电子透明还是光学透明，这是一个问题？苹果Vision Pro分析

苹果于近期发布了其最新的创新产品——苹果Vision Pro智能眼镜。这款智能眼镜的面市引起了广泛关注，被视为开创了智能穿戴设备的新纪元。苹果Vision Pro作为一款创新的智能眼镜，以其强大的增强现实技术、优秀的设计与舒适度以及智能生态系统的整合，为用户带来了前所未有的人机交互体验。它具备广泛的应用潜力，可能改变多个行业的工作方式和用户体验，开创了智能穿戴设备的新纪元。

本文将以一个底层硬件核心的视角，抛开所有的表象，以第一性原理，分析苹果Vision Pro对AR，VR显示带来的影响。

苹果Vision  Pro表面上是一个体积大，集成了许多高科技技术的头盔计算机系统。它包括M1 主控CPU，R1图像处理芯片，高达12个各种摄像头，5个各种探测器以及6个麦克风。苹果期待以及强大的设计能力和平台的力量，推出一款爆款的AR显示技术。

苹果Vision Pro采用了先进的传感器和光学技术，以便让用户可以看到外部世界，并将虚拟元素叠加在现实景象上，实现增强现实（AR）体验。具体来说，苹果Vision Pro眼镜配备了多个传感器，包括摄像头、深度传感器、陀螺仪和加速度计等。

这些传感器的协同工作使得Vision Pro能够获取用户周围环境的信息，并对其进行精确感知，摄像头是其中最重要的传感器之一，Vision Pro眼镜上的摄像头会实时捕捉用户所看到的外部世界的图像。这些图像数据会被传输到眼镜内部的处理单元进行分析和处理。深度传感器也是关键组件之一，它使用红外光或激光等技术，测量物体与眼镜之间的距离，并创建一个深度图像。这使得Vision Pro能够更准确地识别和定位虚拟元素的位置，实现更精确的AR叠加效果。此外，陀螺仪和加速度计等传感器帮助记录和跟踪眼镜在空间中的方向和运动。

这些传感器可以检测头部的旋转和倾斜，以便根据用户的视角调整虚拟元素的位置和角度，使其与外部环境保持一致。整个传感器系统与眼镜内部的处理单元相互配合，实时处理和整合数据，将用户所看到的外部世界与虚拟元素进行融合，最终通过眼镜上的显示器呈现给用户。这样，用户就能够通过苹果Vision Pro眼镜同时感知和互动现实世界和虚拟元素，创造出沉浸式的增强现实体验。

图一  Pancake光学设计方案

 但是从一个光学工程师的角度看，苹果Vision Pro眼镜实际上是一个Pancake虚拟显示的光学架构，外加许多的摄像头和显示器。

图二  Pancake硬件结构

Pancake结构本身是一个不透明的，是虚拟增强现实的典型结构，不能应用于增强现实显示。苹果采用了一个外向的摄像头收集外部图像，显示在内向4KOLED显示器上，做到对内的透明。这一技术实际上并不新颖也不是苹果的专利。Pancake的光学架构是几十年前的技术，其主要目的是减小VR眼镜的厚度。

最近在VR眼镜上突然受到热捧，许多初创公司和大公司是都相继推出了基于pancake的VR眼镜，例如华为的李腾跃团队在4年前就有该类架构的产品推出。利用摄像头看到被显示器阻挡的真实世界这一想法也是显而易见，苹果在2017年收购的初创公司Vrvana （3000万美金），就是采用的这一思路。

同时，为了让对面的观众能够和戴苹果眼镜的人保持视线交流，苹果眼镜专门放了一个外向OLED显示器，对第三方专门显示戴眼镜者的眼睛。由于外向的OLED的图像平面并不和用户脸平面在同一个平面上，外向OLED显示器上还被放置了透镜阵列，实现裸眼3D的效果。这样使得的对面第三方和用户交流时，看到的用户的眼睛和用户的脸面在同一个平面上。

由此可见，苹果花了巨量的成本，牺牲了小巧的体积，实际上就是实现了一种电学透明的效果。由于有双向摄像头和双向显示器的作用，不透明的眼镜变成一个电学上透明的眼镜。

这一方法和增强现实的主流方法并不相同。实际上属于虚拟现实VR的范畴，虚拟现实显示是不透明的显示器产生了一个虚拟的世界，完全割断了虚拟和真实世界的联系。目前主流增强显示的技术，本质上是一个透明的显示器。可以把虚拟内容增强显示到为外界世界上。

目前增强现实显示（图三，一个理想的增强现实眼镜），无论是基于光波导的AR眼镜（图四，光波导架构示意图），车载ARHUD，还是光子晶体科技有限公司的裸眼AR显示系统（NanoAR©，图五），它们本质上都是光学透明。而苹果新推出的Vision Pro本质上只是电学上透明。未来的AR显示技术到底会是光学透明还是电学透明？由此就产生了灵魂之问：“电子透明还是光学透明，这恐怕是个问题。”

图三，一个理想的增强现实眼镜

图四，光波导架构示意图

图五，光学透明的NanoAR©

光学透明的优势非常明显，它本质上是透明的，用户直接看到外界世界，其分辨率，视角，对比度都比利用显示技术产生的图像大得多。由于有了真实的世界作为锚定，使用的眩晕感，安全性等等都会比较容易接受。在眼镜失效的情况下，也不会产生危险。

光学透明的最大的问题，是所有的虚拟现实的内容，都要叠加到外界真实的世界上。外界世界的亮度的变化范围非常大，所以显示器的动态范围需要非常大，从比较暗的环境的100多尼特到阳光下的上万尼特，这样近两个数量级的动态范围，对增强现实显示的性能提出了巨大的要求。目前增强现实显示主要技术方案为Bird Bath和光波导两种方式实现。体积可以做得比较小，但是离满足两个数量级的大动态范围，还有非常遥远的道路。

电学透明的优势，是完全不用考虑光学系统的透明度。光学系统设计比较简单，就显示本身而言可以利用高分辨率OLED屏。其主要问题在于以下几个方面：

1) 体积巨大，由于存在两层显示器，两套光学系统（ Pancake和裸眼3D屏），体积巨大，我认为如果没有其他革命性的硬件光学技术出现，就按照苹果provision目前的架构进化，其体积大优化空间已经不大了，不会有太多的改进。

2) 由于透明的功能实际上是有电学来实现的，系统中的故障将导致透明失效，这就使得增强现实眼镜目前最有前途的场景，比如驾驶、军事、工业，医疗等方面使用会受到很大的限制。因此，只有在一般的娱乐消费领域有特定的市场，而这些领域目前的需求已经被VR增强现实显示系统所满足。

3)  同时由于两层的平板显示器，和众多的摄像头，为了实现3D建模，低延时显示需要巨大的算力，功耗也比较高，近期的未来很难做到真正便携式头戴式的显示。

笔者认为，增强现实眼镜，首先必须有一个眼镜的形态。其大小，功耗要足够小，只有这样，增强现实眼镜（AR）才能走入亿万家庭，变成手机以外的第二个计算平台。苹果Vision Pro的发布，反映了市场和工业界对增强现实显示AR的巨大兴趣。苹果生态系统的导入也会大大加快硬件技术、软件技术和应用生态的发展。

我们可以期待，未来智能眼镜技术将会有更加广阔的前景和更快的发展。但是就硬件技术和系统架构而言，我们认为苹果的技术方案显然满足不了人们对增强现实眼镜体积和功耗的要求，很可能是一个中间的方案， AR眼镜还期待新的硬件技术。