深度解读 | VR中的See-Through技术

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近年来,虚拟现实(VR)行业迎来了爆发式增长,其消费级别的量产产品,目前已做到近千万级别的年销量。与此同时,VR行业不论是上游基础硬件还是下游软件生态都在迅速发展。

增强现实(AR)行业因其应用场景更加广阔,人们对其需求也更加强烈。苹果、谷歌、Meta以及微软等科技巨头纷纷看好AR行业是下一个大蓝海,拥有非常大的发展红利。

然而基于目前的技术,想要实现真正轻便的消费级AR产品,或许时日尚早。

于是,行业领先的AR/VR公司,纷纷在热销的VR产品上增加了See-Through功能,在扩充VR产品功能边界的同时,实现了VR设备在AR功能上的探索。

VR中See-Through的功能

VR给用户提供了一个交互式虚拟三维空间,通过感知单元提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让人进入完全沉浸的虚拟世界。

因此,VR需要用户使用一个特定的头显,以形成一个完全密闭的虚拟空间。

而See-Through则是打破了这种限制,让用户可以走出VR世界。

其通过相机采集周围环境的实时视图并通过屏幕进行显示,给人一种人眼能够直接透过头显看到周围真实世界的感觉,因此也被叫做透视功能。

在VR中,See-Through功能的最初目的是解决安全问题。当用户接近虚拟空间的边界时,See-Through功能将自动开始显示来自相机采集的实时图像,以增加用户对周围环境的感知。

通过这样的方式,让用户得以了解边界区域的真实环境,提高用户的安全系数。

同时,See-Through功能可以让用户在不摘除头显的情况下,实现与外部现实世界的行为交互,例如触摸和打开控制器,甚至签收快递、收发短信等等,增强了VR头显体验的可持续性。

另一方面,随着越来越多的实验性增强现实(AR)功能被集成到See-Through中,可使用户在VR设备上体验到更多AR功能,同时还允许用户对AR功能进行二次开发,极大地丰富了VR设备的实用性。

See-Through功能的实现原理

常见的See-Through实现方式主要有两种:光学透视(Optical See-Through, OST)和视频透视(Video See-Through, VST)。

1. 光学透视(OST) 

真实世界是通过放置在用户眼前的半透明光学合成器看到的。光学合成器也被用来将计算机生成的图像反射到用户的眼睛里,从而将真实世界和虚拟世界结合起来。

光学透视的优点在于不易产生晕屏(cybersickness)的风险,同时还有着与真实世界接近的极高分辨率。

2. 视频透视(VST) 

真实世界是通过相机捕捉到实时视图,然后与计算机图像技术结合在一起,呈现在不透明的显示器上。

使用视频透视,算法可以完全控制视觉集成,允许虚拟和真实物体之间的完全遮挡,甚至可以对真实物体进行更高级别的修改。

VST技术的优势

相比于光学透视(OST) ,视频透视(VST) 的主要优势有以下五点。

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1  虚拟与真实物体的遮挡更容易控制

OST的一个基本问题是,由于光学合成器同时允许来自虚拟和真实世界的光源,虚拟物体通常不会对真实物体进行完全遮挡,这使得虚拟物体看起来像幽灵一样呈半透明状态。

相比之下,VST在融合真实图像和虚拟图像方面会更容易控制。由于都是以数字图像的形式提供信息,VST合成器可以逐像素地采用真实、虚拟或两者混合来模拟透明程度的方式,从而产生比OST更令人信服的遮挡效果。

2  视场(FOV)更大

光学系统中的畸变是光轴径向距离的函数,离视场中心越远畸变越大。对于OST,由于系统没有真实世界的数字图像,任何扭曲都必须通过光学方式进行纠正,从而增加了光学元件的设计复杂程度和成本,同时也增加了头显的重量。

VST可以通过数字图像处理的方法来消除图像的畸变,以较小的代价获取更大的视场。

3  虚拟和真实世界的延迟更容易匹配

OST提供了几乎实时的真实世界视图,但虚拟世界的视图或多或少总存在一定延迟,这种时间的不匹配可能会导致配准等问题,影响用户体验。

对于VST,可以通过延迟真实世界的视图,来匹配虚拟视图的延迟。换句话说,VST提供了一种减少或避免真实和虚拟图像时间不匹配问题的方法。

4  配准信息更加丰富

对于OST,系统关于用户头部位置信息的唯一来源是头部跟踪器。

而VST则提供了另一种信息来源:真实场景的数字图像。这种数字信息意味着VST可以通过检测图像中的特征,并使用这些特征来增加配准的准确性。

5  亮度匹配控制更加方便

OST由于允许用户直接看到真实世界,受到真实环境亮度的影响较大。如果真实环境太亮,现实世界会冲掉虚拟图像;如果真实环境太暗,则虚拟图像将会冲淡现实世界。

但对于VST而言,因为相机本身的动态响应有限,亮度控制就会相对更加容易。VST真实和虚拟图像都是由监视器生成,并且都经过了一定的动态范围压缩,因此能够更加方便地进行亮度匹配控制。

VST技术难点及解决思路

由于真实世界的视图是通过相机捕获的视频图像提供的,VST技术目前主要存在的难点问题有画面延迟、视觉差异以及配准问题等。

如何解决上述难点问题,详情请点击CSDN头像,关注首发公众号~文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-547844.html

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