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Meta 再次对其研究实验室进行了深入分析，并展示了 VR 显示器在未来几年的发展方向。
去年秋天，马克·扎克伯格重组了他的公司：Facebook 更名为 Meta，目标是为 Metaverse 奠定基础。扎克伯格展示了人们在虚拟世界中见面、玩耍和工作的未来愿景。
今天的虚拟现实技术并没有达到科幻小说的愿景。VR设备的核心——显示屏在过去十年中几乎没有发展，而且仍然相当原始：两个分辨率相对较低的智能手机屏幕连接在镜头后面，以欺骗眼睛看到 3D 世界。
为了释放虚拟现实的全部视觉潜力，还需要更多：一种与人类视觉能力相匹配的新型 VR 显示器。
VR显示器：超越传统屏幕
自 2015 年以来，Meta 一直致力于新型 VR 显示器的研究，现在它分享了迄今为止对其显示器研究的最深入研究：从早期原型到下一代 VR 显示器，再到尚未实现的未来概念。
该研究表明了虚拟现实在未来几年的发展方向，并且所涉及的显示技术远远超出了传统的 2D 屏幕。
Meta 首席执行官马克·扎克伯格 (Mark Zuckerberg) 表示：“这是一个如此令人兴奋的工作空间，原因之一是这是真正的新技术。” “我们不仅仅是改进几十年来手机、电视或电脑显示器上已经存在的屏幕类型。我们必须探索物理系统如何协同工作以及我们的视觉系统如何感知事物的新领域。世界。”
视觉图灵测试：四大挑战
目标是开发一款通过视觉图灵测试并适合纤薄轻巧的 VR 设备的 VR 显示器。
“1950 年，艾伦·图灵 (Alan Turing) 构想了图灵测试，以评估计算机是否能够通过人类测试。视觉图灵测试，这是我们和其他一些学术研究人员采用的一个短语，是一种方法评估 VR 中显示的内容是否可以与现实世界区分开来。”Meta 的首席科学家 Michael Abrash 解释道。他表示，目前还没有任何VR技术能够通过这一测试。
专门从事显示器开发的显示系统研究 (DSR) 团队定义了 VR 显示器必须满足的四个特征才能通过视觉图灵测试。他们应该
- 实现虚拟对象的自然聚焦（请参阅聚散度调节冲突）
- 达到相当于视网膜视力的分辨率
- 补偿由镜头引起的光学畸变，并支持
- 支持 HDR，即覆盖比当今 VR 显示器更广泛的色彩和对比度范围
为什么视觉真实感很重要？
马克·扎克伯格表示，满足所有这些条件并适应人类视觉的 VR 显示器开辟了新的可能性：一方面，它增强了社交存在感，即其他人存在于同一虚拟空间中的感觉；另一方面，它增强了社交临场感。另一方面，它可以“解锁全新一代的视觉体验”，为表达提供新的可能性，从而具有巨大的文化含义。
“你不再只是在屏幕上观看它们，而是会感觉自己身临其境，体验原本无法体验到的事情。这种感觉，那种体验的丰富性，就是为什么会有这种感觉。”现实主义很重要，”扎克伯格说。
他说，前面提到的一些技术挑战已经得到解决，而其他一些挑战仍然有很多工作要做。但即使远离显示技术，仍然需要许多突破。
扎克伯格表示：“构建这些设备是一项综合工作，不仅包括显示器，还包括最先进的软件、芯片、传感器以及其他需要无缝协作的硬件。”
他说，目前的研究见解仅涉及“链条中的最后一个环节”：显示系统。DSR 团队展示了一系列原型，其中一些是熟悉的，一些是新的，它们代表了克服上述挑战的尝试。
Meta 并没有确切说明这些显示技术何时会进入商用设备。扎克伯格引用“未来几年”作为一个粗略的时间框架。
Half-Dome：具有变焦显示屏的原型
Meta 已于 2018 年和 2019 年展示了 Half-Dome 原型。这项研究的目标是开发一种可安装在商用 VR 设备中的变焦显示系统。变焦意味着佩戴者可以专注于虚拟物体，就好像它们是物理环境的一部分一样。
这并不是必然的，因为迄今为止的 VR 头显都具有单一的固定焦平面，这可能会阻碍人类的视觉。可能的后果包括视力模糊、眼痛甚至恶心。所谓的聚散调节冲突会阻碍人们在虚拟现实中停留更长时间，或者至少会让眼睛感到疲劳。因此，迫切需要解决这个问题。
Meta 的第一台变焦原型机于 2015 年制造，体积非常庞大。2017 年，该团队开发了 Half-Dome Zero，这是一款外形与 Oculus Rift 类似的设备，可与 PC VR 游戏配合使用。通过这款设备，Meta 进行了一项内部研究，证明了变焦显示系统的巨大优势：参与者更喜欢人工对焦，因为它带来更舒适、更清晰的视觉体验，而且更容易阅读文本和识别小物体。
该团队在 Half-Dome 3（2019）中取得了重要突破：最新的原型依赖于所谓的液晶透镜，它消除了早期原型的移动部件，并通过电气状态调整焦平面。这项技术的另一个好处是它允许更窄的外形尺寸。不幸的是，Meta 没有展示任何最新的半圆顶原型。最后一个已知的设备是 Half-Dome 3。
Butterscotch：具有“视网膜分辨率”的 VR 原型
视觉真实感的另一个重要条件是分辨率。Meta 估计，VR 头戴设备需要实现每只眼睛 8K 分辨率和 60 PPD 的像素密度，才能欺骗人类视觉并创建看似真实的现实图像。相比之下，当今的 VR 设备（例如Meta Quest 2）的分辨率为 2K，PPD 为 20。
除了像素数量之外，它们的质量也必须提高。“如今的 VR 设备的色彩范围、亮度和对比度比笔记本电脑、电视或手机要低得多，”Michael Abrash 解释道。“因此 VR 无法真正达到我们已经习惯的 2D 显示器那样的精细细节和准确表示水平。”
Meta 开发了几种视网膜原型。Butterscotch 是此类产品中的最新产品，也是 Meta 向公众展示的第一个 Retina 原型。据 Abrash 称，它的像素密度为 55 PPD，是 Meta Quest 2 分辨率的两倍半。为了实现这一分辨率，该团队开发了一种新的混合镜头，并将通常的视野减少了一半。
这是该设备尚未准备好投入生产的原因之一。“它很重，体积很大，但它很好地展示了更高分辨率对 VR 体验的影响有多大，”Abrash 说。据亚伯拉什介绍，它甚至可以显示树叶的细节。
对抗光学畸变：模拟器可实现快速原型设计
通过视觉图灵测试的另一个障碍是光的光学折射引起的失真。在 Meta Quest 2 中，这个问题已通过软件纠正。
“目前这是一个相当不错的近似值，但很多时候并不完全正确，因为当你的眼睛向不同方向移动时，虚拟图像的扭曲会发生变化，”阿布拉什解释道。完美的畸变校正将是动态的，实时适应眼球运动。
该团队在这一领域取得了方法上的突破，开发了一种设备，可以在几分钟内模拟和评估畸变校正，而不是像以前那样需要几个月的时间。
Abrash 说：“团队所做的是构建了一个失真模拟器，该模拟器使用虚拟对象和眼动追踪来复制在给定光学设计的设备中看到的失真，并使用 3D 电视技术显示它。”
“这使得团队能够研究不同的光学设计和畸变校正算法，而无需构建实际的设备。凭借这种独特的快速原型制作能力，该团队能够在几分钟而不是几个月的时间内探索动态畸变校正。”
这项研究将用于开发新的镜头和校正算法。
Starburst：带有 HDR 屏幕的 VR 原型
最后一个主要挑战是开发支持 HDR 的 VR 显示器。扎克伯格特别强调这项任务，称 HDR 功能“可以说是迄今为止提到的最重要的维度”——至少在视觉真实感方面是如此。
扎克伯格说：“基本上，这是显示器的整体亮度和对比度，因为我们的经验是，当灯光明亮时，你会看到色彩流行而阴影变暗，然后场景才真正开始变得生动起来。” “但今天的问题是，我们现在所看到的屏幕的鲜艳度与肉眼在现实世界中看到的内容相比，相差了一个数量级或更多。”
屏幕的亮度以尼特为单位进行测量。现代 HDR 电视可达到数千尼特，但 Quest 2 仅达到 100 尼特。
为了测试 HDR 耳机的效果，DSR 团队将液晶显示器与强大的灯结合起来。结果是一个名为 Starburst 的 VR 原型达到了 20,000 尼特。这种亮度水平可以准确模拟室内照明条件或夜间环境。
第一个 HDR 原型的缺点是显而易见的：该设备是有线的，而且又大又重，必须用两个手柄握住。
“需要明确的是，对于第一代产品中实际交付的任何东西来说，这是非常不切实际的。但我们正在使用它来测试和进一步研究，以便我们能够了解体验的感觉， ”扎克伯格说道。
Starburst：带有 HDR 屏幕的 VR 原型
先进的显示系统并不是一切：它们还需要安装在尽可能纤薄、轻便且价格实惠的 VR 耳机中。
Meta 正在展示另一款 VR 原型，该原型展示了外形方面的进步：Holocake 2，Meta 迄今为止最薄、最轻的 VR 护目镜。
该名称源自用于创建超紧凑设计的光学器件：全息透镜和薄饼透镜的前所未见的组合。
屏幕的亮度以尼特为单位进行测量。现代 HDR 电视可达到数千尼特，但 Quest 2 仅达到 100 尼特。
为了测试 HDR 设备的效果，DSR 团队将液晶显示器与强大的灯结合起来。结果是一个名为 Starburst 的 VR 原型达到了 20,000 尼特。这种亮度水平可以准确模拟室内照明条件或夜间环境。
第一个 HDR 原型的缺点是显而易见的：该设备是有线的，而且又大又重，必须用两个手柄握住。
“需要明确的是，对于第一代产品中实际交付的任何东西来说，这是非常不切实际的。但我们正在使用它来测试和进一步研究，以便我们能够了解体验的感觉， ”扎克伯格说道。
Holocake 2：具有超紧凑外形的 VR 原型
先进的显示系统并不是一切：它们还需要安装在尽可能纤薄、轻便且价格实惠的 VR 设备中。
Meta 正在展示另一款 VR 原型，该原型展示了外形方面的进步：Holocake 2，Meta 迄今为止最薄、最轻的 VR 护目镜。
该名称源自用于创建超紧凑设计的光学器件：全息透镜和薄饼透镜的前所未见的组合。
全息透镜来自 Meta 两年前提出的研究。与传统透镜相比，全息透镜非常薄。
通过使用薄饼镜头，Meta 还能够显着缩短显示屏和镜头之间的距离。Pancake 镜头比全息镜头更接近市场，并将被整合到 Meta 即将推出的Cambria VR 中。
Holocake 2 是一款功能齐全的 PC VR ，在视野、分辨率和视窗范围方面可与 Meta Quest 2 相媲美，但外形却更薄。然而，VR 设备也是有线的，与 Quest 2 不同，它没有集成计算单元和冷却器。不然会更厚。
Holocake 2 的另一个特点是光源：出于亮度和色彩保真度的考虑，它由激光而不是 LED 组成。激光技术有一个缺点：它还远未做好大规模生产的准备。
“我们需要做大量的工程来实现符合我们规格的消费者可行的激光器——安全、低成本、高效，并且可以安装在纤薄的 VR 设备中。截至今天，还没有定论。寻找合适的激光源，但如果事实证明这是可行的，那么将有一条通往类似太阳镜的 VR 显示器的清晰道路”，Abrash 说。
Mirror Lake是Meta的最终boss
Half-Dome、Butterscotch、Starburst 和 Holocake 2 展示了新的显示系统，有助于通过视觉图灵测试。Meta 的下一个目标是将所有这些技术结合到一款轻量、纤薄且低功耗的 VR 设备中。
最新的原型，称为 Mirror Lake，就是为了这个目的。不过，目前我们更应该谈论一个研究概念：Meta 尚未成功构建出此类可用的设备，也没有展示原型。
Holocake 2 原型的全息镜头是技术基础，因为它允许在纤薄的滑雪护目镜外形中集成其他技术（变焦显示、多视图眼球追踪、畸变校正和可定制的视图水平）。
据说 Mirror Lake 还提供新的直通技术和外部显示器，可以向外界展示用户的眼睛和脸部。就在不到一年前，Meta 推出了一个具有这种效果的原型。
在所有 VR 原型中，Mirror Lake 距离商业化仍然最远，如果其他显示技术被证明更有前途，则可能会被放弃。
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