浅谈XR中的显示技术

摘要：本文讨论了XR中的显示技术，包括投影显示技术、头戴式显示器技术、透明显示技术和光波导技术。

投影显示技术使用光学原理将图像投射到屏幕上，激光投影显示技术具有更好的色彩还原度和亮度。头戴式显示器技术使用小型屏幕将图像直接投射到用户眼睛上，提供沉浸式的虚拟体验。透明显示技术在现实世界的背景上显示虚拟图像或信息，可以用于增强现实等领域。光波导技术使用光波导引导光线，将图像投射到用户眼睛上，可以实现沉浸式的虚拟图像体验。

关键词：XR显示技术；投影显示技术；头戴式显示器技术；透明显示技术；光波导技术

一、投影显示技术

投影显示技术作为一种最早的XR显示技术，已经在电影放映和展示活动中得到广泛使用。它利用了光学原理，通过将图像或视频投射到屏幕或幕布上来创造出虚拟环境。

传统的投影系统主要由三个基本组成部分组成：光源、投影面板和镜头。光源可以是灯泡或激光器，它发出强烈的白色光线作为输入信号。然后这束光通过液晶（LCD）或数字微镜单元芯片（DLP）等面板进行处理，并形成可见图像。接下来，镜头会把图像聚焦并反射或透过放大到屏幕上。

传统的投影系统

在传统的液晶投影系统中，液晶面板通常由数百万个微小像素组成，并能够控制每个像素点是否透明以及其所处位置颜色等信息。当白色背景灯通过液晶层时，在不同颜色滤镜、极性调节器和偏振装置的协助下，产生相应颜色差异，并且这些差异被转化为特定颜色区域插入诸如电子游戏、电视节目、电影或图片等影像中。

传统投影技术也存在一些局限性。【1】首先，如果没有特殊防眩目膜材料覆盖在玻璃前表面，则会产生较多扭曲、眩目等问题；其次，由于参数不同或者角度不合适导致图像无法正常呈现；再次困扰大家更加关注的是灯泡寿命。因为高频率操作造成灯泡寿命较短。

随着科技进步和创新的推动，新型的投影显示技术迅速崭露头角，并取得了巨大的突破。例如激光投影显示利用激光作为光源【2】，在色彩还原度和亮度方面比传统灯泡更好，并且寿命更长。激光发射出单一颜色红、绿和蓝三个基本块以及其他颜色混合块构建一个完整画面, 另外由于控制能力强, 其可以实现精确到每一个墙壁项目区域进行点对点显视频播放.

激光投影

此外，3D立体投影技术也开始受到关注。它通过使用特殊屏幕和镜片来创建具有立体感的图像，使观众可以在虚拟环境中获取更加逼真的体验[3]。

3D立体投影技术

另一种新型投影技术是全息投影。它使用了类似于激光照相和干涉测量的技术，通过将物理对象或计算机生成的模型转换为具有三维效果并且可见于多个视角的图像。这使得观众能够从不同方向看到逼真且立体感强的图像。

随着VR和AR等领域发展迅速，投影显示技术也正在取得进一步创新和改进。近年来，在AR应用场景下出现了头戴式投影设备，它可以将虚拟内容直接映射到用户眼镜上的屏幕上。这样用户就可以在任何地方随时享受增强现实体验。

现阶段不断引入先进科技与高性能器材所突破过去传统显示手段所带来困扰, 投影显示技术已经成为XR领域中一个重要而有效方式之一。尽管存在诸如扭曲、眩目、灯泡寿命等问题, 但无论是传统液晶还是新兴激光、3D立体投影以及全息投影技术，都在不断完善和创新中。相信未来投影技术会越来越逼真、实用，在虚拟现实和增强现实应用中扮演重要的角色。

二、头戴式显示器技术

头戴式显示器技术在20世纪90年代开始出现。这种技术使用小型屏幕将图像直接投射到用户的眼睛上，以创建沉浸式的虚拟体验。头戴式显示器通常包括两个独立的显示屏，一个用于每只眼睛。

随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的兴起，头戴式显示器技术成为了一种重要的XR显示技术。它将图像直接投射到用户眼睛上，通过模拟人眼观看场景的方式来呈现虚拟环境。

头戴式显示器最早出现在20世纪90年代。当时的设备相对笨重，体验效果也不如今天先进的版本。然而，这些初期的设备奠定了未来发展方向，并受到科技爱好者和游戏玩家们的狂热追捧。

最早的头戴VR

一个典型的头戴式显示器系统包含两个主要组件：一个用于每只眼睛的小型液晶屏幕或有机发光二极管（OLED）屏幕以及一个用于控制和处理图像信号的计算单元。每个屏幕会将自己负责渲染成左右各一部分影像从而提供立体感。这样，在佩戴头套时，使用者就可以通过两只眼同时观察到合并后更逼真、深沉、立体化特效多样性艳丽或质感优秀等画面.

为了达到最佳体验效果, 头盔通常安装很多其他传感器如陀螺仪、加速度计或跟踪摄像机, 从而能够检测使用者的头部和身体在空间中的运动。这些数据可以帮助系统实现对用户移动和转向的精确追踪，使虚拟环境更真实。

当用户戴上头套时，封闭式设计可隔离外界光线，并将图像直接投射到眼睛前方。由于屏幕非常接近用户的视网膜，图像会填满整个视野，并且通过适当配置合适分辨率高亮度灯具与硬件算法进行智慧处理以合适人类视角显示. 近年来，头戴式显示器技术取得了巨大进展，包括设备更轻便舒适、屏幕分辨率提高以及新增触摸控制和手势识别等功能。

此外，在XR领域涌现出许多知名品牌推出各种型号和规格的头戴式显示器。其中一些设备甚至采用了混合现实技术，可以实现虚拟物品与真实环境的交互。其他头戴式显示器则专注于游戏、娱乐或教育领域，在这些应用中提供沉浸式和身临其境的体验。

虽然头戴式显示器技术在VR和AR领域蓬勃发展，但仍存在一些挑战需要克服。首先是成本问题，目前高性能的头盔相对昂贵，并不是所有用户都能够轻易承受；其次是感觉上存在某种封闭性因素还有空间霸占等社会障碍, 意味着你并不能完全参与与外界产生直接交流信息 ; 再者设备通气设计问题就像外部声音是否支持再设备里呈现出来而使得个人可自由周旋.

头戴式显示器技术作为XR领域中最具创新力和潜力的技术之一，在近几年已经取得了巨大突破。尽管初期设备笨重且功能简单，如今的头套越来越轻便舒适，并且画质分辨率也大幅提升。而且，随着技术进步还去首当其冲解决了一些封闭感甚至是社交影响的问题. 我们可以期待头戴式显示器技术未来将会更加先进、多样化，并为用户带来更加逼真和沉浸式的虚拟体验。

三、透明显示技术

透明显示技术是在现实世界的背景上显示虚拟图像或信息的一种技术。这种技术通常使用透明显示器或透明屏幕，使用户可以同时看到现实世界和虚拟图像。

透明显示技术是一种在现实世界的背景上显示虚拟图像或信息的新兴技术。与传统投影或头戴式显示器不同，透明显示技术可以提供更加沉浸式和无干扰的增强现实体验。

通常来说，透明显示技术使用透明显示器或透明屏幕作为主要设备。这些屏幕具有特殊的材料和结构，使得光线能够从背面直接穿过并呈现出前方虚拟图像。用户可以同时看到真实世界和虚拟图像，并将它们对齐以创建交互效果。

其中一种常见的透明显示器类型是晶体管液晶（LCD）技术。LCD使用薄膜晶体和电流控制来调节光线通过液晶层的方式, 从而形成图像。当用户观看该设备时，在空白状态下，它仍然保持完全透明【4】；但当施加电压后，在指定区域会产生一个束小差异颜色起纤细点、线至最复杂多边方法开启画面插入. 这样就可以在不妨碍视野的情况下让用户观看到超级解析度透明图像.

原理图

另一种常见的透明显示技术是有机发光二极管（OLED）技术。OLED屏幕使用由有机化合物组成的薄膜来控制自发光和颜色变化. 与LCD相比，OLED在构造较为简单，并且可以实现更大尺寸和曲面设计, 尤其对于AR眼镜设计更加符合以便头戴舒服完全覆盖范围广输出等设大连品牌生产商推陈出新为了吸引用户.

透明显示技术不仅可以用于增强现实体验，在其他领域也有广泛应用。例如零售行业中，商家可以将促销信息直接投影到店铺窗户上，吸引顾客的注意力；汽车工业中，汽车制造商可以将HUD（抬头显示）系统集成到前挡风玻璃上，给驾驶员提供导航指示和车辆信息而无需转移视线。

虽然透明显示技术具有许多优势和潜力，但它也面临一些挑战需要解决。首先是可视性问题：由于背景环境复杂性变化、外界光线状态不同或者眩目程度远不如实体幕布械帮和头戴设备，可能影响到虚拟图像的清晰度和展示效果；其次是成本问题：由于透明屏幕技术相对较新，生产和制造方面的高费用导致市场价格偏高. 另外一个关键性议题是耐磨性挑战, 特别是商业或其他类型应用中, 透明显示设备需要具有足够的抗刮伤、防污染等特质以确保长时间使用。也有部分人在使用上提出会阻碍真实世界视觉影响行为例如: 安全性方向

透明显示技术正在迅速发展，并开始在增强现实、零售、汽车工业等领域得到广泛应用。通过使用透明屏幕或液晶面板，用户可以同时看到现实世界和虚拟图像。尽管当前透明显示技术仍面临一些挑战，但随着科技进步的推动，我们可以期待未来会有更加先进、高性能和实用的透明显示解决方案出现。

四、光波导技术

光波导技术使用光波导引导光线，将图像投射到用户的眼睛上。这种技术通常使用微型显示器和光波导设备，使用户可以看到虚拟图像，而不需要头戴式显示器。

光波导技术是一种创新的图像展示技术，它将图像以光线形式引导到观众的眼睛中。与传统的投影方式不同，光波导技术采用微型显示器和特殊构造的光波导设备来实现图像投射。这样用户就可以在没有头戴式显示器的情况下享受虚拟图像。

AR眼镜原理

光波导技术使用的主要组件——微型显示器。微型显示器是一个小巧而高分辨率的装置，通常由多个纳米级LED排列组成。这些LED通过电信号控制发出不同颜色和亮度的光线，然后将这些光线注入到光波导设备中进行引导。

光波导设备是能够引导或操纵距离很长且密集地传输光束（即“载体”) 的结构或配置。通常由无机玻璃、有机聚合物等材料制成，并具有非常高的透明性和折射率。当输入LED产生的光线通过适当设计的发射端口转移到传感区域时，光束会通过传感材料的反射来实现引导效果。这种特殊设计确保图像能够透明地投影到用户视野中，而不会干扰周围环境。

光波导设备原理图

在使用光波导技术时需要注意以下几点：

首先是安装和调试。由于光波导设备具有非常精密的结构和组件，因此在安装过程中需要非常小心谨慎。确保正确放置和连接各个部件，并进行必要的校准操作以实现最佳视觉效果。

接下来是选择眼镜款式和舒适性方面。员工可以根据自己的用途、风格和面部特征选择适合个人演示需求的款式，或者根据外界看作情况选择合适的款式和遮挡程度。只有融入到造型中，才能更显得休闲潮流。当然，还要考虑到公共场所可能存在的问题，比如Vive Pro上的DisplayPort延长线接口、耳机带易损故障率高以及虚拟身体模拟仪动作互动模块信息结果存储等增值产品是否相关。为了让用户完全集成这些设备，可以将设备组件的重量分散在头部或眼镜架上，以降低用户的不适感并提高使用者的接受程度。

光波导技术的应用非常广泛。在现实生活中，它被广泛运用于游戏、娱乐和虚拟现实等领域。例如，在游戏中，玩家可以通过光波导设备看到身临其境的图像，并进行更加真实、激动人心的互动体验。此外，在医学和教育方面，光波导技术也可以提供全新的交互式学习和培训方式。

尽管光波导技术有很多优点, 但仍然存在一些挑战需要解决 。比如长时间使用时会对用户眼睛造成疲劳效果 ，同时由于显示器刷新率较低、投影角度限制以及触控功能相对局限性等问题 ，目前评估准确迁移到商业贸易市场还需要进一步改进已满足经济个案模块化平台开放性和合作性需求。

参考文献：

[1]刘熠. 基于黎曼面的等角地图投影研究[D].南京师范大学,2015.

[2]李根. 激光显示系统关键技术研究[D].中国科学技术大学,2018.

[3]马文君. 虚拟现实技术在老年娱乐产品中的应用研究[D].齐鲁工业大学,2017.

[4]邢建芳. 基于空间扫描投影的全向三维显示关键技术研究与实现[D]. 江苏:南京航空航天大学,2014.

本文作者 @人机交互小学生

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