VR視覺模擬整合應用

VR 虛擬實境市場

虛擬實境(VR)裝置的出貨量將在2022年快速成長,預計將帶動市場創造更多虛擬實境的應用內容,2022年有望成為虛擬世界發展大爆發的一年,企圖心最旺的Meta、創新的蘋果、致力發展AR的Google,都準備發布相關新品。

根據TrendForce預估,2021年全球虛擬實境應用內容市場規模達到21.6億美元,至2025將達83.1億美元,年複合成長率40%。TrendForce表示,其中最主要的應用內容仍以遊戲娛樂、影視、社群互動為主。(資料來源: https://udn.com/news/story/6871/6046554)

VR 頭顯顯示技術

VR頭顯透過生成圖像,並直接呈現給相應的眼睛。VR頭顯通常包含兩個微型顯示器(左/右眼),光源圖像會經過光學元件的放大和調整,並顯示在用戶眼前的特定位置上,來產生立體感的錯視效果。最主要的顯示元素是透鏡,透鏡可以欺騙視覺判斷,讓人腦以為面前是一片廣闊的空間,而不是兩英寸大的平面顯示器。要做到這一點,透鏡需要增加焦聚,讓人感覺顯示器好像在無限遠的距離之外。

本文分別使用兩種常見的VR顯示技術,VR Fresnel LensVR Pancake來說明如何在軟體上模擬VR的視覺效果。

VR Fresnel Lens技術

Fresnel Lens的原理是透過鏡頭的曲率優化,來產生放大的成像效果,透過Zemax 的OpticStudio的功能,來進行VR透鏡的成像光路系統與透鏡設計。

使用RayTENG二次開發工具,將Zemax的非球面透鏡參數與規格直接導入到SPEOS,SPEOS的Projection Lens功能與Zemax共用非球面參數,因此可以進行面型的完整呈現,而不會有轉檔破面的問題。

SPEOS的Projection LENS的功能,提供Fresnel Mode功能,有Constant Height和Constant Step兩種模式選擇。

VR Fresnel Lens視覺模擬效果

SPEOS Display Source的功能,可以將圖片轉換為光源,配合亮度接收器和inverse Simulation的功能,可以模擬不同LENS設計下的視覺模擬效果。SPEOS 也可以輸入左眼與右眼的不同圖像,來建構VR 360的視覺效果,合成的模擬結果可以透過3D 顯示螢幕與立體眼鏡來呈現立體的視覺化效果。

透過SPEOS中Observer sensor的功能,模擬人眼於環境中的多角度動態效果。

VR Pancake技術與光路設計

Pancake 光學方案設計以偏振光原理為基礎,利用反射偏光片(Reflecting polarizer)對於不同偏振光選擇性反射和投射的特性,配合 1/4 相位延時片(Quarter waveplate)調整偏振光形態,實現光線在半透半反鏡(Half-mirrorlens)和反射偏光片之間的來回反射,並最終從反射偏光片透射出去。以下圖為例,圓偏振光在通過 1/4 相位延時片後變為線偏振光到達反射偏光片並被反射,接著第二次通過 1/4 相位延時片變回圓偏振光被半透半反鏡反射並第三次通過 1/4 相位延時片,再次變為線偏振光,因為本次相比第一次光線旋轉 90°,得以通過反射偏光片完成成像。(資料來源: https://zhidx.com/p/345675.html)

透過Zemax 的OpticStudio設計VR Pancake透鏡的成像光路系統與透鏡曲率,並透過ZOS的non seqeunce的功能,來模擬不同材料。Zemax 材質檔案支援不同的檔案形式,包括半穿反表面材質,Diffraction, Jones matrix 的偏振,可透過外部檔案或預設的材料來來進行設定。

Zemax案例連結: https://community.zemax.com/got-a-question-7/straylight-in-vr-pancake-3246

VR Pancake視覺模擬效果

相較於Zemax,SPEOS有較自由的材質設定與介面,幾何相對位置也較容易分辨。透過材質貼覆的角度與分割面,來輕易地針對不同的LENS表面進行設定,透過材料檔的參數設定來模擬SPEOS材料特性。

面材質的對位貼附與利用SPEOS中的Light Simulation進行實際光路與成像模擬。

相較於Zemax,SPEOS有較佳的非序列光模擬,並支持亮度接收器與逆向運算,因此可以跑出更接效果的模擬結果,並可以記錄下直接入光與不同膜片反射的結果。

模擬結果透過SPEOS的Lighting Controller開關,用Sequence過濾及控制鏡面反射出的圖像。可以計算其能量利用率與縮放比率,完成視覺的模擬效果。