vr虚拟眼镜原理

转自:http://product.pconline.com.cn/itbk/bkxt/1507/6703516.html

人之所以能够看到立体的景物,是因为我们的双眼可以各自独立看东西,左右两眼有间距,造成两眼的视角有些细微的差别,而这样的差别会让两眼个别看到的景物有一点点的位移。而左眼与右眼图像的差异称为视差,人类的大脑很巧妙地将两眼的图像融合,产生出有空间感的立体视觉效果在大脑中。

  由于计算机屏幕只有一个,而我们却有两个眼睛,又必须要让左、右眼所看的图像各自独立分开,才能有立体视觉。这时,就可以通过3D立体眼镜,让这个视差持续在屏幕上表现出来。通过控制IC送出立体讯号(左眼->右眼->左眼->右眼->依序连续互相交替重复)到屏幕,并同时送出同步讯号到3D立体眼镜,使其同步切换左、右眼图像,换句话说,左眼看到左眼该看到的景像,右眼看到右眼该看到的景像。3D立体眼镜是一个穿透液晶镜片,通过电路对液晶眼镜开、关的控制,开可以控制眼镜镜片全黑,以便遮住一眼图像;关可以控制眼镜镜片为透明的,以便另一眼看到另一眼该看到的图像。3D立体眼镜就可以模仿真实的状况,使左、右眼画面连续互相交替显示在屏幕上,并同步配合3D立体眼镜,加上人眼视觉暂留的生理特性,就可以看到真正的立体3D图像。

vr虚拟眼镜

 

现实3D立体眼镜的显示模式

  市面上搭配3D/VR立体眼镜应用的立体图像种类繁多。最常见的显示模式主要有以下四种:交错显示(Interlacing)、画面交换(Page-Flipping)、线遮蔽(Line-Blanking)、画面同步倍频(Sync-Doubling)。

Vr虚拟现实交错显示(Interlacing)

  交错显示(Interlacing)就是依序显示第1、3、5、7……等单数扫描线,然后再依序显示第2、4、6、8……等偶数扫描线的周而复始的循环显示方式。这就有点类似老式的逐行显示器和NTSC、PAL、及SECOM等电视制式的显示模式。

  交错显示模式的工作原理是将一个画面分为二个图场,即单数描线所构成的单数扫描线图场或单图场与偶数描线所构成的偶数扫描线图场或偶图场。在使用交错显示模式做立体显像时,我们便可以将左眼图像与右眼图像分置于单图场和偶图场(或相反顺序)中,我们称此为立体交错格式。如果使用快门立体眼镜与交错模式搭配,则只需将图场垂直同步讯号当作快门切换同步讯号即可,即显示单图场(即左眼画面)时,立体眼镜会遮住使用者之一眼,而当换显示偶图场时,则切换遮住另一支眼睛,如此周而复始,便可达到立体显像的目的。

  由于交错模式不适于长时间且近距离的操作使用,就计算机显示周边技术而言,交错模式需要显示硬件与驱动程序的双重支持之下方可运行。随着相关显示周边技术的进步,非交错模式已完全取代交错模式成为标准配备。

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Vr虚拟现实画面交换(Page-Flipping)

  画面交换(Page-Flipping)是由特殊的程序来改变显卡的工作原理,使新的工作原理可以用来表现立体3D效果。因为不周的显示芯片有其独特的工作原理,所以如果要使用画面交换,那么必须针对各个显示芯片发展独特的立体驱动程序以驱动3D硬件线路,因此画面交换仅限于某些特定显示芯片。

  它的工作原理是将左右眼图像交互显示在屏幕上的方式,使用立体眼镜与这类立体显示模式搭配,只需要将垂直同步讯号作为快门切换同步讯号即可达成立体显像的目的。而使用其它立体显像设备则将左右眼图像(以垂直同步讯号分隔的画面)分送至左右眼显示设备上即可。

  画面交换提供全分辨率的画面质量,故其视觉效果是四种立体显示模式中最佳的。但是画面交换的软硬件要求也是最高的,原因主要有两点。第一、Vr虚拟现实屏幕的交错显示与3D立体眼镜的遮蔽不佳的话,那么有可能只能使左眼看到右眼的部份,右眼看到左眼的部份,造成"三重"图像(左眼、右眼、合成图像),也就是说图像会有残影出现。所以要想同时存取左右眼的画面,那么画面缓存器(Frame Buffer)所需的最小容量就要普遍的两倍。第二,由于屏幕是交错显示,因此不可避免地会出现闪烁现象。要想克服立体显像的闪烁问题,左右眼都必须提供至少每秒60个画面,也就是说垂直扫描频率必须达到120Hz或更高。

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Vr虚拟现实画面同步倍频(Sync-Doubling)

  画面同步倍频(Sync-Doubling)与前两种显示模式最大的不同,它是用硬件线路而不是软件去产生立体讯号,所以无需任何驱动程序来驱动3D硬件线路,因此任何一个3D加速显示芯片均可支持。只需在软件系统上,对左右眼画面做上下安排便可达成。

  它的工作原理是通过外加电路的方式在左右画面间(即上下画面间)多安插一个画面垂直同步讯号,如此便可使左右眼画面,就像交错般地显示在屏幕上,通过使用画面垂直同步讯号为快门切换同步的方式,我们便可以将左右画面几乎同时送到相对应的双眼中,达到立体显像的目的。由于画面同步倍频会将原垂直扫描频率加倍,因此须注意显示设备扫描频率的上限。此模式是最具效果的立体显示方式,不会受限于计算机硬件规格,同时可利用图像压缩(MPEG)格式,达到进一步传输、储存的目的。

Vr虚拟现实线遮蔽(Line-Blanking)

  线遮蔽(Line-Blanking)与画面同步倍频一样,是通过外加电路的方式来达到立体显像的目的,相当适合计算机标准的非交错显示模式。

  它的工作原理是将撷取的画面储存在相当的缓存器(Buffer)中,送出遮蔽偶数扫描线的画面后送出一个画面垂直同步讯号,再接着送出遮蔽单数扫描线的画面,如此周而复始的撷取画面并送出两个单偶遮蔽的画面,便可类似于画面交换的方式行立体显像的工作。其工作模式会将显卡送出讯号的垂直扫描频率加倍,因此使用这种立体显示模式,须注意显示设备扫描频率的上限。

  由于其采用立体交错格式,对于过去的交错显示的应用软件及媒体,线遮蔽都可充分支持,因此这种立体显示模式的回溯兼容性最佳。但它与交错模式一样,垂直分辨率将会减少一半,所以立体画面品质会比画面交换模式稍差。

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市场上的一些Vr虚拟眼镜产品

  虚拟现实Eye3D无线立体眼镜系一款高阶玩家级立体眼镜,戴上Eye3D无线立体眼镜后,立刻就能进入非常逼真的3D场景, 看见游戏中的人物在眼前跳进跳出。同时无线设计的立体眼镜,让玩家们在玩游戏时,可以毫无负担,轻松又自在地融入游戏之中,体验一趟超炫的身立奇境之旅。

  Vr虚拟现实E-D无线立体眼镜 是eDimensional公司生产最近的一款无线3D立体眼镜,它可以用在虚拟现实技术中3D 图形,它可以让你非常真实的体验虚拟世界中3D 游戏,电影,网络,照片等图片环境。E-D? 3-D眼镜可以将你观看的PC视频游戏转换成真实的3D。它可以更精度的计算你的高度和距离。

  Vr虚拟现实的视觉眼镜 3.0 Rimax:我们经常在电影里看到随身携带的图象显示镜,还有一些连接大仪器的电影眼镜,那只是人们的一个梦想,不过现在研制出一款Rimax 3.0 便携式电影眼镜。它可以让你更近距离的观赏电影,给你36寸电视的超爽感觉!

  Vr虚拟现实Eye-Trek FMD 700:迷你LCD显示器,独特的光学系统复制了36寸荧屏效果。无限的兼容性可连接到DVD播放器,游戏控制台或其他AV产品上,PLA逐行倒相制式可连接国际电视系统委员会录象机信号,外制8小时超容量电池。携带方便,操作容易,能像传统的眼睛一样配戴。力量适配器: 直流 9 V 电压的输出,可充电的锂性电池:LP900锂电池,7.2V/900 mAH。

  Vr虚拟现实Eye-trek FMD-700是Olympus 影像眼镜的高阶产品,专门提供作为专业领域使用。本产品可以跟所有的影像讯号作连结而且拥有可以跟PC或是笔记型计算机直接连接的界面。Eye-trek FMD-700拥有惊人的百万画素的影像分辨率以及BBE环绕音效。加上本身是NTSC界面适合全世界所有的使用格式。

  Eye-Trek开创了一个全新的娱乐世界。Eye-Trek,只有一只太阳眼镜的大小,变能够将普通的影像或是电视影片转变成令人惊艳的超大尺寸画面—就像是从两公尺的距离观赏着52" 的大屏幕一样。


<think>我们正在讨论AppleVR眼镜(即AppleVisionPro)的工作原理。根据用户提供的引用[1],AppleVisionPro是一款MR(混合现实)设备,采用VST(视频透视)技术。这与传统的VR虚拟现实)或AR(增强现实)设备不同。下面我将逐步解释其工作原理。###1.**核心原理:视频透视(VST)技术**AppleVisionPro的核心是VST技术,它通过以下步骤实现混合现实体验:-**外部环境捕捉**:设备配备多个高分辨率摄像头(包括前置、侧置和下置摄像头),实时捕捉用户周围环境的视频流。这些摄像头覆盖用户视野的各个角度,确保无死角[^1]。-**实时处理与融合**:捕捉的视频流通过专用处理器(如Apple的M2芯片)进行实时处理,包括:-**畸变校正**:消除摄像头镜头畸变,使画面更自然。-**空间映射**:结合深度传感器(如LiDAR)和惯性测量单元(IMU),构建环境的3D模型,精确追踪用户头部运动[^1]。-**虚拟内容叠加**:将虚拟物体(如3D界面、应用窗口)根据空间位置叠加到视频流中,确保虚拟物体与环境正确交互(例如,虚拟物体被真实物体遮挡)[^1]。-**显示输出**:处理后的视频流(包含真实环境与虚拟内容)通过超高分辨率的Micro-OLED屏幕显示给用户,实现“透过设备看世界”的效果。屏幕刷新率高达90Hz以上,减少延迟和眩晕感[^1]。###2.**关键技术组件**####(1)**传感器系统**-**摄像头阵列**:12个摄像头(包括主摄像头、深度摄像头、红外摄像头)负责环境捕捉。其中:-深度摄像头(如LiDAR)测量物体距离,精度可达毫米级。-红外摄像头用于暗光环境下的追踪[^1]。-**惯性测量单元(IMU)**:实时检测设备旋转和加速度,确保头部运动与画面同步。-**眼动追踪**:通过红外传感器追踪眼球运动,实现注视点渲染(仅渲染用户注视区域的高清画面,节省算力)[^1]。####(2)**处理单元**-**双芯片设计**:-**M2芯片**:负责通用计算(如应用运行、图形渲染)。-**R1芯片**:专为实时传感器数据处理设计,延迟低于12毫秒,确保画面与动作同步[^1]。-**算法支持**:-**空间计算**:融合摄像头、LiDAR和IMU数据,构建环境3D地图(SLAM技术)。-**手势识别**:通过摄像头识别用户手势(如捏合、滑动),无需手柄[^1]。####(3)**显示系统**-**Micro-OLED屏幕**:每眼分辨率超4K,提供高对比度和广色域。其工作原理是:-每个像素自发光,关闭时近乎纯黑(对比度达1,000,000:1)。-通过光学透镜放大屏幕图像,覆盖用户视野(FOV约120度)[^1]。-**光学透镜**:采用Pancake透镜折叠光,压缩设备厚度,同时减少图像畸变。###3.**工作流程(数学与物理模型)**1.**环境捕捉**:-摄像头捕获图像序列$\{I_t\}$,深度传感器生成深度图$D_t$。-IMU提供角速度$\omega_t$和加速度$a_t$。2.**运动追踪与建模**:-通过SLAM算法计算设备位姿(位置$P_t$和方向$R_t$):$$P_t=P_{t-1}+\int_{t-1}^{t}v_t\,dt,\quadR_t=R_{t-1}\cdot\exp(\omega_t\Deltat)$$其中$v_t$是速度,由加速度积分得到(需校正重力影响)[^1]。3.**虚拟内容渲染**:-虚拟物体的位置$Q_v$需转换到摄像头坐标系:$$Q_{\text{cam}}=R_t\cdotQ_v+P_t$$-最终像素坐标$(u,v)$通过透视投影计算:$$u=f_x\frac{Q_{\text{cam},x}}{Q_{\text{cam},z}}+c_x,\quadv=f_y\frac{Q_{\text{cam},y}}{Q_{\text{cam},z}}+c_y$$其中$(f_x,f_y)$是焦距,$(c_x,c_y)$是光学中心[^1]。4.**显示同步**:-R1芯片确保从传感器输入到屏幕输出的全链延迟$<12$毫秒,满足人体视觉暂留要求(约15毫秒)[^1]。###4.**与传统VR/AR的区别**|**技术**|**原理**|**AppleVisionPro的优势**||----------------|-----------------------------|---------------------------------||**传统VR**|完全封闭,仅显示虚拟内容|通过VST实现虚实融合,不隔绝现实||**光学AR**|半透半反镜直接透射真实光线|无视野限制,虚拟内容更丰富||**波导AR**|光波导投影,视野窄(<50度)|视野更广(120度),分辨率更高|###5.**挑战与局限**-**功耗与发热**:高算力需求导致设备较重(约600g),需外接电池(续航2小时)。-**视觉疲劳**:长时间使用可能因画面延迟或光学误差导致眩晕。-**环境适应性**:强光下摄像头动态范围不足,影响画面质量[^1]。###总结AppleVisionPro通过VST技术实现了混合现实体验,其核心在于高精度传感器、低延迟处理芯片和Micro-OLED显示系统的协同工作。未来随着传感器小型化和算力提升,设备将更轻便、沉浸感更强[^1]。§§相关问题§§1.AppleVisionPro的R1芯片如何实现12毫秒延迟?2.为什么Micro-OLED屏幕更适合VR设备?3.VST技术与光学透视(OST)在AR应用中有何优劣?[^1]:AppleVisionPro设备采用了VST(视频透视)技术,在探索其相关功能之前了解这一点很重要。AppleVisionPro是一款MR(混合现实)设备,区别于VR虚拟现实)和AR(增强现实)眼镜。MR设备提供身临其境的VR体验,同时允许用户在不摘下耳机的情况下看到外面的世界。</think>### Apple Vision Pro(VR眼镜)的工作原理详解 Apple Vision Pro 是一款混合现实(MR)设备,其核心是通过 **视频透视(VST)技术** 实现虚拟内容与现实环境的融合。以下是其工作原理的分步解析: --- #### 1. **环境感知与实时捕捉** - **多传感器系统**: 设备配备 **12个摄像头**(包括可见光、红外、深度摄像头)、**LiDAR激光雷达**和**惯性测量单元(IMU)**,实时扫描用户周围环境。 - **摄像头**:捕捉真实世界的2D视频流(分辨率达2300万像素/眼)。 - **LiDAR**:发射激光脉冲测量物体距离,生成环境的3D点云模型(精度毫米级)。 - **IMU**:追踪头部运动(旋转、加速度),更新视角位置[^1]。 - **空间映射**: 传感器数据通过 **SLAM算法**(Simultaneous Localization and Mapping)构建动态3D地图,实现设备在空间中的精确定位(误差<1cm)[^1]。 --- #### 2. **视频处理与虚拟融合** - **实时渲染管线**: 捕捉的环境视频流传输至专用芯片: - **M2芯片**:处理通用计算任务(如应用运行)。 - **R1芯片**:专为传感器数据优化,**延迟低于12毫秒**(从输入到显示),避免眩晕[^1]。 ```math \text{延迟} \Delta t = t_{\text{捕捉}} + t_{\text{处理}} + t_{\text{显示}} < 15\text{ms} \quad (\text{人体可感知阈值}) ``` - **虚拟内容叠加**: 虚拟物体(如3D界面)根据环境3D地图的坐标进行投影: $$ \begin{bmatrix} x_v \\ y_v \\ z_v \end{bmatrix} = \mathbf{R} \cdot \begin{bmatrix} x_r \\ y_r \\ z_r \end{bmatrix} + \mathbf{T} $$ 其中 $\mathbf{R}$ 为旋转矩阵,$\mathbf{T}$ 为平移向量,确保虚拟物体与现实场景对齐(如桌面放置虚拟屏幕)[^1]。 --- #### 3. **显示系统:沉浸式视觉输出** - **Micro-OLED屏幕**: 每眼配备 **4K级微型OLED屏幕**(像素密度达3400 PPI),特性包括: - **自发光像素**:关闭时完全黑暗,实现无限对比度。 - **广色域覆盖**:支持P3色域,色彩更真实。 - **光学透镜设计**: 采用 **Pancake折叠光透镜**: - 光线在多层偏振膜间反射,压缩光厚度(比传统菲涅尔透镜薄50%)。 - 减少图像畸变,视场角达 **120度**[^1]。 --- #### 4. **交互技术:自然操控** - **眼动追踪**: 红外摄像头监测角膜反射,精度达0.1°,实现“注视即选择”(例如凝视按钮触发操作)。 - **手势识别**: 摄像头捕捉手部骨骼关节点,通过机器学习识别手势: ```math \text{手势识别率} = f(\text{关节点数据}, \text{IMU姿态}, \text{深度信息}) ``` 支持捏合、滑动等复杂操作(无需手柄)[^1]。 - **语音交互**: 集成麦克风阵列与Siri,实现语音命令控制。 --- #### 5. **与传统VR/AR的本质区别** | **技术** | 传统VR | 光学透视AR(如Hololens) | Apple Vision Pro (VST-MR) | |----------------|------------------------|-------------------------|--------------------------| | **显示原理** | 封闭式屏幕,隔绝现实 | 半透半反镜投影 | 摄像头捕捉+屏幕显示 | | **虚实融合** | 无 | 直接光学叠加 | 数字视频融合 | | **环境适应性** | 依赖预设空间 | 强光下虚拟内容褪色 | 自适应亮度调节 | | **优势** | 沉浸感强 | 轻量化 | 虚拟内容更逼真,无视野限制 | --- #### 6. **技术挑战与局限** - **功耗与发热**:双芯片+多传感器导致高功耗(需外接电池,续航2小时)。 - **视觉疲劳**:长期使用可能因光学误差或延迟引发眩晕。 - **强光干扰**:室外强光下摄像头动态范围不足,影响画面清晰度[^1]。 --- ### 总结 Apple Vision Pro 的本质是 **“数字现实重建”**: 1. 传感器捕捉物理世界 → 2. 芯片实时处理并叠加虚拟内容 → 3. 高精度屏幕输出融合画面。 其革命性在于通过VST技术突破传统光学透视AR的视野限制,同时保留VR的沉浸感,为混合现实设定了新标准[^1]。
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