將新世界變成現(xiàn)實(shí)不僅需要先進(jìn)的軟件，這同時(shí)是一次與物理定律的較量。對(duì)于Leap Motion的北極星頭顯而言，其有可能是對(duì)AR未來(lái)交互的一睹。這同時(shí)是一次艱巨的工程挑戰(zhàn)，因?yàn)閷捯晥?chǎng)顯示器和光學(xué)元件需要全新的校準(zhǔn)與扭曲系統(tǒng)。Leap Motion的Johnathon Selstad日前就這一問(wèn)題介紹了北極星頭顯的校準(zhǔn)系統(tǒng)，以下是映維網(wǎng)的具體整理：

簡(jiǎn)單介紹：北極星頭顯兩側(cè)都設(shè)有兩個(gè)屏幕，其面向用戶(hù)前方的反射器。顧名思義，反射器反射來(lái)自屏幕的光線，并將其反射至用戶(hù)眼睛。

不難想象，這需要高精度的校準(zhǔn)和對(duì)齊，尤其是AR。在VR中，大腦通常會(huì)“粉飾”時(shí)間和空間的不匹配，因?yàn)槲覀儧](méi)有任何視覺(jué)上的參照物可以進(jìn)行對(duì)比。但對(duì)于AR，我們可以同時(shí)看到虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界，而這意味著系統(tǒng)需要精確對(duì)準(zhǔn)兩者。

北極星頭顯在精度和性能方面設(shè)置了更高的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠湟晥?chǎng)大于任何先前的AR頭顯。最重要的是，設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了立體發(fā)散的離軸失真，而這無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的徑向多項(xiàng)式進(jìn)行精確建模。

Leap Motion是如何達(dá)到這一高標(biāo)準(zhǔn)的呢？?jī)H通過(guò)能夠忠實(shí)表示光學(xué)系統(tǒng)的物理幾何形狀的扭曲模型。模擬光學(xué)系統(tǒng)的最佳方法是利用光追（光線追蹤），亦即追蹤從光源→光學(xué)系統(tǒng)→眼睛的光線路徑。光追可以模擬來(lái)自顯示器的給定光線是于何處進(jìn)入眼睛，因此我們可以精確地映射眼睛和屏幕之間的扭曲。

但這樣做的前提是，我們首先需要光學(xué)系統(tǒng)的幾何形狀。今天的小型原型制作技術(shù)具備較高的性?xún)r(jià)比，但代價(jià)是機(jī)械公差較差（相對(duì)于近眼光學(xué)系統(tǒng)的要求）。對(duì)于北極星的開(kāi)發(fā)，我們需要一種方法來(lái)測(cè)量這些機(jī)械偏差，從而創(chuàng)建有效的扭曲映射。

了解光學(xué)系統(tǒng)的最佳方法之一是：用雙眼進(jìn)行親身感受。通過(guò)比較看到的視圖與現(xiàn)實(shí)世界的參考，我們可以測(cè)量系統(tǒng)中組件的總偏差。借助所謂的“數(shù)值優(yōu)化器”算法，我們可以求解光學(xué)元件的配置，從而最大限度地減少真實(shí)世界參考和虛擬圖像之間的扭曲差值。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)完全可以在相同的基礎(chǔ)3D環(huán)境中構(gòu)建校準(zhǔn)系統(tǒng)，處理光追和3D渲染。我們首先在頭顯內(nèi)設(shè)置了一個(gè)較新的64mm模塊，并將其指向一塊大大的平板液晶顯示器。顯示器上的圖案使得我們可以相對(duì)于頭顯裝置對(duì)其位置與方向進(jìn)行三角測(cè)量。

接下來(lái)，我們就可以在頭顯渲染一個(gè)倒置的虛擬顯示器，同時(shí)其位置與真實(shí)世界顯示器相同。如果兩個(gè)版本的顯示器完美匹配，它們會(huì)相加抵消并變成同一的白色。以“完美白色”作為參照，模塊現(xiàn)在可以測(cè)量其中的偏差。

這種“一次性”光度計(jì)成本指標(biāo)允許我們進(jìn)行快速評(píng)估，從而在循環(huán)中運(yùn)行無(wú)梯度單面Nelder-Mead優(yōu)化器。盡管這聽(tīng)起來(lái)效率低下，但實(shí)際上它可以幫助我們以非常高的精度往正確的配置靠攏。

這可能是故事結(jié)束的地方，但有兩種微妙的情況可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化器得出錯(cuò)誤的結(jié)論。第一種局部極小值的情況在實(shí)踐中很少出現(xiàn)。第二種情況則與這樣一個(gè)事實(shí)有關(guān)：當(dāng)從單個(gè)視角觀察時(shí)，多個(gè)光學(xué)配置可以產(chǎn)生相同的幾何扭曲。解決方案是，同時(shí)從兩個(gè)攝像頭拍攝每只眼睛的光學(xué)元件。這允許我們?yōu)槊總€(gè)可以從任何角度進(jìn)行光線追蹤的頭顯帶來(lái)一個(gè)真正精確的光學(xué)系統(tǒng)。

在靜態(tài)光學(xué)系統(tǒng)中，通常不值得為每個(gè)頭顯光學(xué)模型確定扭曲校正。但近眼顯示器并非靜態(tài)，眼睛位置因很多原因而發(fā)生改變，如不同的IPD，不同的頭顯人體工程學(xué)，甚至是設(shè)備在頭部的逐漸移位。任何一個(gè)因素都會(huì)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的沉浸感帶來(lái)影響。

幸運(yùn)的是，通過(guò)結(jié)合光追模型與眼動(dòng)追蹤，我們可以在零成本的情況下實(shí)時(shí)補(bǔ)償這種不一致性。

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來(lái)源：映維網(wǎng)