Bước đột phá lớn cho kính AR! Một nhóm từ Đại học Jiao Tong Thượng Hải đã đề xuất một sơ đồ cân bằng mặt nạ, vượt qua thách thức truyền ánh sáng trong màn hình AR có khả năng che phủ.

Vào năm 2026, một nhóm hợp tác bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Giao thông Thượng Hải, Đại học Công nghệ Graz (Áo), Viện Khoa học và Công nghệ Nara (Nhật Bản) và Đại học Khoa học và Công nghệ Chiết Giang đã công bố một nghiên cứu mang tính bước ngoặt có tiêu đề 'Cân bằng mặt nạ: Nâng cao khả năng hiển thị động theo hướng nhận thức cho màn hình gắn trên đầu có khả năng nhìn xuyên qua quang học có khả năng che phủ' trên tạp chí uy tín Giao dịch trực quan và đồ họa máy tính của IEEE . Nghiên cứu này giới thiệu giải pháp cải tiến 'Cân bằng mặt nạ' nhằm giải quyết thách thức quan trọng của ngành—độ truyền ánh sáng trong thế giới thực cực kỳ thấp trong màn hình AR gắn trên đầu quang học có khả năng che phủ (OC-OSTHMD)—bằng cách đồng thời tối ưu hóa đường dẫn quang phân cực và nhận thức thị giác của con người, từ đó giải quyết trở ngại chính cho việc thương mại hóa kính AR cấp công nghiệp và tiêu dùng.

I. Điểm khó khăn cốt lõi của ngành: Tắc nghẽn ở cấp độ điểm ảnh gây mất độ sáng không thể khắc phục

Màn hình gắn trên đầu AR trong suốt quang học (OC-OSTHMD) có khả năng che khuất lẫn nhau giữa các phần tử ảo và thực là điều cần thiết để hiển thị các vật thể ảo có độ sâu thực tế và tích hợp liền mạch vào môi trường vật lý. Họ sử dụng bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM) để đạt được khả năng che khuất hình ảnh ở cấp độ pixel, từ đó giải quyết vấn đề 'bóng ma nổi' liên quan đến hình ảnh ảo trong hệ thống AR bán trong suốt truyền thống. Tuy nhiên, các kiến ​​trúc quang học hiện tại có một nhược điểm không thể tránh khỏi liên quan đến việc truyền ánh sáng:

1. Để đạt được hiệu ứng che khuất, ánh sáng từ khung cảnh trong thế giới thực phải trải qua quá trình phân cực, dẫn đến độ sáng bị giảm ngay lập tức 50%;

2. Sự suy giảm tín hiệu do xếp chồng nhiều thành phần—chẳng hạn như SLM, Bộ tách chùm tia phân cực (PBS) và bộ kết hợp quang học—hạn chế khả năng truyền ánh sáng tối đa theo lý thuyết ở mức dưới 20%, trong khi các nguyên mẫu thực tế thường đạt được ít hơn 7%;

3. Phản xạ nhiều đường quang và tổn thất quang phổ từ các thành phần phân cực làm giảm thêm độ sáng xung quanh; trong môi trường mờ trong nhà, chế độ xem thực tế trở nên tối quá mức, cản trở khả năng quan sát và tương tác của người dùng, đồng thời gây ra rủi ro về an toàn.

Các giải pháp trước đây chủ yếu tập trung vào việc lặp lại phần cứng—chẳng hạn như tăng độ truyền SLM, chuyển sang công nghệ LCoS/DMD phản xạ hoặc khám phá các vật liệu quang điện. Tuy nhiên, các thành phần quang học phải đối mặt với các giới hạn vật lý về truyền ánh sáng và các phương pháp quang điện gặp phải những hạn chế như thời gian phản hồi chậm và độ chính xác tắc ở mức pixel không đủ, không giải quyết được xung đột giữa mức độ sáng trong thế giới ảo và thế giới thực. Cân bằng giữa nhu cầu về độ sâu che khuất thực tế của các vật thể ảo với yêu cầu về khả năng hiển thị cao của thế giới thực đã trở thành nút thắt quan trọng đối với việc thương mại hóa hàng loạt các thiết bị AR thế hệ tiếp theo.

II. Cải tiến kỹ thuật: Kết hợp đường dẫn quang phân cực kép + Điều chế động dựa trên nhận thức

Vượt ra ngoài cách tiếp cận chỉ cải thiện các thành phần phần cứng riêng lẻ, nhóm nghiên cứu từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã đề xuất một 'phương pháp cân bằng mặt nạ'. Phương pháp này kết hợp sửa đổi đường quang phân cực với chi phí thấp với mô hình định lượng về nhận thức thị giác của con người để điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ truyền ánh sáng giữa khung cảnh trong thế giới thực và hình ảnh ảo. Toàn bộ giải pháp chỉ yêu cầu bổ sung một bộ phân cực tuyến tính xoay (Cân bằng LP) vào OC-OSTHMD (Màn hình gắn trên đầu nhìn xuyên qua quang học) hiện có, mang lại khả năng tương thích cao và chi phí sửa đổi thấp.

1. Kiến trúc kết hợp quang học phân cực kép

Ánh sáng tự nhiên được phân chia bằng bộ tách chùm phân cực thành hai đường phân cực độc lập, mỗi đường có một chức năng cụ thể:

đường che khuất phân cực s (che khuất tầm nhìn): Đi qua hệ thống quang học AR ban đầu và sử dụng SLM để đạt được sự che khuất ở cấp độ pixel của thế giới thực bằng nội dung ảo, mang lại cảm giác về độ sâu không gian, mặc dù bị mất ánh sáng đáng kể;

Đường truyền trực tiếp phân cực p (tầm nhìn trong thế giới thực nguyên bản): Bỏ qua tất cả các thành phần quang học liên quan đến tắc nghẽn, duy trì hoàn toàn độ sáng ban đầu của cảnh xung quanh mà không bị suy giảm thêm ánh sáng.

Hệ thống sử dụng mô-đun quay để điều chỉnh góc φ giữa bộ phân cực tuyến tính và bộ tách chùm tia phân cực, kiểm soát chính xác tỷ số truyền của ánh sáng trong thế giới thực và ánh sáng hình ảnh ảo. Tốc độ truyền được điều chỉnh bởi các công thức sau: truyền trực tiếp trong thế giới thực (T_{pass} = cos^2φ); và truyền tải cho chế độ xem thế giới thực bị che khuất và hình ảnh ảo (T_{mask}/T_{image} = sin^2φ cdot T_{HMD}/T_{display}). Việc điều chỉnh góc này cho phép chuyển đổi trọng số hình ảnh theo thời gian thực: trong môi trường ánh sáng yếu, tỷ lệ đường truyền trực tiếp được tăng lên để làm sáng chế độ xem trong thế giới thực; trong môi trường ánh sáng cao, tỷ lệ truyền trực tiếp bị giảm để tăng cường độ tương phản của vật thể ảo.

2. Hệ thống điều chế thời gian thực dựa trên nhận thức

Toàn bộ logic cân bằng động hoạt động trong thời gian thực dựa trên phương pháp cảm biến kép—kết hợp theo dõi mắt với phân tích hình ảnh cảnh—và phù hợp với các nguyên tắc nhận thức thị giác của con người thay vì chỉ dựa vào tính toán dựa trên thông số kỹ thuật phần cứng quang học:

Đánh giá khả năng hiển thị trong thế giới thực: Một camera cảnh ghi lại chế độ xem trong thế giới thực và hình ảnh được phân tách thành bảy cấp độ băng thông bằng cách sử dụng kim tự tháp tương phản Peli. Hệ thống chọn độ tương phản bình phương trung bình gốc (RMS) của dải tần số trung bình 4,7 cpd (chu kỳ trên mỗi độ) làm thước đo đánh giá. Bằng cách tích hợp Chức năng độ nhạy tương phản Barten (Barten CSF) với dữ liệu đường kính đồng tử từ camera theo dõi mắt, hệ thống sẽ tính toán—trong thời gian thực—ngưỡng tương phản tối thiểu cần thiết để mắt người cảm nhận được khung cảnh trong thế giới thực. Nếu khả năng hiển thị giảm xuống dưới tiêu chuẩn này, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc phân cực để tăng độ sáng của đường quang trực tiếp.

Đánh giá khả năng hiển thị đối tượng ảo: Phân tích Mật độ quang phổ công suất (PSD) được thực hiện trên các mô hình ảo để phân biệt giữa các mô hình kết cấu tần số cao (ví dụ: cây phong, cây Giáng sinh) và các mô hình tối giản tần số thấp (ví dụ: thỏ, ấm trà), với độ tương phản Weber được sử dụng để định lượng độ rõ nét của hình ảnh ảo. Nhóm đã hiệu chỉnh ngưỡng nhận thức thông qua hai bộ thí nghiệm giữa con người và đối tượng: độ tương phản quan trọng của Weber để nhận dạng kết cấu ảo được xác định là 0,537, trong khi ngưỡng tới hạn để nhận biết hiệu ứng ánh sáng và bóng tối là 0,443. Khi độ tương phản của hình ảnh ảo giảm xuống dưới các ngưỡng này, hệ thống sẽ tự động tăng trọng số của đường dẫn quang bị che khuất để nâng cao kết cấu và độ phân giải được cảm nhận của các vật thể ảo.

Hệ thống sử dụng bộ lọc Kalman để làm mượt dữ liệu dao động của đồng tử được camera theo dõi mắt ghi lại, loại bỏ tiếng ồn của thiết bị và đảm bảo điều chỉnh mượt mà, ổn định trong quá trình chuyển đổi giữa các điều kiện ánh sáng khác nhau. Bộ thuật toán hoạt động bằng cách sử dụng song song luồng kép, với phân tích hình ảnh cảnh chạy độc lập với luồng kết xuất chính; điều này dẫn đến chi phí tính toán thấp, giúp nó tương thích với các công cụ kết xuất thời gian thực AR chính thống.

III. Thí nghiệm nhận thức của con người: Định lượng ngưỡng thị giác và xác thực sơ đồ đề xuất

Để thiết lập đường cơ sở chính xác cho sự cân bằng nhận thức, nhóm đã tiến hành ba bộ thí nghiệm người dùng được tiêu chuẩn hóa—tất cả đều được Ủy ban đạo đức nghiên cứu con người của Đại học Giao thông Thượng Hải phê duyệt—tuyển tổng cộng 36 người tham gia có kinh nghiệm về AR hoặc đồ họa máy tính.

1. Thí nghiệm nhận thức kết cấu ảo (12 người tham gia): Các kết cấu có kích thước lớn, trung bình và nhỏ được sử dụng để mô phỏng các vật thể ảo với tần số không gian khác nhau, bao gồm bốn mức độ chiếu sáng xung quanh trong nhà (29–626 cd/m²). Kết quả cho thấy các kết cấu mịn, tần số cao yêu cầu độ tương phản cao hơn để nhận dạng hình ảnh, trong khi ngưỡng nhận dạng đối với các mô hình tần số trung bình và tần số thấp khác nhau rất ít. Các yếu tố như giới tính, trải nghiệm sử dụng AR và quy mô học sinh không có tác động đáng kể đến ngưỡng nhận thức, cho thấy các mô hình nhận thức có tính nhất quán cao trong nhóm người tham gia.

2. Thí nghiệm nhận thức ánh sáng và bóng tối ảo (24 người tham gia): Các mô hình ảo được ghép nối (ví dụ: ấm trà, robot, cây thông Noel)—một mô hình có phản chiếu ánh sáng/bóng tối và một mô hình không có—được so sánh. Những người tham gia điều chỉnh góc phân cực cho đến khi hai mô hình trông giống hệt nhau. Thí nghiệm đã chứng minh rằng hiệu ứng ánh sáng và bóng tối vốn chứa các chi tiết tần số cao, cho phép chúng dễ dàng phân biệt ngay cả trên các mô hình hình học tần số thấp; tần số không gian cho thấy không có ảnh hưởng đáng kể về mặt thống kê đến ngưỡng nhận thức về ánh sáng và bóng tối.

3. Thử nghiệm so sánh toàn diện trong các tình huống có nhiều ánh sáng (12 người tham gia): Một nguyên mẫu trên mặt bàn được xây dựng để mô phỏng bốn điều kiện ánh sáng trong thế giới thực: tắt đèn trong nhà (8 cd/m²), bật đèn trong nhà (135 cd/m²), bóng râm ngoài trời (287 cd/m²) và ánh sáng rực rỡ ngoài trời (414 cd/m²). Một so sánh mù được tiến hành giữa ba điều kiện: giải pháp đề xuất (MB), AR không bịt kín truyền thống (AR) và tai nghe tắc tĩnh (OC).

· Môi trường trong nhà có ánh sáng yếu: AR truyền thống dẫn đầu (47%), theo sát là giải pháp này (44%), trong khi các thiết bị che khuất truyền thống chỉ ở mức 8%;

· Môi trường trong nhà sáng sủa: Giải pháp này dẫn đầu với tỷ lệ ưu tiên 42%;

· Kịch bản có ánh sáng/bóng râm ngoài trời: Giải pháp này đạt tỷ lệ ưa thích lần lượt là 58% và 53%, vượt trội đáng kể so với các giải pháp truyền thống;

· Đánh giá tổng thể: 50% người tham gia ưa thích hệ thống cân bằng dựa trên mặt nạ, 36% chọn tai nghe bịt kín truyền thống và chỉ 14% chọn AR nhìn xuyên thấu tiêu chuẩn.

Cảnh quay trong thế giới thực thể hiện rõ ràng sự khác biệt: với AR dựa trên tắc nghẽn truyền thống, chế độ xem trong thế giới thực dường như bị xóa nhòa nghiêm trọng trong mọi môi trường; với AR không bị tắc tiêu chuẩn, nội dung ảo hầu như biến mất dưới ánh sáng chói ngoài trời; ngược lại, công nghệ cân bằng mặt nạ điều chỉnh độ sáng một cách thích ứng—duy trì tầm nhìn rõ ràng về thế giới thực trong nhà đồng thời bảo toàn hoàn toàn kết cấu, ánh sáng và bóng của vật thể ảo trong điều kiện sáng ngoài trời—từ đó đảm bảo trải nghiệm hình ảnh tối ưu trong cả hai tình huống.

IV. Giá trị ứng dụng và sự thay đổi mô hình trong toàn ngành

1. Các kịch bản triển khai đa dạng

Bước đột phá về công nghệ này vượt ra ngoài phạm vi kính AR dành cho người tiêu dùng, mang lại giá trị thực tiễn to lớn trong môi trường công nghiệp chuyên nghiệp:

· O&M công nghiệp: Xếp chồng các bản thiết kế và chú thích trong quá trình bảo trì thiết bị trong khi vẫn duy trì cái nhìn rõ ràng về cấu trúc cơ khí vật lý;

· Hỗ trợ y tế: Lớp phủ hình ảnh trong phẫu thuật và đào tạo phục hồi chức năng, kết hợp quan điểm thực tế về cơ thể con người với chú thích kỹ thuật số;

· Các ứng dụng như giáo dục và đào tạo, điều hướng trên xe, cộng tác từ xa và thiết kế kiến ​​trúc, nâng cao đáng kể khả năng sử dụng thiết bị AR trong môi trường ánh sáng phức tạp.

2. Cách tiếp cận mới đối với thiết kế màn hình AR

Nghiên cứu này đề xuất một sự thay đổi mô hình trong ngành: trong khi thiết kế quang học AR trước đây tập trung chủ yếu vào việc tối ưu hóa các thông số vật lý như độ truyền và độ phân giải ánh sáng của phần cứng, thì nghiên cứu này chứng minh rằng nhận thức thị giác của con người là một khía cạnh thiết kế quan trọng không thể bỏ qua. Nghiên cứu trước đây của nhóm đã xác nhận sự khác biệt đáng kể giữa nhận thức thị giác thực tế của con người và các phép đo được thực hiện bằng các thiết bị quang học, cho thấy rằng chỉ tối ưu hóa phần cứng không thể đạt được trải nghiệm hình ảnh tốt nhất. Sơ đồ điều khiển dựa trên nhận thức có thể khắc phục các hạn chế vật lý của phần cứng quang học; nó đồng thời nâng cao chất lượng của cả hình ảnh trong thế giới ảo và thế giới thực—mà không ảnh hưởng đến kích thước hoặc chi phí của thiết bị—đồng thời đảm bảo sự thoải mái về thị giác cho người dùng và an toàn vận hành.

V. Những hạn chế hiện tại và hướng nghiên cứu trong tương lai

Vẫn còn chỗ để tối ưu hóa trong nguyên mẫu máy tính để bàn hiện tại và nhóm đã lên kế hoạch cho các hướng sau cho các lần lặp lại trong tương lai:

Tối ưu hóa độ chính xác của vùng tắc: Độ sáng trong thế giới thực có thể gây rò rỉ ánh sáng nhẹ ở ranh giới vùng tắc; những cải tiến trong tương lai sẽ giảm thiểu điều này bằng cách tích hợp các micro-OLED có độ sáng cao, thuật toán bù màu và chiến lược cân bằng theo định hướng nhiệm vụ (ưu tiên độ chính xác của tắc nghẽn ảo trong các cảnh được mô hình hóa có độ chính xác cao).

Điều chỉnh độ sáng mượt mà: Tốc độ quay phân cực hiện tại cao, dẫn đến thay đổi độ sáng đột ngột có thể gây khó chịu cho thị giác; sự phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào các thuật toán để chuyển đổi độ sáng dần dần, liền mạch.

Nguyên mẫu thích ứng hai mắt: Thiết bị hiện tại là một mắt; Bước tiếp theo liên quan đến việc xây dựng hệ thống cân bằng mặt nạ hai mắt và kết hợp mô hình nhận thức độ tương phản hình ảnh hai mắt.

Phân loại phổ đối tượng tự động: Cho phép nhận dạng tự động, theo thời gian thực các đặc điểm tần số cao và tần số thấp của các đối tượng ảo, loại bỏ nhu cầu cấu hình thủ công các ngưỡng nhận biết.

Công nghệ cân bằng mặt nạ do nhóm nghiên cứu tại Đại học Giao thông Thượng Hải đề xuất đã giải quyết được xung đột về độ sáng lâu nay đã cản trở việc áp dụng rộng rãi AR nhìn xuyên quang học. Bằng cách kết hợp các cải tiến phần cứng cho đường dẫn quang phân cực kép với thuật toán cân bằng động dựa trên nhận thức, giải pháp này rất dễ triển khai và tương thích với các kiến ​​trúc quang học AR chính thống. Được xác thực thông qua các thử nghiệm sâu rộng trên đối tượng con người và các tình huống chiếu sáng đa dạng, nó đồng thời nâng cao khả năng hiển thị của môi trường thế giới thực và kết cấu chân thực của các vật thể ảo trong mọi điều kiện—từ bối cảnh trong nhà mờ ảo đến môi trường sáng ngoài trời. Bằng cách tích hợp sâu sắc khoa học nhận thức thị giác với kỹ thuật hiển thị gần mắt, công nghệ này mở ra một con đường tối ưu hóa mới cho kính AR thế hệ tiếp theo, mang đến giải pháp khả thi cho việc triển khai các thiết bị AR trong thế giới thực cả ngày trong các lĩnh vực tiêu dùng, công nghiệp và y tế, từ đó nâng cao khả năng nhìn xuyên thấu quang học AR từ các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm đến các sản phẩm thực tế.

Nguồn: CINNO