前不久，Facebook Reality Labs（以下簡稱FRL）公布了一項結(jié)合AR全息衍射技術(shù)的VR光學(xué)方案，被看作是未來AR與VR技術(shù)融合、同時具備兩者優(yōu)勢的新品類。
近期，F(xiàn)RL再次公布了一項與舊金山大學(xué)伯克利分校共同合作的新研究，論證出一種可以擴(kuò)大全息顯示視場角的方法。
全息顯示的優(yōu)劣分析
在論文《High Resolution étendue Expansion for Holographic Displays》中提到，全息技術(shù)的優(yōu)勢是能夠呈現(xiàn)出高質(zhì)量的3D畫面，通過SLM可以產(chǎn)生各個方向的光，能夠?qū)崿F(xiàn)像素級的變焦顯示，校正光學(xué)系統(tǒng)像差，適用于小型化光學(xué)元件。
因此，全息技術(shù)也非常適合AR/VR等近眼顯示設(shè)備。
然而當(dāng)前的全息顯示應(yīng)用在AR/VR中應(yīng)用時，動眼框（Eyebox）和視場角（FOV）相互制約，想要獲得大的動眼框，就要犧牲視場角大小，反之亦然。
Eyebox示意圖
Eyebox是頭戴式顯示設(shè)備中一個非常重要的因素，尤其是在AR設(shè)備中，它直接影響著你能夠看到虛擬圖像的范圍大小，直接的說它就決定著你日常佩戴AR眼鏡的靈活度，假如Eyebox太小，稍微動一下AR設(shè)備你看到的虛擬內(nèi)容就會不完整，極大降低用戶體驗。
而FOV也是一個提升視覺體驗的重要因素，它直接決定著你能夠看到的虛擬圖像的畫幅大小，F(xiàn)OV越大顯示虛擬圖像面積越大，沉浸式體驗的效果也就越好。然而，在傳統(tǒng)非全息光學(xué)中獲得大視場角并不難，例如Oculus Rift可以直接用大面積顯示屏，而在全息顯示中由空間光調(diào)制器（SLM）所限制。
通常而言，想要獲得身臨其境的體驗FOV要≥90度。
而全息顯示器如果將FOV設(shè)定在90度，Eyebox則只有1mm多，意味著眼鏡稍微晃一下就看不到圖像；而暴力解決方案就是增加SLM像素數(shù)，在10mm Eyebox時則需要10億個像素，不過這種方法效率低下，因為所需像素數(shù)太大，甚至超越人眼能解析的像素數(shù)的2倍。
全息顯示擴(kuò)大視場角新方法
論文指出，通過靜態(tài)散射掩模來擴(kuò)大全息顯示器視場角則是一個另一個解決方案。
實際上該方法此前已得到應(yīng)用，但是場景比較簡單，例如只有幾十個點的風(fēng)景類內(nèi)容。因此，為了推進(jìn)這一方法來解決全息顯示視場角問題，必須大幅提升分辨率，以達(dá)到現(xiàn)代化的顯示水平。
視場角示意圖（左：傳統(tǒng)光學(xué)，右：增加散射掩模層）
簡述原理就是，全息顯示的波前被掩模散射，自由度比SLM更大，輸出的分辨率更高，因此噪點也就更多。而本論文提出的方法關(guān)鍵點在于，全息圖像限制在SLM空間頻率范圍內(nèi)，從而把噪點控制在人眼無法分辨的更高頻率上。
實驗用的臺式原型機(jī)
據(jù)悉，該方法可以很好的使用復(fù)雜、高分辨率的實拍圖，甚至還驗證了空間約束下，結(jié)合注視點渲染動態(tài)分布圖像分辨率。同時，F(xiàn)acebook與加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計了框架，來優(yōu)化這些參數(shù)，并在一臺原型機(jī)上得以驗證。
AR原型效果展示：左上角為原圖，下方兩個為不同深度的圖像，橙色框代表擴(kuò)展前原有FOV大小
同時論文提出目前該方法的一些優(yōu)勢與局限性。
優(yōu)勢：
通過基于約束的散射掩模生成全息圖像算法，效果優(yōu)于此前的技術(shù)方案；
通過增加頻率和空間約束，顯示提高了顯示分辨率，實測結(jié)果比SLM更好的大視場角高分辨率圖像。
未來AR眼鏡應(yīng)用概念示意圖：左為基于Maimone等原方法的緊湊全息方案，右為增加散射掩模層，可不犧牲FOV增大Eyebox
劣勢：
由于顯示設(shè)備視場角參數(shù)超過SLM原生，因此對比度較低；
計算時間也比此前（論文提到的Buckley et al. 2006; Park et al. 2019; Yu et al. 2017b）方法要長，依然需要優(yōu)化；
目前原型僅支持單色顯示；
該方法對設(shè)備準(zhǔn)度要求極高，應(yīng)用到AR、VR中難度較大。
總的來說，雖然實驗結(jié)果在實際應(yīng)用中還有待優(yōu)化與改進(jìn)，但也讓我們看到使用新的SLM技術(shù)實現(xiàn)全息顯示的新算法有著極大的潛力，尤其是在未來小型化和大眾化需求的時代。
