Ansys 部落格
September 29, 2022
模擬如何建立混合現實
模擬是結合實體與虛擬世界的許多優勢的標準承載者，因此毫不奇怪，模擬是延伸現實(XR)最新進步的核心。這是虛擬，增強和混合現實等技術的總括術語，以及快速發展的技術所包含的所有穿戴式裝置，感應器，人工智慧(AI)和軟體。這是一個相當大的保護傘，其中包括娛樂，醫療保健，員工訓練，工業製造，遠端工作， 還有更多已經在使用中，還有更多即將推出的產品。
由於XR仍在定義中，因此很難掌握它會變得多大。一些分析師將2021 XR市場估值爲310億美元，並預期到2024年將達到3000億美元。 1如果這些預測甚至接近現實，現在無論是大公司還是小公司，都肯定有大量的新XR產品，應用程式和開發經驗。但要讓XR實現這一潛力，需要什麼？
光學技術將延伸實境(XR)納入焦點，但與傳統攝影機鏡頭不同，XR採用更緊湊的波導和「扁平透鏡」設計。
也許將XR一詞分解成個別部分會有所幫助；此處提供了一個很好的回顧 。如該文章所述，擴增實境(AR)可讓您在真實世界的視角上新增虛擬影像，而虛擬實境(VR)則可讓您完全遠離真實世界，並在不同程度上沉浸在虛擬世界中。Mixed Reality (MR)顧名思義，是AR和VR的混合體。
什麼是混合現實？
混合現實融合了我們的實體世界和數位資產，使虛擬物件能夠即時與現實世界互動。
想像一下，結構工程師和電子工程師站在同一個房間中，看到彼此，以及在現實世界中漂浮的馬達的虛擬模型。他們可以旋轉，放大或查看模型內部，以像在電腦螢幕上一樣檢視其元件。他們也可以繞著它走，或將它放在實體汽車的引擎室中，以瞭解它如何融入實際空間，更好地瞭解它如何與其他系統元件互動，並在不遺失重要的語言和非語言溝通線索的情況下進行協作。當然，並非每個人都需要在同一個房間裏。如果引擎的互動式3D模型可以投影在真實的房間中，爲什麼不在1,000英里外的另一位工程師的3D全息圖？
很容易想像教室，手術室，工廠樓層等類似情境。若要最大化MR的優勢，需要麥克風，攝影機和感應器(例如加速計，紅外線偵測器和眼睛追蹤器)，以及快速連線至Cloud上的資料。若要充分利用這些技術所提供的功能，使用者必須穿戴耳機才能體驗完整的效果。
手術室只是混合現實的一個使用案例。它可以用作更有效的訓練工具，或協助指導外科醫生。
確保光學正確
若要建立您想要的MR，必須先解決光學設計元件和挑戰。耳機必須小巧輕便，因此佩戴舒適，甚至時尚，每天都能使用數小時。數位影像必須足夠明亮，才能在所有照明條件下檢視，包括晴天。實現高解析度和景深(DOF，或聚焦影像中最近點和最遠點之間的距離)也是一項挑戰。
爲了建立最真實且視覺準確的MR環境，公司使用光學模擬工具(例如 Ansys Zemax OpticStudio 和Ansys Lumerical產品)來設計光學系統。OpticStudio和Lumerical可在巨波長和次波長範圍提供完整的整合解決方案，協助您達成並最佳化MR應用的光學設計目標。OpticStudio可以以巨量尺度模擬整個系統，而Lumerical則可以模擬越來越多的衍射元件，這些元件正越來越多地用於改善效能並縮小這些系統的大小，這需要亞波長物理。
結合使用OpticStudio和Lumerical可讓您設計裝置中的所有光學元件，從光源到人眼。最佳化和公差的功能有助於確保您的設計成功且您的產品可製造。這一切都是使用光線追蹤，有限差分時域FDTD (RCWA)和嚴格耦合波分析(RCWA)的模型和工具來完成，並以強大的求解器作後盾。
XR應用中常見的波導設計和「扁平透鏡」設計，說明了將Lumerical和OpticStudio串聯使用的範例。在光學領域，波導確實符合其名稱，因爲它們引導光線波。扁平式設計，也稱爲摺疊光學元件，可將鏡頭和顯示器更緊密地結合在一起，以實現更緊湊的設計，同時最大程度地減少不必要的移動。
扁平透鏡設計(左)和波導設計(上方)的範例
若要最佳化波導設計，您可以模擬光線穿過使用衍射光柵的光學系統部分的行爲，元件可以設計爲以高效率將光線散射或分散到不同方向。您可以使用OpticStudio在宏觀尺度上模擬整個光學系統中光線的行爲。
要增強虛擬實境薄餅設計，您可以使用Lumerical模擬鏡頭的光學濾鏡，包括其彎曲偏振器和四分之一波板，然後在OpticStudio中模擬完整系統，以偵測和預測幽靈影像。
Lumerical和OpticStudio也可以動態連結，以提供無縫深入的整合。這種連接的工作流程可實現快速的設計迭代，對於系統的整體最佳化和公差非常重要。公差分析會檢查預期製造和組裝錯誤的影響，以確保所有模型規格都適當平衡，以達成您所需的光學設計。
模擬明天的革新
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