Kredit:Carnegie Mellon University
Har du någonsin känt dig yr eller illamående efter att ha sett en 3D-film eller använt ett virtual reality-headset? Om så är fallet, det beror förmodligen på att du undermedvetet kunde upptäcka de subtila skillnaderna mellan den virtuella 3D-scenen som presenterades för dig och den verkliga världen.
Den heliga gralen för 3D-skärmar är att producera en scen som, för våra ögon, är omöjlig att skilja från verkligheten. För att uppnå detta, displayen skulle behöva lura alla perceptuella signaler som det mänskliga visuella systemet använder för att känna av världen. Våra ögon uppfattar ett brett spektrum av färger, ett stort utbud av intensiteter, och många ledtrådar för att uppfatta djup. Bland dessa, det svåraste att lura är förmodligen djupuppfattningsförmågan. Som det visar sig, detta har enorma konsekvenser för 3D-TV, filmer, virtuella och förstärkta verklighetsenheter.
Våra ögon uppfattar djupet med hjälp av två dominerande signaler. Den första signalen kallas vergens, där ögonen roterar för att föra samma föremål in i mitten av fältet på båda ögonen; när föremålet är nära (säg nära din näsa), ögonen roterar mycket för att fästa vid den och när den är långt borta, de roterar mindre. Detta är en stark signal för att uppfatta djup. Den andra signalen kallas boende, där ögat ändrar brännvidden på ögonlinsen för att få ett objekt i fokus. Ungefär som en kamera, ett föremål ser skarpt ut endast när ögat är fokuserat på det. Vergens och boende driver varandra, dvs. när ögonen fixerar sig på ett föremål med hjälp av vergens, ackommodationssignalerna säkerställer att objektet kommer i fokus. Utan denna täta koppling mellan vergens och boende, vi skulle inte kunna se världen i all dess skärpa och inte heller kunna uppfatta djupet.
Figur 1:Jämförelse av en typisk VR-skärm med den VR-skärm som föreslagits av CMU-forskare. Kredit:Carnegie Mellon University
Forskare vid Carnegie Mellon University (CMU) har konstruerat en ny teknik för att möjliggöra naturliga inkvarteringssignaler i 3D-skärmar. Tekniken fungerar genom att generera många virtuella skärmar placerade på olika djup. Djupet är så pass tätt att vi inte kan skilja det från den verkliga världen, åtminstone när det gäller djupuppfattning. Denna idé att placera lager av displayer på olika djup är inte ny; dock, tekniken som föreslås av CMU-forskare kan generera en storleksordning fler skärmar än befintliga metoder, vilket ger en oöverträffad nedsänkning. Figur 1 jämför en typisk VR-display med den föreslagna displayen. Som man kan se, den föreslagna displayen ändrar linsen som används i typiska VR-skärmar till en som kan ändra dess brännvidd. Genom att ändra brännvidden vid en hög frekvens, spårning, och koordinera den förändringen med en snabb visning, den föreslagna displayen övervinner de begränsningar som de flesta befintliga displayer möter.
Figur 2:Den virtuella scenen och foton tagna av en kamera som ändrar fokus. Observera att kameran är oberoende av skärmen. Kredit:Carnegie Mellon University
En fördel med att använda den föreslagna displaytekniken kan ses från figur 2. Scenen som visas i figuren innehåller föremål över ett brett djupområde. Till exempel, månen är i oändligheten, molnen är mil bort, träden är meter bort, och huset är centimeter ifrån oss. Vi fångade scenen som ses av en kamera fokuserad på olika djup – efterliknade förändringen av vårt ögas fokus – och skapade en video från dessa bilder. Observera att kameran är helt oberoende av skärmen, vilket innebär att displayen inte vet var kameran är eller vart vårt öga tittar på. Som framgår av videon, displayen genererar naturligt fokus och oskärpa signaler, dvs. ett föremål blir skarpt när det är fokuserat och suddigt när kamerans fokus flyttas bort. Det betyder att displayen genererar ackommoderingssignalen.
Virtual och augmented reality-enheter kommer att dra stor nytta av detta arbete. Dagens enheter producerar nedsänkning genom att bara tillfredsställa vergenssignalen och, för det mesta, ignorerar inkvarteringssignaler. Detta får konsekvenser för användarupplevelsen, leder till obehag och trötthet efter lång användning. Arbetet från CMU visar att inte matchande ackommodationssignaler också minskar upplösningen på skärmen på grund av oskärpa. I det här sammanhanget, Tekniken som utvecklats på CMU är mycket läglig och kan bana väg för en mycket mer uppslukande AR/VR-upplevelse.
Den här artikeln beskriver arbete som publicerades och presenterades på SIGGRAPH Asia-konferensen i december 2018.
National Science Foundation stödde forskningen under Faculty Early Career Development (CAREER) Program.
