Karl Guttag：AR光学到底比VR难喺边？

转载：本文来自微信公众号“青亭网”（ID:qingtinwang），编辑：Esther，转载经授权发布。

AR光学专家Karl Guttag呢个名由其发布嘅专业AR技术和产品分析博客，而受到行业内人士关注。他曾经深度分析HoloLens 2、环球影城AR项目（Mira）、Magic Leap One、索尼AR头显等产品，并提出AR透光性嘅重要，以及FOV并非越大越好等观点。

近期，光学显示模组厂商Ostendo嘅产品副总裁兼视觉体验负责人Jason McDowall主持嘅播客“The AR Show”，采访到AR光学专家Karl Guttag，共同探讨AR相关话题，比如：微型处理器和AR头显嘅技术复制，以及点解高透光率AR比VR更难开发、视场角对于AR和VR嘅重要性、HoloLens视觉效果、衍射光波导嘅痛点、激光扫描显示方案、Magic Leap One点解会失败等等。

注：The AR Show系一个关注并深耕AR技术、应用场景以及从业者嘅播客。

McDowall：喺科技行业，竞争者之间复制技术似乎并唔少见，已经成为一种文化。比如，Facebook推出嘅多个软件功能实际上跟Snapchat接近，等等。呢种现象喺早期嘅PC时代也存喺，比如您曾经提过世嘉和任天堂曾经复制过您早期嘅芯片设计。

甚至喺还处于早期阶段嘅AR行业里，都可以睇到相似嘅设计，比如Nreal Light、联想ThinkReality A3都同ODG R9有啲相似。

Guttag：联想ThinkReality A3同ODG R9相似并唔意外。据我所知，至少有两个前ODG员工目前喺联想工作。另外仲有一个CES期间嘅笑话，有嘅人喺上年CES上发现‌至少6款同Nreal相似嘅AR眼镜。据说，仲有一家公司专门研发最新款birdbath光学方案，因此可以想象相似嘅产品估计能有十几款或更多，区别可能只有采用唔同嘅光源，比如一啲采用LCoS方案，大多数采用OLED。

唔过实际上，各种birdbath方案大同小异，基本上都采用曲面反射镜取代透镜元件，仲要会采用分束器将光线转向镜面（轴），并反射出去。此外，大多数AR光学方案中可能都会包含birdbath结构，原因是为‌避免衍射透镜等光学元件容易产生嘅色彩分离问题。同透镜相比，反射镜可以直接将光线和色彩按原路反射，唔改变色彩，也唔需要色彩校正。

那么同样采用透镜元件嘅摄像头是点样做嘅呢？目前摄像头可以通过处理器实时校准色差，因此唔用再担心偏色问题。但对于戴喺头上嘅AR/VR来讲，没办法实时调整色差，人眼会识别出偏色。比如，采用单透镜结构嘅VR头显好可能会出现偏色问题。总之，衍射透镜嘅主要问题都出而家色彩控制上，而控制色彩也正系光学最难嘅问题之一。

同HoloLens采用嘅衍射透镜，或系一啲第啲玻璃透镜相比，反射镜方案嘅优势喺于性价比更高，低成本反射镜都可以成像优质画面效果。哩个都系点解birdbath光学方案大受AR头显厂商青睐，当然除咗反射镜外仲系要要使用分束器来控制光线反射轴，避免失真或扭曲。

再举个例子，前唔耐日本环球影城任天堂马里奥赛车项目中采用嘅Mira AR头显就采用离轴光学设计，同样哋通过计算机预先校准嘅方式降低色差，但呢种方式无办法校准焦距。换句话说，如果AR显示模组嘅分辨率足够高，经过校准后，图像误差唔多，只是焦距仲系要要调整。

相比之下，反射镜方案（birdbath）唔需要担心偏色问题，而且成本更低，就算有一啲类似于球面像差嘅小问题，也可以通过涂层等方式调整。

可以想象，点解咁多AR头显厂家采用birdbath方案，但如果大家都用birdbath光学，噉样互相之间嘅优势或差异就难以体现。而且，目前birdbath光学模组比较厚，采用呢种方案嘅AR眼镜从侧面唔如常规嘅眼镜自然。此外，几乎市面上每一种birdbath AR眼镜至少会遮挡70%嘅环境光，尤其系从前面睇，能睇到眼镜反光（半反半透镜面涂层）。因此睇起来有啲似是深色墨镜。

除咗光学模组位于上方嘅birdbath方案外，也有将反射镜放喺眼镜下方嘅方案，人眼通过分束器睇到周围嘅环境光，呢种方案嘅透光性会好一啲，但是制造困难。另一方面，支持立体显示嘅birdbath方案需要将光学元件位于眼镜上方。实际上，呢样做嘅好处是画质清晰（尤其系采用OLED光源），唔过外观睇起来笨重，有嘅birdbath AR眼镜甚至还加‌遮光罩，睇起来更厚。

总之，各种AR光学之间嘅差别就系喺唔同优缺点中取舍，并没有完美嘅光学方案。

McDowall：可以谈谈联想ThinkReality A3这款AR眼镜吗？你提到ODG R9项目嘅负责人以及一啲前ODG员工目前正喺度联想工作，噉样联想嘅AR技术同ODG产品相比，有边啲提升？系咪解决‌一啲你认为AR还存喺嘅难题？

Guttag：我认为还是存喺一啲可以提升嘅空间，比如优化涂层、降低反射系数、改变光线传输方案、采用更好嘅分束器等等。此外，仲系要要让像素密度更细腻，支持画面放大。

McDowall：AR和VR嘅技术难点有何唔同？AR技术点解有难度？

Guttag：如果说AR嘅难度是VR嘅10倍，呢可能也只是保守嘅估计。因为AR眼镜没办法像VR一样，直接将显示屏放喺人眼前，否则会遮挡视线。此外，VR对于头显外观和体积嘅容忍度更高，而全天候佩戴嘅AR眼镜则需要更轻量化、外观更日常。因此，AR需要尽可能缩小显示单元，进而增加像素密度，于此同时为‌放大像素和画面尺寸，则需要加入透镜，但AR如果像VR一样采用较厚嘅透镜，噉样体积则会增大。

总之，AR嘅显示单元需要放置喺太阳穴附近、额头等角落，但嗰样又距离眼球更远，画面睇起来比较小。于是，唔得唔需要变焦和放大系统，否则也并唔可以像VR一样将手机大小嘅显示屏放置喺头上。除此之外，仲系要要保证显示系统足够透光，唔遮挡实现。

结合上述要求，可满足嘅光学方案包括光波导、birdbath反射镜等等。呢啲方案对于AR和环境光都会产生一啲损失。比如HoloLens等AR眼镜采用嘅衍射光波导方案，佢嘅衍射效应会让光栅产生色差，原因是佢会将光线射出方向改变45°。也就是说，人眼透过衍射光栅观察周围环境，但环境光会偏离二嘅平方根左右距离。

仲有一种叫自由曲面嘅光学方案，自由曲面光学嘅楔形光学元件会扭曲AR图像和环境光，造成图像失真。因此，需要集成另一个更大嘅透镜去补偿扭曲，呢样光学模组嘅厚度可能会有两点多厘米，比较厚重。

喺HoloLens 1和2度，微软喺遮光罩内侧（人眼和光波导之间），和光波导上均集成‌补偿透镜，呢样做嘅目嘅系改变AR图像嘅焦距，同时唔改变周围环境光。唔过，呢将需要两个夹层式透镜模组，光学功率较大。

McDowall：好多人觉得40°FOV并唔够大，但是短期来睇似乎并唔会大幅提升，您点样睇？

Guttag：想要更大视场角好大程度上跟VR有关系，但实际上大视场角并唔适用于每一种视觉技术，甚至喺短期内可能性唔高。举个例子，就算是大屏幕IMAX影院，视场角大约也只有40到45°之间，虽然比唔上VR嘅110°视场角，但是观感足够沉浸。

相比之下，AR更似是IMAX而唔系VR，佢追求嘅系以真实环境为基础嘅视觉增强效果。此外，人眼视觉敏感区域大概也只有30°左右，而且喺睇报纸时可能剩系要要8°视场角，睇书需要15到20°左右。如果是睇电脑，所需视场角大于30°，如果唔转头，而只是用眼浏览可能会产生视觉疲劳。尤其系喺长时间观睇时，人眼最舒适嘅视场角范围其实喺15°左右，而最佳文字阅读速度大约为1.5弧分/像素。

总之，喺设定AR视场角之前应该先考虑佢嘅应用场景，你想通过AR解决乜嘢问题？你想要打造乜嘢样嘅科技？以用户为中心嘅体验，实际上比技术为中心要更重要。比如，HoloLens就选择应用于B端，虽然外观比眼镜要大得多，显示效果并唔完美，但系喺军事、医疗等场景具有实际用途。

对于企业来讲，一台5000美元嘅AR头显，或者是每年5000美元嘅企业级软件，如果能提升员工5%工作效率，一年就能将成本赚回来。如果进一步将员工效率提升10%，噉样6个月就能回本。对于咁样嘅效果，几乎每家企业都会动心。因此噉就是HoloLens整体解决方案嘅卖点。

而对于企业员工来讲，只要能有助于工作，佢哋并唔会过多去喺意AR头显嘅舒适性或外观，唔像消费者那样要求高。

微软HoloLens抓对‌几大关键点，也就是说唔过多去考虑头显嘅外观，将重心放喺成个基于Azure云平台嘅服务商，相当于利用HoloLens来推动云服务嘅落地，并从中发现‌实际嘅价值和用途。此外，HoloLens尽量解决舒适性问题，并采用一体式设计，使用起来更加方便。

视觉方面，HoloLens嘅画面虽然唔够完美，但是基于Azure云服务嘅AR定位足够稳定。

相比之下，Magic Leap One采用分体式设计，使用嘅时候还得连接计算单元。除此之外，实际上Magic Leap嘅产品翻‌好多错误，呢间公司喺AR头显开发上花费‌30亿美元，但实际销量可能只有6000台，也就是说，每台售出头显嘅成本几乎约达50万美元。

我认为，未来十年内AR也好难取代2D屏幕，唔好过于乐观。而且，AR嘅正确用途可能仲未是作为屏幕，因为AR本身难以解决遮挡问题，现有技术难以渲染边界清晰嘅AR，时长会因为周围环境光透过而模糊AR图像边缘。

有啲人觉得Magic Leap One嘅图像睇起来更加饱满，呢是因为这款头显遮挡‌更多环境光，AR图像本身实际上更暗。如果Magic Leap One和HoloLens透光性一样，可能AR图像睇起来透明度更高。

总之光线遮挡问题难以解决，同时点样设置AR嘅亮度，先能让图像同周围环境更加融合，也系一大问题。因为如果将AR眼镜整体透光率降低，噉样将唔仅降低AR嘅亮度，周围环境睇起来也会变暗。噉就是AR所面临嘅局限之一。

当然，虽然HoloLens喺视场角等方面有所牺牲，但是保留‌足够嘅适眼距，也就是说畀眼镜留出足够空间，使用更友好。尤其系喺展会等多人使用嘅场景，HoloLens比birdbath方案嘅AR眼镜更方便，因为birdbath方案如果由于眼镜而让人眼离光学模组更远，则可能出现图像畸变等问题，所以唔适合戴眼镜使用。通常展会上会结合插入式屈光镜片来进行展示，但对于散光患者来讲，仅调整近视并唔可以解决散光问题，所以插入式镜片并唔一定适合所有人。此外，插入和替换镜片嘅过程也比较麻烦，唔利于大规模展示。

唔过，适眼距更大也意味住视场角更加有限，总之AR光学方案需要进行唔断嘅取舍。

其实，喺我睇来HoloLens更似是从实验室偷跑嘅科研项目，而HoloLens 2则是根据上一代产品嘅用户反馈，大幅提升人体工学，实用性也更强。而就算Magic Leap One而家转向B端应用也好难，因为从一开始纠错嘎啦，几乎犯‌每一种错误。

McDowall：你猜测下一代Magic Leap会是乜嘢样？会因为面向B端市场，而完全改变第一代嘅设计吗？你有边啲预期？

Guttag：如果Mgaic Leap想要打造B端AR头显，应该更多向HoloLens 2睇齐。除此之外，Magic Leap One实际上有一样嘢做对‌一半，就是支持多个焦点平面，唔过为此采用‌两个光波导模组，造成透光性、成本、适眼距等方面嘅牺牲。

Magic Leap One支持喺视觉距离2米远嘅位置显示清晰嘅AR图像，呢个距离对于游戏等场景嚟讲足够合适。但系喺医学等B端场景度，更希望能同手臂距离内嘅AR进行交互，2米距离有啲远。

而使用HoloLens时，当你眼球嘅焦点喺手臂上，噉样AR图像可能会失焦，进而产生视觉辐辏调节冲突。Magic Leap One抓住‌AR对于多焦距嘅需求，唔过打造咁样多焦距嘅AR光学成本更高，而且透光性差，人眼需要透过6层光学元件来接收环境光，画面可能会出现扭曲等现象。为‌避免过多嘅画面扭曲，Magic Leap One嘅适眼距好短，更靠近人眼。

当然，HoloLens也有一啲局限，比如佢通过手势来控制，目嘅系为认识放一线工作人员嘅双手，让佢哋方便使用工具，但该产品目前唔支持动态变焦，因此人眼视线喺手和AR图像之间切换，可能视觉舒适度唔够高。

McDowall：您喺博客中提到，Hololens 2嘅画面质量实际上唔如HoloLens 1。那么，点解微软会喺HoloLens 2中采用激光扫描方案来取代HoloLens 1嘅LCD光学呢？您认为微软咁样做嘅目嘅系乜嘢？

Guttag：说实话我唔知道，唔过据说是为‌优化亮度。但喺我睇来，如果采用LCoS或DLP光源，亮度甚至能远超HoloLens 2。HoloLens 2嘅亮度大约500尼特，而且呢个亮度可能只喺显示屏中心能达到。

再加上HoloLens 2嘅偏色问题，虽然近期微软更新‌佢嘅光波导技术，但如果呢种视觉效果放喺电视身上，你肯定会选择退货。

细节方面，激光扫描方案嘅亮度损失小，唔过并唔节能，比OLED、micro LED或micro OLED功耗更大。

总之，激光扫描引擎是嗰种理论上效果好好，但实际应用一般，而且基于激光扫描嘅整体光学模组体积大。

McDowall：您嘅意思是激光扫描方案喺体积、功耗等方面同LCoS相比没有优势，佢嘅优势可以将所有嘅光线聚焦喺光波导入口，光线通过更加容易。因为，激光扫描嘅光源来自一个单点，并通过反射镜变成平行光，因此光线损失率仅为2%左右。那么除此之外，激光扫描仲有边啲问题需要解决？

Guttag：实际上激光扫描嘅效果并唔好，激光扫描镜需要经常重新调节图像，而且并唔系呈直线运动。成个激光扫描过程会让光线扭曲，而且画面中可能还出现漏洞，而这只能通过重叠或模糊图像来优化。因此，激光扫描方案嘅实际分辨率并唔够高。

而且，HoloLens 2嘅激光扫描镜速度太慢，需要提升4倍速度才可能实现官方号称嘅分辨率。HoloLens 2嘅刷新率应该仲未足30Hz。

点解会出现呢种情况呢？实际上，AR行业中大多数人对于AR嘅信心好强烈，非常希望AR技术成功。因此喺开发产品时考虑唔够客观和全面，而是将更多注意力放喺AR光学嘅优势上，而没有预先考虑唔同光学方案嘅不足，甚至期望喺唔断开发嘅过程中奇迹般嘅技术突破。

那么点解微软会采用激光扫描方案呢？我无办法解答呢个问题，但我清楚微软理解LCoS嘅不足，比如色彩分离、延迟等问题。另一方面，猜测微软收购MicroVision上已经投入几亿美元，因此决定基于MicroVision嘅激光扫描技术开发AR头显，唔过为此可能又投入双倍资金，研发出可量产嘅产品。

实际上，衍射光波导方案本身也存喺好多问题，好多人认为呢种方案可能系行业标准，因为佢嘅光学元件睇起来好似系一块轻薄嘅镜片，但为‌保护呢个镜片，你仲系要要加上保护罩，体积依然较大。

我经常说，通常人喺开发AR眼镜之前嘅目标是实现墨镜大小，但最后产品体积却是HoloLens那么大。这是因为，大家通常以研发AR光学模组入手，但没有考虑到后续需要解决嘅各种问题。

微软最开始从收购诺基亚获得衍射光波导技术，当时可能觉得光波导模组睇起来只有镜片大小，适合开发轻量化AR眼镜。但係随住进一步开发产品，先发现需要加上保护罩、电池、处理器、传感器，结果发现体积较重，于是又得通过特殊嘅头带系统来平衡重量。

对于HoloLens 2嘅激光扫描方案，我猜都系类似嘅情况，虽然微软说是为‌提高亮度，但我觉得明明LCoS方案嘅亮度会更好。

总之，对于科研人员来讲，唔可以只睇到技术嘅优势，就开始做决定开始研发，而是多认识技术可能带来嘅不足。

参考：

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