Varjo是XR市場(chǎng)中擁有領(lǐng)先技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備供應(yīng)商，其將可變焦距攝像機(jī)直通系統(tǒng)帶入到虛擬和混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。在本篇文章中，Varjo的技術(shù)工程師維爾·蒂莫寧詳細(xì)介紹了這項(xiàng)在Varjo XR-4焦點(diǎn)版中投入應(yīng)用的技術(shù)。

對(duì)可變焦距光學(xué)系統(tǒng)的需求

目前所有其他XR頭盔顯示器都采用定焦光學(xué)系統(tǒng)視頻直通焦距，這意味著攝像機(jī)的焦距通常是不能改變的。人眼的可以分辨高達(dá)每度約60像素的細(xì)節(jié)（程序設(shè)計(jì)指示），但定焦光學(xué)的問(wèn)題為，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往只能達(dá)到30 PPD左右的分辨率極限。

造成這一情況的主要因素是需求平衡光線(xiàn)：一方面，鏡頭光圈需要足夠小以適應(yīng)景深（DoFf）來(lái)覆蓋目標(biāo)PPD下的整個(gè)工作范圍（例如從20厘米到無(wú)窮大）。另一方面，光圈又不能太小，因?yàn)閳D像處理器需要一定量的光到達(dá)傳感器才能產(chǎn)生無(wú)噪聲的高質(zhì)量圖像。我們需要非常接近衍射極限，因此縮小孔徑實(shí)際上會(huì)降低有效分辨率。另外曝光時(shí)間也不能太長(zhǎng)，因?yàn)閄R HMDs需要高速攝像機(jī)（至少90Hz），例如，在快節(jié)奏的訓(xùn)練場(chǎng)景中，曝光時(shí)間甚至必須降低到1/90s以下，以減少運(yùn)動(dòng)模糊量。

出于類(lèi)似的原因，手機(jī)早就從定焦相機(jī)過(guò)渡到了變焦相機(jī)。事實(shí)上，即使是人眼也在使用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)。而Varjo則是第一家將可變焦距攝像機(jī)直通系統(tǒng)推向XR市場(chǎng)的公司。

實(shí)現(xiàn)行業(yè)首創(chuàng)的凝視驅(qū)動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)

可變焦距和固定焦距相機(jī)的景深

可變焦距相機(jī)優(yōu)化了PPD和到達(dá)傳感器的光量，但犧牲了DoF，一次只能聚焦很小的距離范圍。現(xiàn)在問(wèn)題變成了:我們?nèi)绾卧谡_的距離上聚焦，以及如何足夠快地聚焦？

你可能熟悉手機(jī)的對(duì)焦方式:你在屏幕上點(diǎn)擊一個(gè)物體，相機(jī)會(huì)評(píng)估不同的對(duì)焦距離，并選擇提取該物體最高頻率的距離。這對(duì)于XR HMDs來(lái)說(shuō)還不夠好。

XR-4 Focal Edition具有精密校準(zhǔn)的光學(xué)元件、非常快速的對(duì)焦致動(dòng)器（從一端到另一端不到1毫秒）——但最重要的是，Varjo為此開(kāi)發(fā)出了一種模仿人眼的新型自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。

使用激光雷達(dá)和視線(xiàn)跟蹤確定焦距

Varjo開(kāi)發(fā)的新型自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的原理是追蹤用戶(hù)的凝視位置，頻率為200Hz，通過(guò)與Varjo先進(jìn)的激光雷達(dá)深度傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)比人眼更快地調(diào)整到正確的焦距。最終的結(jié)果是盡可能自然的實(shí)現(xiàn)人眼追蹤效果：無(wú)論您看向哪里，都會(huì)看到準(zhǔn)確對(duì)焦的圖像，且對(duì)焦速度非常之快，以至于您永遠(yuǎn)無(wú)法看到圖像發(fā)生變化的過(guò)程。就像沒(méi)有通過(guò)攝像頭觀(guān)看現(xiàn)實(shí)世界一樣。

Varjo的系統(tǒng)可以通過(guò)選擇與凝視會(huì)聚距離相關(guān)的凝視位置周?chē)募す饫走_(dá)深度樣本來(lái)消除對(duì)焦錯(cuò)誤，例如看著手指或在手指之間時(shí)。人們可能會(huì)擔(dān)心在注視點(diǎn)之外的物體可能沒(méi)有聚焦。人眼分辨率不會(huì)在視網(wǎng)膜中央凹外注意到這一點(diǎn)，由于XR-4 Focal Edition的光圈大約為人類(lèi)虹膜的大小，因此在模擬這一類(lèi)似情況時(shí)也會(huì)像人眼一樣工作以達(dá)到更加真實(shí)的觀(guān)看效果。

從30PPD到50PPD有什么區(qū)別

必須承認(rèn)，Varjo最初沒(méi)有意識(shí)到在視頻傳遞中達(dá)到人眼分辨率比在VR中更重要。事后看來(lái)，這是顯而易見(jiàn)的，但令人驚訝的是，在現(xiàn)實(shí)世界中，我們周?chē)膸缀跛袞|西都是根據(jù)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的分辨率設(shè)計(jì)的，無(wú)論是人們喜歡的雜志的字體大小，還是電腦顯示器的分辨率，又或者是鍵盤(pán)上字體的大小。

如果在XR中沒(méi)有達(dá)到人眼的分辨率，就會(huì)自然而然地迫使您把您正在看的東西向您的眼睛拉近。這在許多用例中是不可接受的，尤其是在高級(jí)培訓(xùn)中。由于用于訓(xùn)練地儀器已經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化，適合人類(lèi)視覺(jué)，因此您的頭部將不會(huì)經(jīng)常移動(dòng)。例如在虛擬現(xiàn)實(shí)中訓(xùn)練飛行員將不再需要受訓(xùn)者探出頭去閱讀儀器參數(shù)，因?yàn)樵趯?shí)際情況下你不會(huì)這么做。幸運(yùn)的是，Varjo XR-4 焦點(diǎn)版做到了，它使您能夠像用自己眼睛一樣看清世界!