Meta公司Reality Labs部門實驗室中，有一面原型展示牆，陳列了實驗室設立七年來所開發的數十款VR眼鏡原型，有的輕巧如太陽眼鏡，但更多是笨重，大小不一的設備
圖片來源:
Ｍeta
在Meta公司Reality Labs部門實驗室中，有一面原型展示牆，陳列了實驗室設立七年來所開發的數十款VR眼鏡原型，有的輕巧如太陽眼鏡，但更多是笨重，大小不一的設備。這是去年改名為Meta的臉書，最重要的元宇宙研發基地，Meta創辦人暨執行長祖克柏強調，我們的目標是打造出通過視覺圖靈測試的次世代VR體驗，這是目前還不存在的未來技術。這是第一次，Meta詳細揭露了打造真實感VR眼鏡的四大挑戰和最新進展。
祖克柏去年將臉書改名為Meta，來宣示全力進軍元宇宙的企圖心。VR眼鏡是Meta實現元宇宙大夢的關鍵設備，2015年就發表了所併購子公司Oculus的首款虛擬實境頭盔Rift，而Oculus團隊後來也成了Meta的VR研發部門，也就是Reality Labs。
今年2月，Meta公布去年第四季財報時，也首度公布了Reality Labs部門的營收情況，雖然該季Meta的Reality Labs營收高達8.8億美元，但最後還是虧損了33億美元，而且逐季擴大中。最近更傳出Reality Labs部門將重整，要終止或延後部分專案，專注在核心產品開發。這些負面消息也引發外界對Meta元宇宙布局的疑慮。最近，Meta首度公開了Reality Labs部門歷年的研發成果，來消弭外界對發展不順的質疑。
Meta元宇宙的戰略目標
Meta元宇宙的戰略目標是，打造出媲美真實世界的虛擬世界，祖克柏指出，如果有一天VR眼鏡可以媲美人類視覺的效果，可以實現「存在感」，讓你感覺好像跟另一個人實際待在同一個地方的感覺，可以幫助人們更好的互動，這是非常重要的事。不管是，你遠方家庭成員，或是專案協作的對象，你喜歡的藝術家，都可以讓他們跟你有同在一個物理空間存在的感覺。
為何要打造媲美真實的3D感受，Meta旗下Reality Labs首席研究員Michael Abrash指出，真實的3D可以讓我們體驗，今天在虛擬世界體驗不到的感覺，尤其是與其他人的互動體驗，「必須改變感受系統，來趨近真實的情況，才能提供真正的臨場感。」他更比喻，這樣的VR眼鏡更可以創造出協同合作的可能性，能做到項當年打字機或電腦帶來的產業變革一樣。
不只如此，「一旦可以打造出真實感的VR顯示器，就可以創造新一代的視覺體驗。」祖克柏補充，文化會適應科技所帶來的深度和豐富性，當新一代科技出現，就會帶來新的藝術和表現形式，每一個人都希望被了解，這個真實感VR顯示器，會成為一種強大的工具，可以用一種近似現實的方法來表達自己。
不過，祖克柏也坦言，要讓VR世界跟現實物理世界非常相似，是一件非常困難，但很有趣的問題，「這涉及我們在物理世界如何察覺事情，包括眼睛如何處理訊號，以及大腦如何解讀的挑戰。」尤其，人類視覺是高度整合的結果，不能只是看到一個高度真實的圖像，還需要很多其他的視覺線索，才會有一種很真實的感覺，「這是與只看電腦螢幕或電視螢幕，截然不同的感受。」
不只是這些視覺線索的不同，除了提供3D立體影像之外，觀看傳統螢幕時的對焦是固定距離，但真實世界，眼睛移動過程中，會針對不同的物體對焦。另外，顯示器也必須提供更廣大的視野，提供比傳統螢幕高非常多的解析度，甚至，顯示螢幕必須能夠模仿真實世界的亮度和動態範圍，比現在的高清電視還要高10倍，顯示畫面還能夠快速延遲反映的眼球的動作，當使用者轉頭時，可以很快校正畫面的失真。這些功能都需要電力支援，尤其要支援GPU的運算，也要避免晶片發熱帶來的不舒適感。最後，所有這些元件都要安裝到一個大小適合的設備中。
「只有一個部分沒有做好，實境感覺就會消失，這種實境破壞感，比2D平面更明顯。」祖克柏坦言，這就是真實感VR眼鏡的嚴峻挑戰，需要軟體、晶圓技術、感應器等各種技術的合作。
參考圖靈測試，提出視覺圖靈測試來驗證VR眼鏡體驗
為了用來判定VR眼鏡的效果，Michael Abrash指出，Meta內部提出了「視覺圖靈測試」的觀念，「我們的目標就是希望通過視覺圖靈測試。」Meta參考了圖靈測試的做法，以「能不能分辨不出來這是人或電腦」來判定電腦是不是達到像人一樣的程度，視覺圖靈測驗就是，人類看到的VR世界，能不能跟真實世界一樣，分辨不出兩者的差別。而且這個測試要以人類主觀的感受來測試，而不是技術的衡量標準。 不過， 祖克柏坦言，目前沒有任何VR設備能夠通過這個測試。
真實VR眼鏡的第一個挑戰是超高解析度
很多人提到VR眼鏡的品質，就會提到解析度，祖克柏表示，解析度是最重要議題，但VR眼鏡的解析度問題跟傳統的解析度挑戰不太一樣。在VR眼鏡中的視野，其實比現在最寬的螢幕還要更大，他預估，要達到1.0視力效果，就得在整個視野都都達到超過8K的解析度，
Meta自己設定的目標是，要達到視網膜解析度效果的VR眼鏡，換句話說，每一度視野要提供到60個像素的解析度，若是眼睛全視野都達到這個解析度，就得比現有顯示器還要多好幾倍的解析度才夠。
不過，「人類視覺不需要所有像素都存在，所看到的完整視野中，不需要每一樣東西都對焦，只需要對焦的物體有高解析度，而視野邊緣的解析度可以稍低，但是，現在，任何一款顯示器都沒有辦法做到這件事。」祖克柏説。
臉書曾有一款原型產品，稱為Butterscotch，可以提供超高解析度，來達到1.0視力的文字辨識效果，這是2015年時的Rift眼鏡或是當前的Quest 2眼鏡就都達不到的效果，可以看清楚視力檢測表上1.0的文字。
Butterscotch 是Reality Labs實驗室客製的原型，不是實際的產品，但是可以達到視網膜解析度，是現在Quest 2虛擬實境眼鏡的2.5倍解析度，但這款原型眼鏡的解法是，透過犧牲視野來達到更高的解析度，透過混合鏡片，將視野的寬度縮小到Quest 2視野寬度的一半，才得到比較高的解析度，可以看到非常細節。
祖克柏自己也曾測試過這款視網膜解析度的VR眼鏡，他說：「可以看到非常銳利的圖像，體驗很好，但沒辦法賣，因為裝置的重量很重，而且圖像過於銳利，戴久了也會不舒服。」
透過這個原型的實測，一方面可以看到超高解析度VR眼鏡的模樣，也讓Meta的Reality Labs團隊意識到，真實的影像需要達到這樣的解析度，祖克柏指出，顯示器科技會一代一代進步，幾年後就會達到。
不過，新世代視覺體驗的挑戰不只是解析度而已，甚至還有一些平面顯示裝置不會出現的挑戰。例如，VR眼鏡獨特的挑戰是VR所用的鏡片是曲線鏡，會造成影像變形，就得靠軟體來校正，但是，這個變形還會隨著眼睛移動而改變，長時間配戴看到失真影像，會造成不舒服、疲勞的感覺。另一個挑戰是對焦的挑戰，眼睛會想要對焦物體，但是，顯示器是以固定距離來投影，就得解決不同距離的聚焦問題。
動態對焦是第二個挑戰
2015年開始銷售第一款VR頭盔Oculus Rift的時候，當時，Meta就發現到對焦距離的挑戰。因為當時是第一次在VR眼鏡的視野中出現了手，就遇到了移動過程的對焦挑戰。因為手會在VR世界中揮動，就會出現對焦距離不固定的問題。
現實世界的眼球，會不斷改變形狀來因應我們看的距離和成像，但是，當前的VR光學系統採用的是固定不能彎曲的實體透鏡，焦點固定在約5～6英尺的位置，方便使用者看到比較遠的地方。在真實世界中，人類的眼睛可以捕捉到不同深度和位置的各種微妙線索，但在
VR眼鏡中，若眼睛試圖聚焦觀看近處或遠方的物體，卻無法做到時，就會覺得有點模糊也會讓眼睛疲勞，這是3D眼鏡跟2D顯示器的差別，使用者觀看2D顯示器時，不需要真的觀看到很近或很遠的物體。
為了解決這個問題，Meta的解法是動態移動鏡片，來改變景深，就像是相機自動對焦的感覺。 後來，Meta用了1個月的時間，做出了第一款變焦的VR眼鏡原型，可以提供正確的焦深，尤其是看近的物件，會更清楚。
Meta在2015年打造出的第一款變焦VR眼鏡原型，裝上馬達來改變顯示器鏡頭位置，非常笨重，但從此確定了變焦是可以更接近真實的未來技術目標。
這個VR眼鏡原型裝上了馬達，來調整顯示器的鏡頭位置，雖然這是一款非常笨重的眼鏡，不是可以上市的產品，但卻讓研究團隊大受激勵，讓他們體驗到未來可以達到什麼樣程度的現實程度，所以戴過這款原型的人都同意，可以讓比較近的物體看起來很銳利，隔年，
Meta進一步打造了一款可以追蹤眼動，根據眼球運動來進行變焦的原型。透過機械變焦的顯示器，能夠提供適當的景深，搭配眼球追蹤技術，針對使用者在看的區域，即時提供失真校正，補償這個區域的放大效果，只有使用者看到的物體，會比較清楚，就像在真實世界，你聚焦觀看的物體會更清楚一樣。
「這個早期原型，讓我們意識到，我們做對事情了，變焦真的可行，可以提供更吸引人的體驗。」Reality Labs Research顯示系統部經理Douglas Lanman回憶。透過原型確定變焦VR眼鏡發展方向，下一步就是要進行使用者研究，透過更有說服力的科學實驗來證明。
開發輕巧變焦VR眼鏡原型，展開使用者體驗研究
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Reality Labs Research FAIR專案經理Marina Zannoli先前在Reality Labs Research顯示系統團隊中擔任視覺科學家，也是負責新世代VR眼鏡第一次使用者研究的負責人。
為了了解變焦如何提升VR的體驗，必須要先打造出一款更小更輕的眼鏡裝置，Marina Zannoli解釋，重量和形式必須接近Oculus Rift，但不能有變焦馬達的噪音和震動，後來，就發展出了Half Doom Zero這款變焦VR眼鏡。
Half Doom Zero眼鏡比原本變焦眼鏡的原型小了4倍，而且完全跟當時所有Rift遊戲相容，也有非常好的對焦能力。在2017年春天，Meta找了大概60個受試者，來體驗Half Doom Zero眼鏡 ，讓他們做了兩天的測試，來比較調變焦系統，跟定焦系統的差別。
這個研究也準備了特定的VR展示影片，並鼓勵測試者觀察他們周遭很近的東西，因為這是過去VR世界的使用者會避免做的事，來自原有定焦系統VR眼鏡的限制。
2017年春天Meta找了60個受試者體驗動態變焦的VR眼鏡，Half Doom Zero眼鏡 ，這是第一次的大規模VR原型使用者體驗測試。
經過使用者實驗後發現，使用變焦系統比較不會累，也比較不會出現模糊的視線，使用者更容易跟蹤物件，在VR世界中閱讀文字也更比定焦系統更容易，可以對物件的反應更快速。雖然這款VR眼鏡仍有噪音和震動的問題，不過，這次使用者研究，多數人可以接受噪音和震動下的變焦系統。
「大部分的人都喜歡變焦，比較不喜歡定焦。」Marina Zannoli指出，到了2017年夏天時，我們就得到比較確定的證據，變焦不只有助於未來可以通過視覺圖靈測試，而且可以帶給VR眼鏡其他好處，包括性能的幫助（不需要全視野超高解析度）和舒適性。「Half Doom 系列是一個轉淚點，不只發展出了非常先進的變焦技術，也提供了一種通過視覺圖靈測試的原型測試模式。」
從此，先做出原型來驗證，再發展輕巧版本進行使用者實驗，來研究如何打造下一個原型，「這就變成了我們的標準流程。」Marina Zannoli表示。Meta的Reality Labs實驗室開始大量運用這個原型實驗的做法，來嘗試解決不同的VR眼鏡挑戰，這也是為何在7年中會開發出近30款原型VR眼鏡的緣故。
有這個變焦系統更舒適的發現之後，Meta開始專注於減少設備大小和重量，以及想辦法擴大VR眼鏡的視野，也製作了一系列的原型，後來更使用了液晶透鏡的電子變焦鏡頭，讓鏡片元件的體積縮小了許多，後續也持續改良變焦硬體。
第三個挑戰：變焦帶來更複雜的失真校正挑戰
解決了變焦鏡頭的問題，還要解決其他問題，另一個問題就是VR光學失真的問題。
先前就提到VR眼鏡的鏡片是曲面鏡，原本就會出現影像失真的問題，VR眼鏡大多透過軟體來修正這個影像的失真。可是一但採用了變焦鏡頭，要隨著使用者的眼球來修正聚焦的物體，連動到虛擬影像的失真情況，也會隨著眼睛移動，查看不同方向而發生不同的失真變化。
可是，Michael Abrash指出，既有失真修正演算法是相對靜態的做法，遇到眼睛要不斷移動來瀏覽完整場景的時候，無法完美發揮作用，因為靜態軟體校正系統無法產生持續穩定的圖像。「我們要研究的是眼球追蹤的失真校正，必須進行動態校正，隨著眼睛來進行，在不同的變焦技術，在不同景深上發揮作用，而且校正的速度還要快讓人難以察覺，這是很難解決的問題。」
要解決失真的問題，需要很長的時間，一方面必須要製造出研究問題需要的鏡片，可能花上好幾個月才能完成，還要製造顯示器和對應的VR系統。為了解決耗時的問題，Meta改用大量眼球運動的紀錄，來設計模擬器，搭配3D電視技術，來模擬研究不同光學設計和失真校正演算法，不用建造真正的頭盔，「透過這種快速原型製作能力，可以在幾分鐘內探索不同動態失真校正的情況。」Michael Abrash表示。
他指出，眼球追蹤是被低估的挑戰，一方面要找出使用者對焦的地方，來決定要渲染的圖像重點，另一方面，也要考慮熱量跟功率，如果只需要渲染出使用者需要關注的細節就好，但降低其他部分的圖像解析度，「這或許是一個非常重要的優化做法。」目前在Quest 2的軟體也做了不少失真校正的彌補，但要滿足真實感VR眼鏡需要的失真校正效果，還是不太夠。
可以讓3D場景栩栩如生的第4項挑戰：HDR
Michael Abrash表示，Meta研發VR眼鏡七年來所遇到的顯示系統挑戰，除了解析度、變焦到失真校正的課題，還有一個很重要的挑戰就是HDR（高動態範圍），這是涉及亮度和對比的問題，亮處夠亮可以感覺到顏色清楚，而暗處夠暗才會讓場景變得栩栩如生。當前的挑戰是，「 螢幕生動的程度，跟真實世界相比，有相當大的差異。」目前高階電視的亮度可以達到1萬尼特，電視產業也往HDR的方向前進，但當前Quest VR眼鏡的亮度只有100尼特，要提供HDR的亮度，也需要在電池跟重量之間取得平衡。
Meta曾打造出第一款HDR的VR眼鏡Starburst來測試，不管重量和電力，放進高亮度的螢幕，來進行更多研究，了解HDR的體驗會是如何。原型測試的目的是為了找出可以讓視覺更加真實的技術方向。
Reality Labs Research研究總監Nathan Matsuda表示，透過Starburst，可以創造出在室內看到的亮度，來研究基本的察覺問題，了解未來目標HDR應該要達到什麼程度。目前發現，若可以產生比較好的焦深，營造真實生動的感覺，就有機會實現一個夠漂亮，夠複雜的VR環境，這還需要很多代的演進，才能達到。「我們正努力將這些技術整合到一個更小巧，更便宜的眼鏡中。」Nathan Matsuda表示，每次建立一個新的原型，不管多不實際，但都可以讓我們理解，人們如何觀察周圍的世界，以及科技可以如何擴大人們的視覺系統。
Michael Abrash指出，變焦和視網膜解析度可以打開很多種可能性，但也會帶來開發者的挑戰，越真實的內容，製作難度就越高，如何協助人們創造這樣的環境，能夠炫染出可以保真的程度，AI技術將是實現這個目標的關鍵技術，另一個策略是先在真實世界中架構出場景，再將場景帶進虛擬世界。
在Meta的Reality Labs團隊中還有一組人馬，負責整合科技和新的光學元件，他們的挑戰就是要盡可能減少這些光學元件的體積。Reality Labs Research研究員 Andrew Maimone指出，不管是解析度、對焦、失真或HDR的技術，最後都要整合到VR眼鏡中，我們的目標希望更輕薄短小，人們可以使用更長的時間。
在VR光學元件中有三個要素，光源、成像的顯示版和曲面鏡片。過去VR眼鏡大部分的空間是消耗在鏡片和顯示版之間，Andrew Maimone指出， 後來改用偏光折射可以進行光學對折，技術上稱為餅乾式鏡筒，可以大幅減少厚度，只剩下曲面鏡片本身的厚度。後來，Meta引進了全像投影的餅乾式鏡筒，簡稱HoloCake，同樣採用餅乾光學鏡頭的設計，將鏡頭改為全像鏡片，就可以得到更薄、更平的鏡頭，能夠大大減少VR光學元件的大小，進一步能減少整體眼鏡的重量，不過，「全像鏡片非常特殊，得使用雷射作為光源，才可以描述更多顏色，提供更好視覺體驗。」
傳統VR眼鏡空間是消耗在鏡片和顯示版間，Meta改用偏光折射進行光學對折，技術上稱為餅乾式鏡筒，大幅減少了厚度，更將鏡頭改為全像鏡片得到更薄更平的鏡頭（圖右）。
最新VR原型HoloCake 2採用全像技術和雷射光源
Meta也展示了他們目前最先進的VR裝置原型HoloCake 2，可以支援任何電腦來運作，引進了兩個技術，第一是引進了全像技術，可以讓使用者感受到有點像是實際成像的樣子，也能減少距離造成的成像差異效果，不過，要提供全像成像需要特殊光源，HoloCake 2採用了特別的雷射光源，不同於今天VR眼鏡用的LED光源。 Andrew Maimone指出， 雷射光源並不神奇，但在消費級產品中，找不到性能和價格能夠兼顧的合適產品，還需要大量工程研究，才能打造出符合需求的消費型雷射光源，能夠安全、有效的裝在輕薄的VR眼鏡上。
Meta目前最先進的VR裝置原型HoloCake 2，採用餅乾式全像技術，也需要搭配特殊雷射光源來提供全像呈現所需，不同於今天VR眼鏡慣用的LED光源。
祖克柏還展示了一款VR眼鏡的原型設計Mirror Lake，集結了Reality Labs部門過去7年的研究成果，採用了HoloCake 2的顯示系統，包括了變焦鏡頭、眼球追蹤、失真校正技術、餅乾鏡頭設計等，要整合到一個小巧、方便穿戴的護目鏡眼鏡設計，來提供混合實境的真實3D顯示方式。不過，Mirror Lake只是一個概念設計，Meta還沒有真正實現這樣的架構。
祖克柏坦言，Mirror Lake還需要好幾年才能實現。「因為真實感VR是一個全新的技術，不是改進手機或電視的顯示器，如果可以實現，將會帶來VR體驗非常大的改變。」文⊙王宏仁
祖克柏展示一款VR眼鏡原型概念設計Mirror Lake，集結了過去7年的研究成果，整合到一個小巧、方便穿戴的護目鏡眼鏡設計，來提供混合實境的真實3D顯示方式，但目前還沒實作。
來源鏈接：https://www.ithome.com.tw/news/151585
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