隨著計(jì)算走向真正的3D，空間計(jì)算有望改變我們與設(shè)備交互的方式，變革的早期跡象已經(jīng)開(kāi)始。雖然蘋果推出的Vision Pro為這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的興奮，但Meta，索尼和Pico等公司以游戲?yàn)橹攸c(diǎn)的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）耳機(jī)已售出數(shù)百萬(wàn)臺(tái)，而Vuzix，Microsoft等公司的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）眼鏡在工業(yè)中占有重要地位。
2023 年的事件使 IDTechEx 確定了它預(yù)計(jì)在未來(lái)十年 XR 市場(chǎng)中將展開(kāi)的兩個(gè)重要敘述：虛擬現(xiàn)實(shí)的影響將擴(kuò)大，因?yàn)樗杏X(jué)更接近“真實(shí)現(xiàn)實(shí)”，而參與 XR 的大型科技公司的最終目標(biāo)是標(biāo)志著他們?cè)谥荚谌〈悄苁謾C(jī)的 AR 設(shè)備的未來(lái)市場(chǎng)中的地位。
01 讓 VR 更具沉浸感
2023 年 8 月，Meta 展示了其最新的 Butterscotch 原型 VR 頭顯。這展示了阻礙VR感覺(jué)真實(shí)的幾個(gè)問(wèn)題的解決方案，讓我們得以一窺這些設(shè)備在本世紀(jì)末可能提供的體驗(yàn)以及這樣做所需的硬件。Meta 在解決這些問(wèn)題方面并不是獨(dú)一無(wú)二的，但原型在將解決方案結(jié)合到一臺(tái)設(shè)備中是獨(dú)一無(wú)二的。
問(wèn)題 1：像素需要消失
Butterscotch的顯示系統(tǒng)接近視網(wǎng)膜分辨率，這是大多數(shù)人的眼睛無(wú)法區(qū)分單個(gè)像素的像素密度。這減少了用戶正在看屏幕的感知，消除了可見(jiàn)像素網(wǎng)格的“紗門效應(yīng)”。Butterscotch 在用戶的視野 （FoV） 中管理每度 56 像素 （PPD），接近通常建議的 60PPD 啟發(fā)式，但缺點(diǎn)是與大多數(shù)其他 VR 頭顯相比，F(xiàn)oV 大約減半。
生產(chǎn)就緒的系統(tǒng)需要更高的視野，但這需要令人難以置信的高分辨率屏幕和大量的計(jì)算需求。芬蘭專業(yè)市場(chǎng)VR專家Varjo的XR-3頭顯采用了一種解決方案，即在視覺(jué)中心使用更高分辨率的中央凹微型顯示器，眼睛可以解析最多的細(xì)節(jié)，而在視野的其余部分使用較低分辨率的顯示器。雖然這使 Varjo 的圖像質(zhì)量有別于市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品，但代價(jià)是增加了重量、復(fù)雜性和成本。
Varjo 的耳機(jī)價(jià)格處于市場(chǎng)的最高端，但隨著技術(shù)的成熟，這種方法可能會(huì)在未來(lái)十年內(nèi)逐漸消失。更簡(jiǎn)單的方法可能是在VR中轉(zhuǎn)向更大但更高像素密度的微顯示技術(shù)，在軟件級(jí)別進(jìn)行注視點(diǎn)渲染，節(jié)省計(jì)算能力，但不會(huì)節(jié)省顯示所需的像素?cái)?shù)量。IDTechEx 報(bào)告概述了對(duì)當(dāng)今相機(jī)取景器中更常用的 OLED 硅顯示器的期望，將取代當(dāng)今使用的 LCD，成為 2030 年代流行的 VR 顯示技術(shù)，包括京東方在內(nèi)的公司發(fā)布的 VR 專用 OLED 硅基 OLED 已經(jīng)在 2023 年為此奠定了基礎(chǔ)。
問(wèn)題 2：3D 顯示系統(tǒng)擾亂了我們的頭腦
Butterscotch 還可以糾正會(huì)聚-調(diào)節(jié)沖突：雙目立體顯示系統(tǒng)的固定焦距（調(diào)節(jié)）距離與它通過(guò)視差模擬的物體與觀看者的不同距離（收斂）之間的不匹配。這種沖突會(huì)增加X(jué)R頭顯用戶感到的暈動(dòng)病問(wèn)題，并降低沉浸感，因?yàn)檠劬θ鄙僦匾纳疃纫曈X(jué)線索。Butterscotch 通過(guò)使用紅外攝像頭跟蹤眼睛的視線位置、調(diào)整場(chǎng)景渲染以及最重要的是調(diào)整動(dòng)態(tài)可調(diào)鏡頭以聚焦頭戴式設(shè)備的顯示屏以匹配會(huì)聚和調(diào)節(jié)距離來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
Butterscotch 中使用的鏡頭通過(guò)電機(jī)物理移動(dòng)以改變焦距，但 Meta 還展示了可用于相同目的的幾何相位透鏡陣列。這些透鏡根據(jù)圓偏振輸入光的手性從正屈光度切換到負(fù)屈光度：將這些透鏡與可切換的波片堆疊在一起，可以產(chǎn)生一個(gè)極其緊湊、動(dòng)態(tài)可調(diào)焦距的透鏡，沒(méi)有移動(dòng)部件，延遲接近零。盡管圖像質(zhì)量問(wèn)題仍然存在，但 Meta 似乎更有可能在商用頭顯中采用這種方法。IDTechEx 的報(bào)告預(yù)測(cè)，這些鏡頭將成為 VR 市場(chǎng)極其重要的技術(shù)，商業(yè)引入可能會(huì)在 2020 年代末進(jìn)行。值得注意的是，包括 Valve 和蘋果在內(nèi)的其他參與者已經(jīng)通過(guò)專利和投資證明了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣，因此 Meta 并不是唯一一家在這一領(lǐng)域工作的巨頭。
02 2034 年 VR 設(shè)備的形態(tài)
可能需要與Butterscotch類似的功能組合，其中還包括進(jìn)一步的創(chuàng)新，包括基于頭顯眼動(dòng)追蹤功能的動(dòng)態(tài)失真校正，以提高VR的沉浸感和舒適度。隨著人們對(duì)使用VR頭戴式設(shè)備替代當(dāng)今工作站的興趣日益濃厚，這一點(diǎn)尤其如此，因?yàn)樵陂L(zhǎng)時(shí)間處理文本時(shí)，這些因素非常重要。這為擴(kuò)大VR設(shè)備的實(shí)用性提供了一個(gè)真正的機(jī)會(huì)，更不用說(shuō)它們的市場(chǎng)規(guī)模了，但要做到這一點(diǎn)是一場(chǎng)艱苦的斗爭(zhēng)。僅在 2023 年上半年，Meta 就在其專注于空間計(jì)算的 Reality Labs 部門上花費(fèi)了 77 億美元——當(dāng)然，并非所有這些都花在了 VR 硬件開(kāi)發(fā)上，但它仍然表明了使 XR 設(shè)備有效替代當(dāng)今計(jì)算系統(tǒng)所需的研發(fā)工作規(guī)模。
03 大型科技公司正在為 AR 奠定基礎(chǔ)
雖然 Meta 很早就確立了自己作為 XR 硬件玩家的地位，但 2023 年是蘋果終于在這里邁出了期待已久的第一步，宣布了 Vision Pro。這款頭顯被 IDTechEx 歸類為專注于 MR 直通的 VR 頭顯，是一款令人印象深刻的設(shè)備，但它可能只是蘋果空間計(jì)算游戲的開(kāi)始。對(duì)于XR市場(chǎng)的大型科技公司來(lái)說(shuō)，最終的獎(jiǎng)勵(lì)可能是建立透明的AR設(shè)備作為智能手機(jī)的最終替代品，直通MR，其中VR頭盔上的攝像頭將現(xiàn)實(shí)世界的視圖傳遞給用戶，在這條道路上提供了一個(gè)有用的墊腳石。
多年來(lái)，大型科技公司一直在投資通過(guò)智能手機(jī)交付的AR軟件內(nèi)容：谷歌的ARCore和蘋果的ARKit在降低開(kāi)發(fā)障礙方面具有很大的影響力，亞馬遜在2017年利用后者開(kāi)發(fā)了其最早的AR電子商務(wù)項(xiàng)目。智能手機(jī)是大多數(shù)公眾可能體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的唯一途徑，但隨著軟件和內(nèi)容庫(kù)的更廣泛使用，構(gòu)建軟件和內(nèi)容庫(kù)現(xiàn)在提供了一個(gè)擴(kuò)展到專用 AR/MR 設(shè)備的機(jī)會(huì)。
直通MR作為墊腳石技術(shù)
在 2023 年，即使是成本更低的 VR 設(shè)備也通常會(huì)包含直通 MR 功能，這開(kāi)始使更身臨其境的 AR/MR 體驗(yàn)民主化：例如，Pico 4 包括彩色直通功能，以幫助用戶在房間內(nèi)定位自己。這款頭顯的售價(jià)為 429 歐元，是 Meta 的 Quest 2 的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手：值得注意的是，Pico 歸 TikTok 的母公司字節(jié)跳動(dòng)所有?？磥?lái)，中國(guó)科技巨頭與美國(guó)同行一樣，對(duì)將自己打造成XR玩家的興趣不亞于此。IDTechEx 的報(bào)告概述了這里的參與者采取的不同方法，同時(shí)全面概述了 XR 市場(chǎng)。
直通式 MR 提供了一種商業(yè)上就緒的方式來(lái)提供迷人的 MR 體驗(yàn)，但社會(huì)接受度是一個(gè)重大問(wèn)題，因?yàn)榧词故亲罹o湊、最優(yōu)雅的 VR 設(shè)備也總是會(huì)隱藏顯示器后面的眼睛。Vision Pro使用朝外的顯示屏來(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)題，但即使是該系統(tǒng)最精致的實(shí)現(xiàn)，充其量也可能感覺(jué)像是頭戴式設(shè)備佩戴者的重大障礙。另一個(gè)重要的問(wèn)題是，這些設(shè)備是致命的，因此在駕駛、行走、工業(yè)環(huán)境等時(shí)不能佩戴，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)問(wèn)題，它們實(shí)際上是眼罩。Seethrough AR沒(méi)有這些問(wèn)題，它有可能取代智能手機(jī)，成為全天可穿戴的計(jì)算接入點(diǎn)。然而，到目前為止，這種方法已被證明很難做到正確，即使對(duì)于像Microsoft這樣的大公司也是如此。這些眼鏡應(yīng)該讓眼睛睜開(kāi)眼睛看到現(xiàn)實(shí)世界：用于將圖像投射到眼睛同時(shí)保持視野清晰的關(guān)鍵組件，即所謂的光學(xué)組合器，可以說(shuō)是 AR 成功的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。
光學(xué)器件是AR發(fā)展的最大障礙
波導(dǎo)合路器通常看起來(lái)像是首選的合路器解決方案，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┫鄬?duì)寬的視場(chǎng)，同時(shí)看起來(lái)像普通的眼鏡片，已被證明是一種具有挑戰(zhàn)性的合路器技術(shù)?？萍己蜕缃幻襟w公司都對(duì)這一領(lǐng)域感興趣，蘋果、Microsoft和Snap都收購(gòu)了對(duì)波導(dǎo)設(shè)計(jì)感興趣的公司。一個(gè)主要問(wèn)題是許多設(shè)計(jì)缺乏光學(xué)效率（從顯示器進(jìn)入的流明，對(duì)顯示器亮度的要求越來(lái)越高，因此對(duì)電池容量和熱管理的要求越來(lái)越高：解決這個(gè)問(wèn)題將使緊湊的全天可穿戴AR設(shè)備更加可行。
與當(dāng)今占主導(dǎo)地位的衍射波導(dǎo)相比，使用更高效的反射波導(dǎo)可能會(huì)增加使用，這是一種解決方案，但衍射波導(dǎo)制造商反駁說(shuō)，反射波導(dǎo)的可制造性較差。解決這個(gè)（極具爭(zhēng)議的）可制造性問(wèn)題的方法可能是轉(zhuǎn)向模制塑料反射波導(dǎo)。與玻璃基板相比，這具有更好的機(jī)械性能，適合近眼使用，但缺點(diǎn)是限制了 FoV，因?yàn)檫@取決于波導(dǎo)材料的折射率，而聚合物在這方面不如玻璃。
04 2034 年 AR 的前景
波導(dǎo)只是對(duì)AR設(shè)備感興趣的大型科技公司關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域之一，更不用說(shuō)無(wú)數(shù)較小的公司了。挑戰(zhàn)仍然很大，但最終的回報(bào)可能是巨大的：AR設(shè)備提供了迄今為止最無(wú)縫地訪問(wèn)數(shù)字內(nèi)容的潛力，為這些內(nèi)容的看門人提供了更多的時(shí)間在我們眼前。到2034年，我們大多數(shù)人似乎不太可能戴上AR眼鏡而不是攜帶智能手機(jī)，但到那時(shí)，早期采用者可能會(huì)開(kāi)始做出改變。
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