科技前沿-人眼对增强现实空间的理解

本文翻译记录相关知识以供笔者学习，更多内容请移步原文。

从工程的角度来看，我们的眼睛是精密的光学传感器，它的结构长期以来一直被用作设计相机的蓝图。光通过一系列光学元件进入。折射和聚焦发生在这里。光圈控制通过光圈的光量。随后的光图案落在一个图像平面上，电信号从该图像平面发送到大脑。然后将这些信号解码为图像。虽然眼睛的功能本身是一个有趣的话题，但为了简单起见，我冒昧地省略了眼睛的大部分工作原理。但我相信你明白了一般的想法。更有趣和相关的是这种惊人的有机光学传感器能够为人类带来什么。

可见光谱

人类的视觉因光而存在。光是电磁辐射的一种形式，是人类视觉的关键刺激。这种辐射以波的形式穿过空间，能够刺激视网膜产生视觉感。电磁辐射是根据它的波长分类的，波长是两个波峰之间的距离。虽然整个电磁波谱包括无线电波、红外线、X 射线和其他波类型，但人眼仅对 380-740 纳米之间的窄带敏感*。这被称为可见光谱。
*1 纳米 = 1 米的十亿分之一。


超人的 X 射线视觉超人的想法是增强人类的想法。X 射线视觉是他的能力之一。这只不过是一种简单的说法，他的视网膜对更广泛的电磁波敏感（抱歉破坏了这个想法的浪漫）。如果增强现实设备能够让我们看到更广谱的电磁辐射，它将让我们离成为超级人更近一步。

人眼的基本特性

视野 (FOV)

它被定义为双眼可见的图像的总角度大小。平均而言，水平双目 FOV 为 200 度，其中 120 度是双目重叠。双目重叠对于立体视觉和进一步讨论的其他深度线索尤其重要。垂直 FOV 约为 130 度。

瞳距（IPD）

顾名思义，它是眼睛瞳孔之间的距离，是双目观察系统极其重要的考虑因素。这个距离因人而异，因性别和种族而异。不准确的 IPD 考虑可能导致眼睛镜片对准不良、图像失真、眼睛疲劳和头痛。成人的平均 IPD 约为 63 毫米，大多数在 50-75 毫米范围内。儿童的最小 IPD 约为 40 毫米。

眼部缓解

这是从眼睛角膜到第一光学元件表面的距离。它定义了用户可以获得完整视角的距离。这是一个重要的考虑因素，尤其是对于佩戴矫正镜片或眼镜的人。眼镜的眼距约为 12 毫米。使用户能够调整眼距对于头戴式显示器来说极为重要。

出瞳

这是由光学系统传输到眼睛的光的直径。

眼盒

这是用户可以放置他们的学生以完全体验视觉效果的空间。

空间视觉和深度线索

从字面上看，数十亿个信号被发送到大脑皮层进行分析以形成图像。有许多空间和深度线索使人脑能够破译这些光信号以创造我们可见的现实。

视网膜外线索

这些类型的线索是生理过程的结果，而不是来自进入眼睛的光模式的结果。

调节（转移焦点）
调节是一种视网膜外提示，可帮助眼睛在前景和背景中的物体之间转移焦点。睫状肌环绕虹膜以帮助观察者在不同景深之间快速转移焦点。眼睛晶状体的光焦度发生变化。当眼睛在舒适的距离注视物体时，这些肌肉会放松。当眼睛需要关注附近的物体时，睫状肌会收缩或调节。这就是为什么当您需要放松眼睛时，建议您向远处看的原因。

Vergence
这是一个相当简单的想法，当看远处的物体时，两个眼球都向中心旋转，以便对齐图像以供大脑处理。当物体靠近时，眼球会稍微向彼此靠近。这种同步旋转称为辐辏。


为什么适应和收敛是 AR 的重要概念？
许多 AR 眼镜用户经常抱怨头痛和眼睛疲劳。这是由于眼睛聚焦在距离眼睛几英寸以内的平板上。即使 3D 对象看起来很远，深度的错觉也只是模拟的。除此之外，眼睛向大脑提供的感觉线索不匹配。眼睛必须长时间适应和收敛，这是造成这种不适的主要原因。在模拟真实深度的同时减少调节和聚散的影响是一个有待解决的有趣问题。

视网膜或深度线索

这些线索来自进入眼睛的光模式。这些提示要么是双目的（有两个眼球对这些提示有影响），要么是单眼的（即使只有一个正常工作的眼球也可以观察到）。

立体
视觉我们有两只眼睛，它们的平均距离约为 2.5 英寸。每个眼球捕捉到的图像略有不同。由于大脑正在处理的两个图像中的轻微偏移而观察到的感知深度称为立体视觉。立体视觉对于沉浸式头戴式 VR 显示器尤为重要。向每只眼睛显示的两个单独的图像，甚至图像中的轻微位移都会导致立体视觉的损失，从而使 VR 体验感觉不自然。