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智能眼镜,你只需一副

风风火火的VR和AR眼镜

自谷歌眼镜2012年发布以来,尤其是随着最近两年虚拟现实(VR,Virtual Reality)和增强现实(AR,Augmented Reality)眼镜的蓬勃发展,智能眼镜变成最近几年一个炙手可热的词汇。国际上有近来频繁造势即将发售的Oculus Rift CK1和HTC Vive等VR头盔,以及Magic Leap和HoloLens等AR眼镜,颇有些东邪西毒、南帝北丐傲视武林的架势;国内也有暴风、蚁视、亮风台等一批公司在积极开发VR头盔或AR眼镜,希望能在国内市场上抢占先机。那么这些风风火火的VR和AR的“智能眼镜”,真是用户最需要的吗?真的解决了用户的痛点吗?

VR和AR眼镜都是极好的,可是对于小编这样的眼镜狗来说,如果在近视眼镜外面再罩个VR头盔或戴个AR眼镜,那是相当的痛苦不堪。在电影院里佩戴3D眼镜看完一部电影还勉强能忍受,但是要我长期佩戴这些“第二副”眼镜,从“四眼田鸡”变成“六眼飞鱼”,是完全没有可能性的。对眼镜狗来说,更舒服的看清真实世界才是最基本的需求,只有解决了这个基本需求,才有可能认真考虑如何享受VR的沉浸感和AR的实用性等问题。因此,最近很火的这些VR和AR眼镜,其实只能算半个智能眼镜,对广大近视用户来说,更是非常累赘的“第二副”眼镜。

 

看清真实世界是进一步感受虚拟世界的基础

据研究统计,2012年我国5岁以上总人口中,近视和远视的人数大约5亿,其中近视问题最为严峻,总人数在4.5亿左右。电子产品的普遍使用使得视觉健康威胁更为突出,若没有有效的政策干预,到2020年我国近视人口将达7亿。除了近视和远视问题,随着年龄增长,老花(老视)也困扰着许多中老年人。如果是同时近视和老花,看近和看远都会出现问题,那就更加烦恼。

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人眼其实是一台精密的自动对焦相机,简单来讲,眼睛是依靠改变睫状肌的紧张程度来调整晶状体的形状从而改变其焦距,以看清不同注视距离上的对象。当睫状肌张紧时,晶状体变得更凸,眼睛就能看清近处的对象;反之当睫状肌放松时,晶状体变得更平,眼睛就能看清远处的对象。看远处时人眼是处于自然放松的状态,而看近处时,就需要做出额外的调节。所有屈光不正现象归根结底是眼睛的自动对焦系统出了问题。其罪魁祸首是长期不良用眼习惯导致的睫状肌疲劳、痉挛、乃至眼睛前后轴距离发生改变。

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传统眼镜治标不治本

针对这些眼睛屈光不正的问题,传统的解决办法是佩戴各种对应的视力矫正眼镜甚至双光(双焦)眼镜。以近视为例,佩戴眼镜后虽然能够看清远处的对象,但看近处对象时反而会加重睫状肌的疲劳,因此只能算是一种治标的办法。佩戴隐形眼镜或是进行激光LASIK手术治疗等,虽然能摆脱传统框架眼镜的负担,但跟上面一样,依然没有解决导致眼睛屈光不正的根本原因。对于眼睛屈光不正,仅仅矫正视力是不够的,根本上还需要消除睫状肌的疲劳从而对屈光不正进行主动预防,甚至进一步扩展眼睛的对焦能力,这样才能达到标本兼治的目的。也只有这样的眼镜才算是真正的智能眼镜。

那么要如何才能消除睫状肌的疲劳做到标本兼治呢?根据上面的眼睛对焦原理,在保证看清楚的前提下,只需要让晶状体更平一些,睫状肌就能得到放松。然而简单粗暴的在眼睛前面增加一个固定焦距的凸透镜显然不能解决问题,因为晶状体会根据注视距离自动调整其焦距,注视近处时佩戴凸透镜确实分担一部分晶状体的屈光度因而能放松睫状肌,但看远处时由于睫状肌已足够放松,佩戴该凸透镜反而会导致无法看清。因此就需要从以下两个部分着手,一是了解眼睛当前的注视距离,二是自动调整镜片的最佳焦距以帮助眼睛更轻松对焦,下面分别细细道来。

 

了解眼睛的状态并最佳匹配才能标本兼治

通过眼镜来检测眼睛当前的注视距离有两种常见的方式,一是同时检测左右眼的视线方向,结合瞳距得到视线的交点,从而计算得到注视点到眼睛的距离。这种方法需要同时检测左右眼且误差较大。二是通过拍摄任一眼睛的眼底来测量眼睛的整体屈光度,从而计算得到注视距离,与光学测距的方式类似。由于双眼的对焦联动,也就同时得到了另一眼睛的注视距离。这种方法的好处是只需检测一只眼睛且精度较高,如果双眼同时检测还可进一步提高精度。

第二部分是自动调整镜片的最佳焦距以帮助眼睛更轻松对焦。首先需要一种可以调整焦距的镜片,目前的可变焦距透镜已经逐渐成熟,主要包括液晶式和液体变形式两种,而其中又以液晶式更为普遍,通过改变液晶排列来改变焦距。其次是根据当前注视距离确定合适的镜片焦距。我们知道凸透镜的焦距为正,凹透镜为负,而平光镜为无穷远。例如当用户看近时,这种智能眼镜会将镜片的焦距减小以提高其凸起程度(或降低其凹陷程度),从而使得眼睛的晶状体无需过度变凸,达到放松睫状肌的目的。此时用户甚至能看清以往无法看清的超近距离对象。而且,当用户保持同一注视距离超过一定时间,这种智能眼镜还会自动往复调整镜片焦距来模拟看远的过程,从而更好的避免睫状肌疲劳。最后这种自动调整显然需要根据用户的当前视力来定制,但好在其具有自动调节焦距的能力,因此无需专业设备来进行传统的验光,配合智能软件自身就可以完成针对每一特定用户的初始校准过程。

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智能眼镜在VR和AR中的应用

那么这种智能眼镜就只能用来预防和矫正视力吗?当然不是。作为具备了智能调整眼睛屈光系统能力的可穿戴式视觉工具,它还存在很多潜在应用,这里简单举几个例子来说明。

我们知道目前的3D电影和VR头盔都是通过双目视觉原理来产生立体感,即让用户的左右眼分别看到不同的两个画面,再通过用户的大脑“脑补”出具有不同深度的立体感觉。由于每个眼睛看到的画面实际上是2D的,因此双眼的视线交点与单眼的对焦点经常不一致,这被业内称为“会聚对焦冲突(Vergence-Accommodation Conflict)”,是导致很多人在观看3D电影和VR内容时发生头昏呕吐等不适的主要原因。如果应用上面这种智能眼镜,就能根据双眼当前的会聚点来自动调整镜片的焦距,使得眼睛的对焦系统也认为虚拟对象位于该会聚点处,而不是原来的显示平面上,从而能够大大缓解观看3D电影和VR内容时的不适感觉。

而在AR场景中,一个常见的问题是如何将虚拟的增强内容显示在真实世界中的正确位置上。传统方法是先对真实场景建模然后再将增强内容与真实场景做融合处理。这样不仅计算量巨大,还难以处理提示信息的显示深度问题,很容易导致用户不断切换眼睛对焦点以便同时看清真实对象与虚拟提示信息。如果应用上面这种智能眼镜技术来改进AR眼镜,就可以根据用户注视距离来确定增强内容的显示位置,这样用户无需切换对焦点就能同时看清真实对象与虚拟内容。此外,如果用户注视对象为另一设备,例如智能手表,还可以在手表上方显示虚拟的手表操作界面,为用户提供一种手表具有的全息显示效果。

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这种可以增强眼睛视力、预防屈光不正、提高虚拟内容观赏舒适度的智能眼镜由智谷公司的杜琳博士和张宏江博士共同发明,目前已通过初步原型验证并在进一步研发之中。同时智谷始终保持着开放共赢的态度,欢迎各方以多种形式进行合作开发,共同为发明创新产品早日进入市场造福大众而努力。相信在不久的将来,大家都能用上智谷发明的智能眼镜,在轻松看清真实世界中各种距离上的对象的同时,更舒适的拥抱VR和AR带来的感官享受和生活便利,让科技发明创新带给人们更美好的生活。