Meta Cambria光学分析(二)：Half Dome 3变焦技术Ready？

此前，AR/VR光学专家Karl Guttag分析Meta今年将发布的Cambria VR头显将配备可变焦液晶透镜。除此之外，也有人认为Cambria可能就是Meta此前展示的VR原型Half Dome 3。

实际上，在2020年举行的EI学术会议上，Meta Reality Labs科研团队的现实系统总监Doug Lanman就曾展示Half Dome 3配备的可变焦液晶透镜系统，并表示该系统可以更好的解决视觉辐辏调节冲突（VAC）问题。在2019年的F8大会上，Meta Reality Labs首席科学家Michael Abrash也曾展示可变焦VR头显Half Dome 3配备的液晶组合透镜方案。

Lanman表示：经过一年半时间，Reality Lab的光学团队为Half Dome 3研发了一种电驱动的可变焦光学模组，其特点是包含6层非球面液晶透镜（PBP透镜或GP透镜结构），每一层透镜都足够薄、具有衍射特性。此外，每一层液晶透镜中都放置了可切换的半波片，整个结构可看作是双透镜复合结构。

Guttag指出，从现有的信息来看，Half Dome 3似乎就是Meta专利的体现。而Lanman在2020年的演示中，就曾指出Half Dome 3已经准备就绪，那么不禁引人猜测，Cambria的原型设计是否为Half Dome 3？它是否采用了可变焦液晶透镜方案？

本文将对上述问题进行分析，其中的一些关键点包括：

• 1）Cambria已经开发6年多时间，或采用Half Dome 3原型设计；
• 2）Meta每年在AR/VR技术上投入约100亿美元，团队拥有1万名顶尖专家；
• 3）Carmack担心可变焦系统的效果；
• 4）2021年SID ICDT论文中展示的液晶透镜效果还不够理想，似乎还在研究阶段；
• 5）液晶菲涅尔可变焦透镜与Pancake结合的方案存在图像质量问题。

VAC是一个现实的难题

Guttag表示：现如今，AR/VR硬件、软件厂商都在努力改善VAC视觉问题。相关症状因人而异，VAC可能会引起眩晕、头痛或视觉疲劳。作为让VR的视觉焦距与人眼焦距匹配的方案之一，注视点渲染技术有多种形式，比如由机电、静电结构控制的机械光学方案，或是基于流体的柔性透镜、静电透镜、多层波导模组、可变焦液晶透镜组等等。

在EI 2020的演讲中，Lanman讨论了关于可变焦系统的深度感知能力的话题。他指出，物体之间的遮挡关系对深度感知的准确性有很大影响，尤其是在预测近处和远处物体之间的距离时。通常，人们通过遮挡、运动视差来判断物体的远近距离，而当远处的大物体由于天气而显得朦胧时，则容易出现空中透视现象，从而影响深度感知的准确性。

另一个值得注意的问题是，考虑到VR头显的摄像头与人眼存在一定距离，视频透视AR的效果容易和人眼视觉存在差距。Cambria通过短焦光学，已经在缩短摄像头和人眼之间的距离，但不管距离多近，视频透视的体验感也会受到影响，长时间观看甚至可能影响人眼的正常视场角，因为人眼已经适应了不自然的观感。

关于VR边界范围

Lanman指出，大部分AR/VR头显的追踪范围在10米以内，在这个有限的范围内，你在透视AR模式中感知深度通常是通过双目视差、运动视差、汇聚/聚散、调节等线索。其中，调节指的是人眼根据深度、距离变化而动态调整光学倍率，也就是动态聚焦。目前，动态聚焦是限制VR用户感知深度的关键问题。

上图对比了各种可调节显示方案的优缺点，其中Half Dome 3基于Varifocal方案，通过眼球追踪技术来识别动态的人眼汇聚信息，然后显示模组会同时调节焦距，整个VR画面的焦距是统一变化的，不会渲染远近景的焦点差距。

Meta此前公布的动态模糊方案DeepFocus也许可以解决这一问题，它可以渲染焦距外围的模糊效果，不仅可以实现良好的注视点渲染，也可以通过清晰和模糊视觉线索，来突出远近物体之间的深度关系。

关于Half Dome

Guttag指出，Meta至少从2016年就开始研发Half Dome和相关项目，其研发的Half Dome原型看起来似乎比市面上的一些AR/VR成品更好。

据了解，Half Dome 1和2采用电驱动的机械变焦显示模组，相比之下Half Dome 3采用液晶透镜组来取代机械元件，只需要用电来控制透镜即可实现VR动态变焦。Half Dome 3配备的6层液晶透镜可模拟64种不同的焦距/屈光度。

尽管如此，Half Dome的实用性还有待验证，比如多层透镜对VR分辨率的影响有多少？是否有可行的量产方案呢？这些都是需要解决的问题。

如果将液晶透镜与菲涅尔透镜结构结合，则需要考虑不连贯结构而造成的衍射问题，即使只有一层透镜都可能影响图像质量，多层的方案效果更加令人担忧。此外，液晶透镜对于偏振光的影响由入射光线的角度决定，而光线垂直进入时，液晶透镜的光学效果最佳。

来自Meta去年6月在SID ICDT期刊发布的论文，其中图6指出VR图像中心到外围的清晰度明显下降（单层透镜），而多层叠加的整体图像质量变化未知。

约翰·卡马克怎么看

在去年FC大会的Q&A环节，前Oculus CTO约翰·卡马克发表了对于VR可变焦显示模组的看法，他表示：理想的可变焦系统显然可以提升VR显示效果，但这同时还需要平衡成本、体积、重量、散热等方面。只有采用合适的可变焦方案，才能为VR带来价值，如果只是采用质量平庸的变焦方案，那么只能带来负面价值。

除此之外，可变焦方案还需要解决一系列用户体验问题，包括眼球追踪响应速度、准确性等等。即使现有的方案在实验室中运行良好，实际应用到广泛的人群中可能又会遇到问题。

卡马克对于可变焦显示的看法，似乎暗示了Meta内部对于变焦显示存在技术上的分歧，卡马克不仅担心眼球追踪的效果，也担心离散变焦的实际效果。

Pancake对比菲涅尔透镜

在2018年的SPIE Photonics Eruope上，Meta发表了一篇名为“沉浸式近眼显示系统的视觉光学方案：瞳孔游移/尺寸和重量/杂散光”的论文，论文中对比了Pancake和菲涅尔透镜。此外还指出Half Dome 3同时配备了Pancake透镜和菲涅尔透镜，其中Pancake透镜的目的是折叠光路，而菲涅尔透镜则负责变焦。

不过，论文中的效果图显示Pancake光学的对比度较差，而且还会引起画面重影。

此前，Meta证实Cambria将采用Pancake透镜，可能并非基于Half Dome 3原型，因为Pancake和液晶菲涅尔透镜的复合方案还不理想，牺牲对比度的同时，画面还会出现重影。

总之，可运行的方案不一定能满足用户的期待，还需要满足图像质量、人体工学、量产、成本等要求。在AR/VR领域，虽然一些技术足够超前、足够吸引人，但它距离成熟的产品却存在很大差距。

Cambria变焦优势：

• Meta在过去6年的持续研究；
• Lanman的2020年似乎透露，变焦方案已准备好产品化。
• Meta在Connect 2021上的演示看起来和Half Dome3很像；
• Meta每年巨额资金投入，超万名顶尖的AR和VR人才。

Cambria变焦劣势：

• Carmack在Connect 2021问答持怀疑态度；
• 眼动追踪表现可能还不理想；
• Meta 2021年SID ICDT论文看上去还处于研究阶段；
• 将菲涅尔和短焦Pancake透镜结合的可变焦点光学在图像质量上可能存在问题。

参考：Karl Guttag