Metaverse 元宇宙發展到哪 ? 都是光惹的禍(下) [4]

上一篇文章我有提到目前元宇宙在軟體成像方面發展的狀況，雖然我將元宇宙目前碰到的問題簡化成軟體和硬體兩方面，但不管是軟體還是硬體，追求好的影像歸根結柢就是要有無懈可擊的沉浸感(immersion)，而無延遲的傳輸和web3.0等發展，更多的是讓元宇宙有無所不在的互動性(interoperability)，所以阿財日後會慢慢和大家分享，所以這篇文章我聚焦的點會是在第一部分，就是要達到無懈可擊的沉浸感，目前發展到哪了？

那這篇就從硬體的角度出發聊聊為何我們現在VR裝置的沉浸感不夠好。

Metaverse 元宇宙裡面蘊含的科技 - VR虛擬實境基礎原理介紹(上) [1]

Metaverse 元宇宙裡面蘊含的科技-我們是如何透過VR看到3D影像的(中) [2]

我們先來看一下VR的構造，文獻中簡化了VR的構造[1]，主要由一個微顯示器(micro display)、透鏡(optical viewer) 、傳感器(sensor)、機構(mechanical unit)和傳輸裝置(communication)組成，而我們把VR裝置一拆開，映入眼簾的是兩顆大大的透鏡，這兩顆透鏡就是我們今天的主角。

VR裝置簡圖[1]

不管是HTC vive(下圖左)亦或是Oculus(下圖右)，我們仔細一看會發現VR使用的透鏡與我們小時候玩的放大鏡不一樣，一圈一圈的似乎有許多細微的結構在其中，這種透鏡我們稱作菲涅耳透鏡(Fresnel lens)，那這種透鏡究竟有什麼特別？為何要大費周章的在光滑的透鏡中刻出這種細小的結構？

圖左為HTC vive,圖右為Oculus Rift的菲涅耳透鏡[2]

下圖左我們可以發現傳統透鏡和菲涅耳透鏡最大的差異在於厚度，那為什麼菲涅耳透鏡厚度幾乎是傳統透鏡的一半就可以達到聚光的效果？
這裡我們要複習一下國高中的物理，下圖右是阿財自己畫的簡易圖示，光經過兩種不同介質會產生偏折(折射率分別是n1和n2)，而偏折的角度我們可以利用司乃耳定律(Snell’s law)很簡單算出來，所以兩個介質折射率差越大，入射角與折射角的差異也越大，不知道有沒有喚起大家的記憶呀？

圖左菲涅耳透鏡vs傳統透鏡[3],圖右snell’s law 示意圖

複習完之後，回到原本的問題，為什麼菲涅耳透鏡可以與傳統透鏡有相似的效果？
主要我們發現，光的折射會發生在介質交界處，所以我們把光在透鏡中直線傳播的部分去除掉，只留下使光偏折的曲面，這樣就可以達到與傳統透鏡相同的效果啦！所以上圖左邊我們會發現菲涅耳透鏡會呈現對稱尖尖的地方(三維構造就會是一圈一圈的樣子)，那些就是我們保留下來的曲面，下面這個Youtube影片很好的展示了如何從傳統透鏡簡化成菲涅耳透鏡的過程。

那菲涅耳透鏡有什麼優缺點呢？

最直觀的優點是輕薄且需要的材料較少，所以應用在VR/AR上是在適合不過，我們當然希望VR越輕越好，這樣才能躺著玩坐著玩趴著玩都不累。

但缺點就是，菲涅耳透鏡需要犧牲一部份的效果(影像品質或是聚焦效果)，雖然我們說光只有在介質表面才會發生偏折，但實際上光經過介質會改變光的相位，大家可以將菲涅耳透鏡想像成近似的結果，我們將連續的構造用幾個階層去取代 (類似訊號採樣的感覺)，是一種折衷的方案，所以這也是為什麼單眼相機或是精密的儀器大多還是使用傳統透鏡的原故。

但不管是傳統透鏡還是菲涅耳透鏡都會遇到一個非常棘手的問題，這也是我們今天的主要反派-色差(Chromatic aberration (CA))

首先介紹一下色差的成因，色差可以簡單分成縱向色差(longitudinal)和橫向色差(transverse)，縱向色差主要是因為透鏡的焦距隨光的波長而變化，而橫向色差是因為透鏡放大率與光的波長有關，所以一切都是光惹的禍！

波長是指一個固定頻率下，行進波重複的距離(如下圖左波峰到波峰或波谷到波谷)，大家可以把波長想成一個光學的特性，一般來說大家看到的光譜，就是由不同波長的光所繪製而成(下圖右)，我們常聽到的gamma射線、X射線、紫外線和無線電波，這些都是光喔～

圖左波長的示意圖,圖右光譜示意圖

由於我們人眼的構造，大部分波長的光我們人都是看不到的，所以人眼可見的光我們稱作可見光，那一般來說我們的VR顯示器發出的光是由紅綠藍所組成的，也就是我們常講的三原色，波長大小是紅>綠>藍，下圖左很好的描述了紅綠藍光經過菲涅耳透鏡之後，由於焦距與波長有關，所以可以看到三色光沒有辦法聚焦在同一點上，這就會導致圖片產生色差，尤其在邊緣較嚴重，這就影響了VR的成像品質，那講了這麼多，怎麼解決色差？

圖左光線沒有匯聚在一點,圖右色差效果[4]

一般來說，透鏡組合是消色差的好方法，也就是利用不同種透鏡的特性，截長補短來減少色差的發生，但透鏡組合顧名思義就是需要多個透鏡，不太適合VR，還記得我們用菲涅耳透鏡的一個原因就是要讓VR輕量化，所以目前許多研究機構都提出各種不同的方法，例如使用繞射的方式，或是使用Metalens/Metamaterials(超穎透鏡/超穎材料)，但這兩種方法對量產的製造工藝要求嚴苛，所以許多公司也都在努力當中，可以看到Meta(FB)的Reality Lab招光學科學家，招募有繞射光學或波導光學和超穎材料等研究經驗的人，當然色差不是透鏡唯一的問題，還有畸變和像差等等，但這些可以透過軟體補償進行修正。

Meta招聘[5]

最後許多人提到目前VR裝置沒有殺手應用(killer app)，但我認為只要AR/VR基礎建設(軟體硬體)做的夠好，體感直接升級，殺手級的應用自然會到來！
長期來看我是很看好元宇宙等相關產業，但是不是小扎帶領的Meta會成為領導者？就要看看其他巨頭們肯不肯了～(其實Google、微軟、Apple都有在投入)，那暫時就先介紹到這邊，之後會介紹繼續介紹AR/VR相關技術、特斯拉自動駕駛技術和元宇宙裡面有哪些公司值得大家關注。

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延伸閱讀：

Metaverse元宇宙裡面蘊含的科技 - VR虛擬實境基礎原理介紹(上) [1]

Metaverse元宇宙裡面蘊含的科技 - 我們是如何透過VR看到3D影像的(中) [2]

Metaverse 元宇宙到底目前發展到哪？AI能生成出元宇宙的場景嗎？(中二) [3]

自動駕駛系列-特斯拉自動駕駛技術的演進AI day 系列(1)[3]

阿財的YouTube channel裡面介紹許多科技相關技術喔～

參考資料：

[1] Fundamentals of Head-Mounted Displays for Virtual and Augmented Reality
[2] Evaluating the applicability of repurposed entertainment virtual reality devices for military training
[3] Concentrated solar energy applications using Fresnel lenses: A review
[4] Practical Chromatic Aberration Correction in Virtual Reality Displays Enabled by Cost-Effective Ultra-Broadband Liquid Crystal Polymer Lenses
[5] Meta optical scientist 招聘