【科技前沿】NHK STRL正在研发光场头戴式显示器——再现自然3D图像的VR设备

来源：广播与电视技术

翻译：梁启蓉

审稿：杨 宇

日本公共广播机构NHK的科学技术研究实验室STRL正在研发一种HMD（头戴式显示器）设备，使用户可以看到自然的三维虚拟现实（3DVR）图像，这种使用光场技术的HMD设备，可以再现真实世界中物体反射的光。

图1 光场HMD示意图

1. 研究目标

旨在通过利用自然的3D图像显示，减少观众视觉疲劳，提高观看VR的舒适度。

2. 主题

使用光场HMD设备，通过目镜放大，使用者可以看到再现的3D图像。在这种情况下，实现这种效果所需的光学设备尺寸比普通的HMD设备更大。另外，由于还原图像需要花费的时间太长，很难实现与头部运动方向匹配的实时VR观看效果。

3. 详细说明

人类的眼睛通过双目会聚和调节来计算出所视物体的深度。双目会聚的意思就是，双眼观看一个物体时，左眼和右眼会向中心位置偏转，如图2所示。调节的意思是人眼通过睫状肌调节晶状体，从而实现聚焦，让物体清晰成像在眼睛的视网膜上。

图2 人眼感知深度的原理图

目前的HMD设备主要由显示器和目镜组成。当使用者透过目镜观看到视差图像时，双眼就会会聚，这样用户可以感受到物体深度。然而，图像放大后，视差也会变大，人眼通过会聚而感知到的3D图像深度与显示器位置之间的距离就变远了，通过人眼聚焦得到的景物深度信息也就会和由双眼汇聚获得的景物深度信息相互矛盾，这样人就会有不适感。

光场HMD设备通过再现从物体表面发出并到达眼睛的光来显示3D图像。这意味着，通过这种技术，人眼通过调节来聚焦物体获得的深度信息与通过双眼会聚感知到的深度信息（会聚点）是相同的，这就好像在观看真实景物一样。

传统HMD 光场HMD

图3 人观看两种不同HMD时感知的画面

为了显示自然的3D图像，NHK STRL研发了一种利用光场技术的新型HMD设备。该系统根据观看者头部运动的方向，实时显示相应位置的景物图像。

图4 光场HMD设备的结构

图5 显示器播放出元素图像阵列画面，通过透镜阵列，再通过目镜折射到达人的眼睛

图6到达眼睛的光线进行反向延长，可令眼睛聚焦在远处的虚像上，像观看真实景物一样

研究人员决心继续研究和开发更高质量的HMD，将让用户能看到更自然的3D图像，主要有以下几方面：

• 用与真实世界中相同的方式再现物体反射光的技术。

• 提供产生3D图像所需的灯光颜色和亮度。

• 当我们使用设备观看3D物体时，左眼和右眼的会聚方式与观看真实景物一致。

图7 光场HMD在头部运动中显示不同的图像

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