3.2.1　图像显示原理

图像显示原理依靠头戴式设备，其核心是头戴式设备屏幕，包含两大基本元素：光学（optics）和图像显示（image display）。

1.光学

人的两只眼睛都能看到的图像的总角度称作视场（Field of View，FoV），人类的水平双目视场为200度，双目重叠占到了120度。双目重叠对立体视觉的建立非常重要。与水平视场不同，垂直视场约为130度，如图3.6所示。

图3.6　人的水平和垂直视场

瞳孔间距（Inter-Pupillary Distance，IPD）就是瞳孔之间的距离，与种族、性别、年龄有关。不合适的IPD可能会使得晶状体产生畸变，或导致眼睛疲劳和头痛。儿童的最小IPD大约是40毫米，而成人IPD的平均值约为63毫米。如图3.7所示，人类的每只眼睛通过合并两个独立的视角来获得景深以及浸入式的感觉，但需要大脑为图像成形消耗大量的计算能力。

图3.7　使用不同设备时的沉浸感效果

眼睛中的光学设备主要解决三个问题：首先，对视野的内容进行瞄准，使它呈现出更大的距离；其次，对视野的内容进行放大，方便用户观看；最后，光的折射传递到用户视野中。

光学设计系统分为两种结构，或者说是增强现实或者虚拟现实的基础架构，分别为直视型结构（pupil forming）以及非直视型结构（non-pupil forming），这两个结构的观察效果如图3.8所示。单独的镜片通过组合形成了非直视型结构，经过设计，通过放大镜直接投射到显示屏上。在进行光的渲染时，会有一个明显的缺点：枕形失真（pincushion distortion）[1]。而在直视型结构下，单个镜片产生枕形失真后，第二个镜片会产生桶形失真（barrel distortion）[2]，从而抵消了第一个镜头产生的畸变，最后得到一个更为真实和清晰的图像。这种设计被广泛应用在那些并不需要高度沉浸感的设备中，比如Hololens和Google Glass。

图3.8　在非直视型结构和直视型结构中的观察效果

光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，光线偏离直线路径而绕到障碍物后面传播的现象称为光的衍射。光栅越细，分辨率越高。衍射图像在光路上传播，然后通过衍射光栅还原图像，实现高质量的图像传输。

光波导是一种引导光波传播的介质器件，也称为介质光波导。它通过光的全反射原理，实现光在光路中的低损耗传输。光波导应用占用空间小，有利于AR眼镜的薄型化，但由于其制作复杂，成本高，并且不同颜色的光的折射率不同会产生彩虹效果，因此光学设计难度大。波导是一种物理光学结构设计，可以使光线曲折进入人的眼睛，被用于内部的反射以及光线进出的控制。工业上有四种波导结构设计，分别是全息波导（holographic waveguide）、衍射波导（diffractive waveguide）、偏振波导（polarized waveguide）与反射波导（reflective waveguide）。全息波导是光学元件中一种相当简单的波导类型，例如用于通过一系列内部反射进行耦合和外耦合，其工作原理如图3.9所示。

图3.9　全息波导的工作原理

2.图像显示

目前的显示技术有三种类型：全沉浸式、光学透视型与视频透视型。这三种类型的演示图如图3.10所示。

图3.10　全沉浸式、光学透视型与视频透视型的演示图

全沉浸式显示器与传感器结合在一起，完全挡住了用户视野。在“光学透视眼镜”中，用户可以直接通过光学元件查看现实。Hololens和Google Project Glass是最近通过智能眼镜进行光学透视的例子。借助视频透视型智能眼镜，用户可以观看由摄像头捕获的图像，将这些相机视图与计算机生成的图像结合起来，可提升用户观感。

图像显示技术发展非常迅猛，目前有四大显示技术：液晶显示器（LCD）、发光二极管（OLED）、数字光处理（DLP）与LCoS，而LCoS又称为LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术。

（1）液晶显示器

LCD在高清电视中很常见，它由包含液晶分子的单元阵列组成，该单元夹在两个偏振片之间。这种装置安置于数百万个晶体管的薄玻璃基板之间。单个RGB液晶单元称为子像素，三个子像素形成一个像素。对于彩色LCD，将包含红色、绿色和蓝色滤光片的附加基板，放置在该基板的每个单元上方。LCD的结构如图3.11所示。

图3.11　LCD结构图

电流流过玻璃材料，改变电流可以使LCD调节光的通过以产生精确的颜色。如果所有子像素都完全打开，则会产生白光。由于液晶单元本身不发光，因此需要通过背光来实现。液晶单元只能改变光的通过以产生所需的颜色并随后产生图像。

（2）发光二极管

OLED基于有机（碳和氢键结合）材料，通过载流子的注入和复合而致发光，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子，最终产生可见光。

相比于LCD，OLED由于不需要外部背光，因此结构相对简单，可以做得非常薄。不仅如此，设备功耗大大降低，屏幕图像刷新速度更快，具有更高的对比度和更加出色的色彩还原，分辨率更高。大多数完全浸入式头戴式显示器都使用此技术。

（3）数字光处理

德州仪器最早开发了微型显示器DLP芯片。该显示器由大约200万个单独控制的微镜组成，每个微镜显示单个像素。每个微镜的尺寸约为5.4微米。RGB光在微镜上反射，由于微镜的特性，一秒内可以在任意方向上进行数千次重定向，因此视网膜上可以根据LED灯颜色的改变而产生不同的阴影。

DLP微型显示器是现有最快的显示技术之一。超快的颜色刷新速度、低延迟、低功耗和极高的分辨率使其成为构建头戴式显示器的不二选择。

（4）LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术

LCoS介于LCD和DLP显示器之间。不同于LCD的透射技术，DLP是一种反射技术，其中各个子像素通过微镜反射。光源通过反射表面时，会通过一系列子滤镜来调制光强度和颜色。与DLP显示器类似，由于其小尺寸，在与小型设备集成时具有相当大的灵活性。Magic Leap One就使用了此技术。目前正在开发的显示技术要求极高的分辨率，平板的头戴式显示器可能已成为AR设备的历史。

透过屏幕，用户才能观察到五彩缤纷的虚拟世界，如果说显示技术是基石，那么数据可视化是助推器，它将多个维度、层次、空间的数据更加简单地传递到用户的视野，极大地丰富了用户体验。

[1] 枕形失真：由镜头引起的向画面中心收缩的现象。

[2] 桶形失真：由镜头引起的向画面四周膨胀的现象。