3D-skærme, der rummer det menneskelige øje

Har du nogensinde følt dig svimmel eller kvalme efter at have set en 3D-film eller brugt et virtual reality-headset? Hvis så, det er sandsynligvis fordi du ubevidst var i stand til at opdage de subtile forskelle mellem den virtuelle 3D-scene, der blev præsenteret for dig, og den virkelige verden.

Den hellige gral for 3D-skærme er at producere en scene, der for vores øjne, er ikke til at skelne fra virkeligheden. For at opnå dette, displayet ville være nødt til at bedrage alle de perceptuelle signaler, som det menneskelige visuelle system anvender for at fornemme verden. Vores øjne opfatter en bred vifte af farver, en lang række intensiteter, og talrige signaler til at opfatte dybde. Imellem disse, Det sværeste at bedrage er velsagtens evne til at opfatte dybden. Det viser sig, dette har enorme konsekvenser for 3D-tv, film, virtuelle og augmented reality-enheder.

Vores øjne opfatter dybde ved hjælp af to dominerende signaler. Den første cue kaldes vergens, hvor øjnene roterer for at bringe det samme objekt ind i midten af ​​feltet på begge øjne; når genstanden er i nærheden (sig tæt på din næse), øjnene roterer meget for at fiksere det, og når det er langt væk, de roterer mindre. Dette er et stærkt signal til at opfatte dybde. Den anden cue kaldes indkvartering, hvor øjet ændrer øjelinsens brændvidde for at bringe et objekt i fokus. Meget som et kamera, et objekt fremstår kun skarpt, når øjet er fokuseret på det. Vergens og indkvartering driver hinanden, dvs. når øjnene fikserer på en genstand ved hjælp af vergens, akkommodationssignalerne sikrer, at objektet kommer i fokus. Uden denne tætte kobling mellem vergens og indkvartering, vi ville ikke være i stand til at se verden i al dens skarphed og ville heller ikke være i stand til at opfatte dybden.

Forskere ved Carnegie Mellon University (CMU) har udviklet en ny teknologi, der muliggør naturlige indlogeringssignaler i 3D-skærme. Teknologien fungerer ved at generere mange virtuelle skærme placeret i forskellige dybder. Dybderne er spredt tæt nok til, at vi ikke kan skelne det fra den virkelige verden, i hvert fald med hensyn til dybdeopfattelse. Denne idé om at placere lag af skærme i forskellige dybder er ikke ny; imidlertid, teknologien foreslået af CMU-forskere kan generere en størrelsesorden flere skærme end eksisterende metoder, derved giver en hidtil uset fordybelse. Figur 1 sammenligner en typisk VR-skærm med den foreslåede skærm. Som kan ses, den foreslåede skærm ændrer den linse, der bruges i typiske VR-skærme, til en, der kan ændre dens brændvidde. Ved at ændre brændvidden ved en høj frekvens, sporing, og koordinere denne ændring med en hurtig visning, den foreslåede skærm overvinder de begrænsninger, som de fleste eksisterende skærme står over for.

En fordel ved at bruge den foreslåede displayteknologi kan ses fra figur 2. Scenen vist på figuren indeholder objekter over et bredt dybdeområde. For eksempel, månen er i det uendelige, skyerne er miles væk, træerne er meter væk, og huset er centimeter væk fra os. Vi fangede scenen set af et kamera fokuseret i forskellige dybder – efterlignede ændringen af ​​vores øjes fokus – og skabte en video ud fra disse billeder. Bemærk, at kameraet er fuldstændig uafhængigt af skærmen, hvilket betyder, at displayet ikke ved, hvor kameraet er, eller hvor vores øje kigger på. Som det kan ses af videoen, displayet genererer naturligt fokus og ufokuserede signaler, dvs. et objekt bliver skarpt, når det er fokuseret, og sløret, når kameraets fokus flyttes væk. Det betyder, at displayet genererer akkommodationssignalet.

Virtual og augmented reality-enheder vil drage betydelig fordel af dette arbejde. Nutidens enheder producerer fordybelse ved kun at tilfredsstille vergens-cue og, for det meste, ignorerer boligsignaler. Dette har konsekvenser for brugeroplevelsen, fører til ubehag og træthed efter lang tids brug. Arbejdet fra CMU viser, at ikke-matchende akkommodationssignaler også reducerer opløsningen på skærmen på grund af uskarphed. I denne forstand, teknologien udviklet på CMU er meget aktuel og kan bane vejen for en meget mere fordybende AR/VR-oplevelse.

Denne artikel beskriver arbejde offentliggjort og præsenteret på SIGGRAPH Asia-konferencen i december 2018.

National Science Foundation støttede forskningen under et Faculty Early Career Development (CAREER)-program.