頭戴式顯示器
關(guān)注創(chuàng)建者：技術(shù)鄰公告 創(chuàng)建時(shí)間：2023-06-06
頭戴式顯示器的實(shí)例教程
這篇文章說(shuō)明了如何在序列模式中，使用楔形棱鏡(wedge-shaped prism)和自由曲面建立頭戴式顯示器(HMD)。我們將以三個(gè)范例檔案演示不同階段的模型建立。(聯(lián)系我們獲取文章附件)
簡(jiǎn)介
在設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality, AR)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)時(shí)，我們會(huì)針對(duì)兩道光路進(jìn)行優(yōu)化：微顯示器的投影路徑以及供用戶看見(jiàn)外界的透視路徑。為了達(dá)到最佳的AR效果，光學(xué)設(shè)計(jì)者必須確保虛擬圖像和現(xiàn)實(shí)景物能正確結(jié)合。此技術(shù)可被廣泛應(yīng)用在軍事和醫(yī)療輔助等方面。
考慮到實(shí)際用途，設(shè)計(jì)者必須將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)精巧且非侵入式的裝置，同時(shí)具備大視角(FOV)和小f-number等優(yōu)點(diǎn)。這篇文章說(shuō)明如何使用楔形自由曲面棱鏡和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)建立上述的光學(xué)系統(tǒng)。
參考專(zhuān)利
本文的范例參考了專(zhuān)利Patent US 2014/0009845 A1的設(shè)計(jì)。
在范例檔案中，我們針對(duì)各表面大量的運(yùn)用了傾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意圖中，我們可以看到系統(tǒng)使用自由曲面棱鏡(FFS prism)和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens, 圖中黃色部分)這兩個(gè)光學(xué)組件改變?nèi)肷涔獾男羞M(jìn)方向。FFS的使用增加了設(shè)計(jì)的自由度，使系統(tǒng)可使用較少的光學(xué)組件達(dá)成目的，大幅減少裝置的重量。另一方面，膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)可有效修正畸變，改善透視影像的質(zhì)量。
下圖參考自專(zhuān)利并稍加修改。
設(shè)計(jì)方針
OST-HMD包含了兩個(gè)光學(xué)組件：1)楔形FFS棱鏡 和 2) 膠合輔助鏡頭。
展開(kāi) 這篇文章說(shuō)明了如何在序列模式中，使用楔形棱鏡(wedge-shaped prism)和自由曲面建立頭戴式顯示器(HMD)。我們將以三個(gè)范例檔案演示不同階段的模型建立。
簡(jiǎn)介
在設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality, AR)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)時(shí)，我們會(huì)針對(duì)兩道光路進(jìn)行優(yōu)化：微顯示器的投影路徑以及供用戶看見(jiàn)外界的透視路徑。為了達(dá)到最佳的AR效果，光學(xué)設(shè)計(jì)者必須確保虛擬圖像和現(xiàn)實(shí)景物能正確結(jié)合。此技術(shù)可被廣泛應(yīng)用在軍事和醫(yī)療輔助等方面。
考慮到實(shí)際用途，設(shè)計(jì)者必須將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)精巧且非侵入式的裝置，同時(shí)具備大視角(FOV)和小f-number等優(yōu)點(diǎn)。這篇文章說(shuō)明如何使用楔形自由曲面棱鏡和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens)建立上述的光學(xué)系統(tǒng)。
參考專(zhuān)利
本文的范例參考了專(zhuān)利Patent US 2014/0009845 A1的設(shè)計(jì)（https://patents.google.com/patent/US20140009845）。
在范例檔案中，我們針對(duì)各表面大量的運(yùn)用了傾斜(tilt)和偏心(decenter)技巧。在下方的示意圖中，我們可以看到系統(tǒng)使用自由曲面棱鏡(FFS prism)和膠合輔助鏡頭(cemented auxiliary lens, 圖中黃色部分)這兩個(gè)光學(xué)組件改變?nèi)肷涔獾男羞M(jìn)方向。FFS的使用增加了設(shè)計(jì)的自由度，使系統(tǒng)可使用較少的光學(xué)組件達(dá)成目的，大幅減少裝置的重量。
展開(kāi) 案例說(shuō)明
FFS（自由曲面）棱鏡-透鏡式頭戴顯示系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與混合現(xiàn)實(shí)（MR）設(shè)備中，例如智能頭戴設(shè)備、工業(yè)輔助裝配、醫(yī)學(xué)可視化以及仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)自由曲面棱鏡實(shí)現(xiàn)光路折疊、虛像投射和透視光路合成，具備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、光效率高以及出瞳較大等優(yōu)勢(shì)，特別適合集成式、輕量化的 AR-HMD 應(yīng)用。在本案例中，將通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)典型的自由曲面棱鏡-透鏡組合式光學(xué)透視頭戴顯示系統(tǒng)，演示在 VLU 中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，包括初始結(jié)構(gòu)生成，成像質(zhì)量分析，評(píng)價(jià)函數(shù)定義，優(yōu)化。
展開(kāi) 應(yīng)用場(chǎng)景
FFS（自由曲面）棱鏡-透鏡式頭戴顯示系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與混合現(xiàn)實(shí)（MR）設(shè)備中，例如智能頭戴設(shè)備、工業(yè)輔助裝配、醫(yī)學(xué)可視化以及仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)自由曲面棱鏡實(shí)現(xiàn)光路折疊、虛像投射和透視光路合成，具備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、光效率高以及出瞳較大等優(yōu)勢(shì)，特別適合集成式、輕量化的 AR-HMD 應(yīng)用。在本案例中，將通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)典型的自由曲面棱鏡-透鏡組合式光學(xué)透視頭戴顯示系統(tǒng)，演示在 VLU 中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，包括初始結(jié)構(gòu)生成，成像質(zhì)量分析，評(píng)價(jià)函數(shù)定義，優(yōu)化。
案例說(shuō)明
設(shè)計(jì)結(jié)果
設(shè)計(jì)結(jié)果如下，像質(zhì)，系統(tǒng)規(guī)格、額外系統(tǒng)限制以及加工要求均滿足預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。
優(yōu)化后系統(tǒng)的3D光線追跡視圖
初始系統(tǒng)生成
評(píng)價(jià)函數(shù)定義
根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格、額外系統(tǒng)限制以及像質(zhì)與加工要求，定義了各種與之對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)。
優(yōu)化
展開(kāi) 虛擬現(xiàn)實(shí)利用硬件：頭戴式顯示器、追蹤系統(tǒng)、圖形處理和軟件：Web應(yīng)用或本地應(yīng)用技術(shù)，讓用戶沉浸在一個(gè)虛擬的世界里。
通過(guò)將支持體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件與創(chuàng)建環(huán)境的軟件相結(jié)合，該技術(shù)使用戶能夠置身于虛擬世界中，進(jìn)行在現(xiàn)實(shí)世界中難以或無(wú)法完成的操作和體驗(yàn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)的類(lèi)型
虛擬現(xiàn)實(shí)通常有三種不同的類(lèi)型，包括非沉浸式、半沉浸式和全沉浸式。
非沉浸式VR，通常在計(jì)算機(jī)或手機(jī)屏幕上提供。這些體驗(yàn)被視為非沉浸式體驗(yàn)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)讓用戶沉浸在環(huán)境中，用戶仍然可以感知其物理環(huán)境。
半沉浸式VR，涉及到真實(shí)世界和虛擬世界的融合。對(duì)于這種類(lèi)型的VR，用戶操作時(shí)通常需佩戴頭戴式顯示器（HMD），也可以使用手動(dòng)控制器。 這種體驗(yàn)是半沉浸式而非全沉浸式，因?yàn)橛脩魧⒃隗w驗(yàn)虛擬創(chuàng)建的世界的同時(shí)，仍然會(huì)在一定程度上感知其物理環(huán)境。
例如，辦公室里的HMD向房間四周投影遙測(cè)屏幕。這就是真實(shí)辦公室物理環(huán)境和屏幕虛擬化影像的組合。
全沉浸式VR，使用戶置身于一個(gè)虛擬世界中，虛擬體驗(yàn)完全包裹他們的感官，讓他們完全專(zhuān)注于構(gòu)建而成的環(huán)境中。這種形式也需要HMD，但更側(cè)重于提供一個(gè)完全環(huán)繞的環(huán)境。有時(shí)，用戶還需要手套、緊身連衫褲和其它設(shè)備，以便他們的感官體驗(yàn)與所創(chuàng)建的虛擬世界保持一致。此外，一些場(chǎng)景還可以使用“洞穴式自動(dòng)虛擬環(huán)境”，簡(jiǎn)稱(chēng)為“CAVE”。即進(jìn)一步在一個(gè)房間內(nèi)使用3-6個(gè)壁面來(lái)投影環(huán)境。
虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了體驗(yàn)各種互動(dòng)的機(jī)會(huì)，而無(wú)需真正創(chuàng)建實(shí)體互動(dòng)，從而降低了成本。例如，實(shí)習(xí)外科醫(yī)生可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)了解如何給患者做手術(shù)，而避免了感染和受傷的風(fēng)險(xiǎn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)還有助于用戶體驗(yàn)難以通過(guò)其他方式體驗(yàn)的情境，例如，讓工程師通過(guò)虛擬展示看到飛行過(guò)程中飛機(jī)渦輪機(jī)工作時(shí)其內(nèi)部的情況。
虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：主要區(qū)別
有一項(xiàng)與VR類(lèi)似的技術(shù)，其被稱(chēng)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）。
展開(kāi) 
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虛擬數(shù)字人、全息顯示設(shè)備、多媒體互動(dòng)、沉浸式體驗(yàn)游戲及裝備、沉浸式數(shù)字影院、裸眼3D電視、3D-9D設(shè)備、多點(diǎn)觸摸設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AR游戲、頭戴式顯示器、混合現(xiàn)實(shí)（MR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）等。
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對(duì)于這種類(lèi)型的VR，用戶操作時(shí)通常需佩戴頭戴式顯示器（HMD），也可以使用手動(dòng)控制器。 這種體驗(yàn)是半沉浸式而非全沉浸式，因?yàn)橛脩魧⒃隗w驗(yàn)虛擬創(chuàng)建的世界的同時(shí)，仍然會(huì)在一定程度上感知其物理環(huán)境。
例如，辦公室里的HMD向房間四周投影遙測(cè)屏幕。這就是真實(shí)辦公室物理環(huán)境和屏幕虛擬化影像的組合。
Ansys | 什么是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）？2個(gè)月前
虛擬現(xiàn)實(shí)利用硬件（頭戴式顯示器、追蹤系統(tǒng)、圖形處理）和軟件（Web應(yīng)用或本地應(yīng)用）技術(shù)，讓用戶沉浸在一個(gè)虛擬的世界里。
通過(guò)將支持體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件與創(chuàng)建環(huán)境的軟件相結(jié)合，該技術(shù)使用戶能夠置身于虛擬世界中，進(jìn)行在現(xiàn)實(shí)世界中難以或無(wú)法完成的操作或體驗(yàn)。
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一期一會(huì) | 什么是抬頭顯示器（HUD）？2個(gè)月前
在臨床護(hù)理、教育培訓(xùn)、護(hù)理團(tuán)隊(duì)協(xié)作、甚至是AI指導(dǎo)的手術(shù)中，采用HUD技術(shù)的頭戴式顯示器和智能眼鏡為醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員提供了免手持操作的便利。
抬頭顯示器的類(lèi)型
多種不同類(lèi)型的抬頭顯示器，可滿足特定的用戶需求，無(wú)論是對(duì)于需要關(guān)注飛機(jī)交通的飛行員，還是需要留意咖啡桌邊緣的游戲玩家。環(huán)境、成本限制和用戶舒適度等諸多因素都會(huì)影響如何為應(yīng)用選擇合適的HUD類(lèi)型。
案例說(shuō)明
FFS（自由曲面）棱鏡-透鏡式頭戴顯示系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與混合現(xiàn)實(shí)（MR）設(shè)備中，例如智能頭戴設(shè)備、工業(yè)輔助裝配、醫(yī)學(xué)可視化以及仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)自由曲面棱鏡實(shí)現(xiàn)光路折疊、虛像投射和透視光路合成，具備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、光效率高以及出瞳較大等優(yōu)勢(shì)，特別適合集成式、輕量化的 AR-HMD 應(yīng)用。
應(yīng)用場(chǎng)景
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虛擬數(shù)字人、全息顯示設(shè)備、多媒體互動(dòng)、沉浸式體驗(yàn)游戲及裝備、沉浸式數(shù)字影院、裸眼3D電視、3D-9D設(shè)備、多點(diǎn)觸摸設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AR游戲、頭戴式顯示器、混合現(xiàn)實(shí)（MR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）等。
一期一會(huì) | 什么是電子產(chǎn)品熱管理？4個(gè)月前
同樣，手機(jī)、智能手表和VR頭戴式顯示器等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的低頻應(yīng)用（如電機(jī)、電源和無(wú)線充電）也會(huì)產(chǎn)生熱量。在電子產(chǎn)品熱管理解決方案仿真中，Ansys Maxwell?軟件可以對(duì)這些損耗進(jìn)行建模，并提供準(zhǔn)確的熱源值。
一旦通過(guò)仿真或測(cè)試完成組件及裝配體設(shè)計(jì)表征，就可以在系統(tǒng)層面將其表示為降階模型（ROM），并且可以在Ansys ModelCenter?軟件等工具中探索和優(yōu)化整個(gè)散熱系統(tǒng)。
