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钱学森预言再次成真,VR技术迎来技术大变革

最后更新:2022-11-06 23:12:15 浏览:2749次

(转自:熊猫硬核说)

上世纪90年代,钱学森曾预言:VR将是计算机技术之后的,又一项技术革命,为了让国家重视这项技术,钱学森将它形容为:一项可以震撼全世界的变革,是人类历史上的大事,甚至为了让我们更好理解VR,他将VR的中文译名翻译为:灵境。

钱学森手稿截图

如今20多年过去了,钱学森的预言似乎在一步一步接近应验。

VR不仅成为多媒体和互联网技术之后,最受科技公司青睐的技术之一,而且它自身还站在技术迭代的十字路口:Pancake光学方案同样成为VR行业革命性技术。

PICO、华为、HTC等企业都已经布局这项技术,而在它们之后还有苹果、Meta、谷歌等科技巨头紧随其后。

那么问题来了:Pancake光学方案是啥,为啥受到这么多科技巨头的热捧,VR真的能像钱学森期待那样成长为一项具有革命性的技术吗?VR对于每个普通人来说,又意味着什么?

大家好,我是熊猫,今天就来说说这件事。

VR设备大家可能都见过,就是带着大号的头盔或者眼镜,可以亲身感受虚拟世界中的场景,所以VR用中文也叫:虚拟现实。

VR的设备不算复杂,它的硬件系统主要有四个部分,分别是头戴显示设备、主机系统、控制器和追踪系统,看着有点多,其实它们的功能和游戏机很相似。

游戏机里有主机、显示器和控制手柄,主机提供游戏功能、显示器展示游戏画面,手柄就是控制器,可以操控游戏人物。

而VR也类似,主机系统为VR提供各种功能服务,控制器可以追踪自己的动作,因为VR是通过人物动作来操控的,所以还需要追踪系统来捕捉用户的动作和运动。

当然两者最大的区别还是显示设备。

它们都是用来展现画面的,但是VR为了让用户体验到身临虚拟世界的感觉,需要屏蔽用户现实世界的视觉,所以它被设计成遮挡眼睛的头戴样式,也就是头戴式显示设备,又称VR头显。

在VR头显里有非常重要的一项技术,那就是光学方案。

人眼的焦距虽然可以调节,但是也是有极限的,比如我们刷手机一样,距离太远我们看不清楚,距离太近也会变得模糊,只有适当的距离才能看的更清晰。

但是头戴式显示设备里的画面是直接贴合在脸上的,距离非常接近,理论上是看不清楚的,这时候就需要一套设备可以将画面“拉”远一点,这台设备就是透镜组成的光学系统。

没有它,VR设备画面就无法展示。

所以光学方案就成为了VR头显的关键性技术,而Pancake技术正是VR的第三代光学方案,被认为是VR光学里具有革命性技术,所以各大科技巨头都在布局这项技术。

那么它到底有什么神奇的地方,又为何会受到各大科技企业如此青睐呢?这还要从VR设备小型化的进程说起。

VR的萌芽是在上个世纪30年代。

当时美国著名的科幻作家斯坦利·温鲍姆写了一本将近40页的短篇小说,名叫《皮格马利翁的眼镜》,书中的男主角带上特殊的眼镜后,就可以进入一个全新的世界。

在这个世界中,他拥有正常的视觉、嗅觉、味觉、触觉等感官,可以自由活动,更关键是他还可以通过自己的努力,改变这个世界的运行,就像中国古人描述的世外桃源和仙境一样,

所以钱学森才将它称为“灵境”。

这样的仙境自然让很多人都无比向往,所以有些科学家就想复刻这样的场景。

如果人类真能够创造一个类似的世界,那么说这项技术具有颠覆性也并不过分,于是一个非常有想象力的技术:虚拟现实(VR)就这样诞生。

但是只有想象和概念肯定不行,你还得把这项技术给实现了,此后就有无数发明家和科学家在为此而努力,关键还真给做成了。

1950年代,一个名叫莫顿·海利格的摄影师,建造了一台传感仿真机(Sensorama),利用多个屏幕、立体声扬声器、震动座椅、风扇、气味生成器等简单的设备,模拟出开车场景,创造出了世界上第一台沉浸式虚拟现实设备。

当然这台仿真器非常大,而且很笨重,体验感也不好,但是它却给后来人很大的启示。

到了1965年,计算机图形之父伊凡·萨瑟兰设计了一款更小型的头戴眼镜VR设备,这个眼镜连接着计算机,还有跟踪系统等设备。

当人物移动的时候,计算机会实时算出新的3D图像,并且通过眼镜呈现给大脑,不论人怎么动,3D图像都会在眼前浮现。

于是头戴式显示器与计算机、追踪系统的经典组合就出现了,后来的VR设备就是以此为基础进行创新的,所以这台设备也被称为VR的原型机。

当然这台VR原型机也同样非常大,因为头盔重量问题,只能依靠支撑杆固定在天花板上,并不具备量产的条件。

但是这并不妨碍科学家对它的热爱,于是在之后50多年的时间里,VR迎来了数次小型化的浪潮,而Pancake技术也是其中之一。

首先是在1965年到1990年之间。

当时VR虽然还未普及,但是在航空航天、军事等特殊领域却大放异彩,比如飞行员利用它模拟飞行训练、宇航员利用它模拟空间站进行训练等等。

于是VR设备开始了第一次小型化发展,诞生出了头盔大小的,可以自由移动的VR设备,比如美国LEEP公司和NASA共同研发的LCD头戴显示器,它的体积也就比头盔大一点,而且性能很强悍,宇航员可以利用它,模拟太空机器人操控训练。

这些场景和头盔的出现,让很多企业注意到VR不再是一个幻想,更是一个真正可以实现的技术。

有些企业就想:既然VR能模拟飞行、模拟空间站,那么模拟游戏、商场、电影等等场景也是可以的吧?

然后他们就真的去尝试。

于是在1990年后,面向消费者的VR产品终于开始涌现了,VR设备也开启了第二次小型化浪潮。先是各大游戏巨头尝试开发VR游戏,提高了VR设备的性能,然后VR新势力也不断涌现,创造出很多优秀的VR设备。

到了2014年后,计算机、传感器和显示器等设备飞速发展,很多科技企业看中VR前景也开始进场,在他们的推动下,VR设备的小型化再次加速,不仅将原来的主机式VR头显越做越小,还诞生出体积更小的VR一体机。

尤其是VR一体机,被认为是未来主流的发展方向。

它无需单独连接一台PC,而是将芯片、追踪系统等集成在VR眼镜上,的确是一个小型化程度很高的设备,消费者可以带着它自由行走,体验游戏或者各类场景。

在VR行业经历了2016年从疯狂到资本寒冬的骤变后,2021年终于再次迎来爆发,VR产品全球销量首次突破千万,被很多人认为是VR走向大众化消费的拐点。

VR的应用场景也随之爆发,游戏、运动、健康等场景不断涌现,所以VR也被认为可以引领消费电子下一个“黄金时代”的技术。

但是仅仅实现VR一体机的结构,还是无法满足消费者的,想要征服挑剔的用户,它需要变得更轻、更薄、更具备科技感。

因此很多企业都在研发相关技术,希望找到VR轻薄化的突破口,其中光学系统就成为备受瞩目的一个环节,于是Pancake光学方案就应运而生了。

它为啥受到科技巨头的热捧,原因就是它可以再度将VR设备大幅度小型化。

在它之前,VR头显光学方案用的是非球面透镜和菲涅尔透镜,因为人眼焦距的最短距离在7cm左右。

而VR头显为了让体积变得更小,把屏幕到眼睛的距离压缩到7cm以内,理论上,人眼是看不到的屏幕的,原理就像人得了老花眼一样,就需要佩戴一个凸透镜来调整人眼的焦距。

VR设备也是如此,它在屏幕和人眼之间也放置一个凸透镜,这样人眼就可以看到超近距离的屏幕了。

VR第一代透镜就是非球面透镜,它长这样(图),也是一块凸透镜,画面透过非球面透镜,经过折射,将光线集中在人眼上,然后人眼才能捕捉到近距离的画面了。

但是非球面透镜有两个缺点,一个是它本身有厚度,还有一个是它自身的焦距也不短:在4-5cm左右,所以非球面透镜也不能离VR显示屏太近,必须保留4-5cm左右的焦距。

这也造成一个很大问题,用非球面透镜做出的VR头显在厚度上就会比较厚,重量也很重。

后来有人想既然非球面透镜比较厚,那么有没有薄一点的透镜呢?答案当然是有了,这就是第二代光学方案:菲涅尔透镜。

菲涅尔透镜由不连续的曲面组合,而且有尖锐的凸起部位,看着好像很复杂,其实你将这些曲面拼起来,你就会发现它们正好可以组成一个球面。

也就是说:菲涅尔透镜的原理其实和球面差不多,都是通过光线的折射,来弥补人眼的焦距,只是它的内部被挖空了,所以用它做出来的透镜又薄又轻。

不过菲涅尔透镜也有两个缺点:一个是透镜减少的是本身的厚度和重量,焦距依然没有变短,第二个是成像质量问题,菲涅尔透镜本质上还是一个球面透镜,而不同波长的光折射率是不同的,它们同时透过同一个球面,会出现色彩偏差,导致成像质量受到影响。

简单来说:菲涅尔透镜是在牺牲VR设备画质的情况下,减少重量和厚度。对于VR来说,它还不是个优质的方案。

所以在VR设备第三代光学方案中,人们就想有没有既能减少重量和体积,又不想影响画质的光学方案呢?

答案也是有的,那就是Pancake光学方案。

Pancake翻译过来其实是千层饼的意思,Pancake光学方案原理和千层饼折叠有点相似,不过它折叠的是光路。

在VR前两代透镜中,屏幕发出的光线经过透镜折射后,直接进入人的眼睛中,光路是固定的,没办法弯曲。

而Pancake光学方案则不同,它在透镜上贴上几层膜材(半透半反膜、反射偏振膜、1/4玻片)等,由它们共同组成一个新的光学镜片组,然后光线经过镜片组时,在膜材的作用下,就会在发生多次折叠跑,最后才会进入人眼。

这种光路设计缩短了屏幕和透镜之间的距离,用它做的VR设备也可以缩短厚度,重量也跟下降了,而且幅度还非常大。

正因为这些优点,所以从今年开始,以PICO为代表的行业头部品牌纷纷推出采用Pancake光学方案的VR一体机,将VR一体机的形态越做越轻薄。

就以PICO的产品为例:PICO 4采用Pancake光学方案后,它的头显前端重量只有295g左右,而采用菲涅尔透镜的PICO Neo3头显前端重量则高达395g 两者相差26%左右,厚度相差更是达到38.8%。

对比结果就是,PICO 4小型化程度肉眼可见。

千万不要小瞧了这点重量和体积的差别,要知道VR设备的一个痛点就是前端的重量太重,导致用户头部承受的压力过大,这一点极大影响了消费者的舒适度。

而Pancake光学方案的使用显著减小了头显的厚度、体积、重量,极大程度上缓解了颈椎的负荷,同时PICO 4还进行了前后平衡设计,将电池设计在头显后端,让头显前后重量差距更小。

在这两种工艺叠加的情况下,PICO 4对颈椎的负荷相对上一代 PICO Neo3降低了46%,对比国外品牌Oculus Quest 2 VR一体机更是降低了58%。

除此之外,Pancake光学方案也会提高画质。

因为每个球面透镜都会存在球差,从而影响画质,但是Pancake可以通过组合调整,来减少球差提升画质,相比之下,前面两代透镜是固定的,没有这个功能。

同时还可以添加凹镜来改变画面的屈光度,相当于一个可以调节度数的眼镜,对于近视用户更加友好。

也就是说:一个Pancake光学方案,不仅可以解决VR设备小型化问题,还可以提升画质,甚至扩大消费人群,所以它才会被确认为VR的革命性技术。

当然Pancake光学方案作为一项新的技术,它还有很多技术不成熟的地方,比如它需要多种膜材,这样会增加它的成本,还有光线多次折射后,VR设备也会产生鬼影和光损等问题。

更难的是量产问题,以前Pancake难以推广,主要是因为贴膜的工艺难度非常高,只要有细微的粉尘和褶皱问题,都会影响良品率。

这些问题都困扰着VR企业,如果谁能先攻克这些难题,谁就将占据优势,甚至推动整个VR行业的发展。

庆幸的是,中国VR企业虽然发展的晚,但在VR技术和Pancake光学技术上走得并不慢,早在2016年就推出了Pancake光学VR头显,至今国内企业已经研发出数款搭载它的VR设备,甚至比国外Meta/苹果还要早。

尤其是PICO,他们不仅攻克了贴膜工艺的难题,还研发出了具备量产能力搭载Pancake光学方案的VR一体机:PICO 4。

那么问题来了,它们是如何做到的呢?其实答案也很简单,就是前瞻性布局。

在开头,我们就说过了,中国VR行业确实起步比较晚。

1990年时,国外已经将VR应用在航天航空上时,国内才开始关注这项技术,而且只有钱学森手写了数封书信介绍了VR技术的来源和前景。

直到2014年,那年Facebook斥巨资收购了VR初创企业Oculus,引发了国内外的VR热潮,

于是暴风影音、乐视、华为等国内科技企业相继加入,当然还有诸多VR初创企业,而PICO就是在2015年成立的。

中外VR积累差距在20年左右。

虽然成立的晚,但是PICO对VR产品的研发和设计非常重视,而且眼光独到,他们在2016 年时,PICO 就研发出自己的VR一体机: PICO Neo DK。

这个VR一体机的设计让我印象非常深刻,它不仅集成了高通骁龙 820 芯片,而且创新性的将芯片和内存等设备集成在手柄上。

这个设备虽然性能不是特别先进,但是从它身上也可以看出PICO对VR技术和设计非常看重,此后PICO接连发布了旗舰机型 G 系列以及Neo系列的VR产品,逐渐走上正轨。

此外值得一提的是,早在2020年,PICO在CES上发布了PICO X1 Glasses VR眼镜,这款眼镜首次采用了Pancake光学方案,重量也比较轻。

当时PICO就已经意识到Pancake可能是VR小型化的一个必研的路径,于是提前开始技术布局。

2021年,PICO被字节跳动收购,字节拥有算法和资金优势,而PICO拥有硬件优势,两者结合使得PICO的研发能力更上一层楼。

此后他们投入大量精力攻克Pancake工艺难题,尤其是光学镜片的贴膜工艺,PICO需要在光学镜片上均匀的贴上平整的膜材,不能有丝毫的杂质和褶皱。

为了实现这项工艺,他们干脆将整个光学设计进行了改良,最终凭借更加精密的工艺,攻克了贴膜平整度的问题。

当然,一家优秀的公司对产品体验的追求是极致的。

PICO也是如此,他们让我佩服的地方在于不放过先进技术布局,但是也不盲目跟从,比如在Pancake镜片方案选择上就是如此。

Pancake技术的镜片分为单片式、两片式以及多片式等方案,它们各有优缺点,比如单片镜穿透率强,用它做出来的VR设备亮度更高、鬼影少,由于镜片用的少,成本也更低些,但是缺点是贴膜难度高,画质没那么好。

而两片式可以做到更轻薄,画面也会更清晰点,但是损光更严重,容易有鬼影,成本也会高、多片也是如此,镜片越多,VR设备可以做的越薄,画质更清晰,但是重量和鬼影也就越多了,优缺点很明显。

所以各家企业可以根据自己的战略来选择不同的方案,而PICO 4的为了消费者的综合体验选择了单片式的方案。

当然他们的回报也很大,PICO 4的光学解析力提升了86%,画质比上一代VR一体机,有了一个质的飞跃。

除此之外,他们还根据运动场景等需求,设计了更大的眼动范围,以及优化视觉系统,按照业内的说法就是眼睛甜蜜点更大了,视觉更加舒适,由于时间关系这边就不展开讲了。

总得来说:Pancake光学技术的优点,让VR可以用在更多的场景上,而PICO 对于Pancake的布局,也帮助PICO 4全方面提高了性能,它们对VR技术的普及也起到了关键助力作用。

当然VR的未来是有前景,但是想要成为一项革命性技术需要,需要更多的公司进行探索和挖掘,也期待它能早日兑现自身的潜力。

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