移动性；
  
• 小体积、轻量化；
  
• 优化主动和被动的散热管理；
  
• 皮肤与穿戴式设备接触的舒适性管理；
  2 @: j7 a  ~9 u
• 吸汗和散热好的透气式面料；
  3 u) g* E6 T1 v: w0 T) ^6 S
• 头显重量分布均匀。
  + Z0 N, j1 J+ s0 {# |5 d" ^4 b

, c- g: ~% ~3 P/ A6 }3 P
2 E: Q& X7 x* w. G( E视觉舒适性：
' ^" x/ j4 L$ m! D8 J) S  c

• 大适眼距、更广的IPD范围；
  / R+ k/ C# Z# w* Q' J8 I+ c
• 角分辨率接近20/20级视力（注视点区域至少45ppd）；
  . C4 h6 T% n7 U- K( ~' w4 `, ]
• 纱窗效应和色彩不均效应最小化；
  
• 支持高亮度、高对比度的高动态光照渲染（采用MEMS光学扫描镜、OLED/iLED、LCoS、LCD等）；
  2 X6 V6 E7 {7 _3 h9 |" V/ s
• 降低鬼影（小于1%）；
  ) a3 g( O! d7 F1 y
• 200°以上的高透光视场角；
  4 t4 B+ l; b# L* A& }- N
• 遮光罩支持主动调光；
  ( @+ N8 d3 U# M

& m8 P/ T  K' [; `  \并且利用准确/通用的眼球追踪来提高：
: Z" p& _+ P: I! A( m$ I

• 视觉辐辏调节冲突；
  4 p" ]& _: O8 B' n, N* I" r
• 在FOV较大的头显中，通过对视线游离的主动调节，来降低可能出现的图像失真；
  
• 优化主动图像遮挡，来降低MR图像的透明度。
  

3 J5 l( y9 _* K, J! w, x! {  {& |( R此外，Kress还指出理想的MR头显还应该具备主动的全天候视觉障碍校正（比如屈光、散光调节），并且通过渲染光学模糊来提高3D立体感，甚至在光学模组关闭时也具备放大镜或者望远镜的功能。沉浸感方面，Kress认为它不仅受到头显的FOV影响，因为传统意义上的FOV只是一个2D的角度概念，而沉浸的FOV还应该加入深度距离。具体来讲，提高MR头显的沉浸感需要满足以下6点：

: `# `' Y+ N5 x( g4 e3 ?* J% q$ b) z
• 具备广角FOV；
  
• 同时支持固定和动态的注视点渲染；
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• 利用深度传感器将MR内容锁定在环境中，支持优秀的遮挡；
  
• 支持持续性空间音频；
  4 m/ W% V5 b/ A. b
• 准确的手势识别；
  3 ?7 T# E9 r1 x" p7 X
• 具备体感反馈。
  8 V5 q6 u5 u/ @; X

当然，在提高MR头显的舒适度时，也需要考虑用户的人为因素，比如不同的人脸结构和习惯会造成实际视线与光学模组的轴有所偏离等。另外还提出，用户感知到的FOV与头显本身的FOV可能会有不同，因为会受到MR头显的透光范围和图像质量影响。参考：https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11062/1106222/Digital-optical-elements-and-technologies-EDO19--applications-to-AR/10.1117/12.2544404.full?SSO=1

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