军用头盔显示与人眼机理关联的思考

Military helmet display associated with the mechanism of the human eye

----多学科交叉揭示眼之谜(4)

都世民（Du Shimin）

摘要：本文概述国内外前沿热点课题头盔显示装置的一些历史回顾，着重讨论其工作原理与人眼工作机理的关联。头盔显示装置可以军、民两用。从军用头盔显示装置在视网膜上成像原理，来探讨人眼运行机理。并指出两者的区别，对人眼工作机理的研究提出一些思考和验证思路。

关键词： 头盔显示器,，视网膜扫描头盔显示器，人眼，天线阵

Key words:  HMD，RSD，human eye，antenna array

引言

20世纪60年代，开始研究头盔显示器（Head-Moumted Disp1ay HMD）【1】，后来对图像源技术、目镜系统设计、视觉跟踪技术、模块化技术等关键技术进行研究，由于微型化和人眼视觉观察的微纳化，出现了视网膜扫描头盔显示器（Retina1 Scanning Displays，RSD）新产品。【2】

观察图像有多种方式：

一种是用微小像素的显示屏，观察者直接观察这屏幕来看图像，如手机、电视、电脑等；另一种是将屏幕上图像通过光学系统成像后，再用眼观察以获得所显示图像，如HMD【3】。第三种是RSD，即利用扫描器控制已调制的激光束作二维扫描，扫描图像成像后，在视网膜上形成对图像的感知。RSD显示可在无障碍环境下，可获得虚似信息与现实信息之间交互显示。【4】

对机器人而言，是通过数学建模来表达物体图像。直接决定着对物体识别的能力和可靠性。这是因为从不同的方向看一个物体，对应的图像是不同的，有时甚至差别很大。人们希望，物体表达方式尽量与观察物体的视角无关，这就需要研究有效的表达方式。目前物体表达方式主要由两种模型：一是三维形状模型，二是二维图像模型。【5】

不难看出人的视感系统成像机理与机器人是不同的。人工智能机器人的视觉成像不是仿人。不要以为两者有类似性。

RSD与人眼的机理应该有关联，从字面上看“视网膜扫描”头盔显示器，是围绕视网膜，医学上都认为视网膜是人眼成像的底片，也就是将人眼看成相机。如果遮掩相机镜头是无法成像的。可是头盔不同于相机，视网膜成像的机理不同于棝机底片。下面来讨论这些机理和关联。

头盔显示器历史回顾

上世纪80年代，Webb R设计了扫描激光检眼镱Scanning Laser 0phtha1moscope，SL0.【6】，

SL0采用特殊设计，用扫描装置控制激光束进行2维时序扫描，以实现对人眼视网膜均匀照明，通过眼底反射光进行探测成像，从而在视网膜上重构图像。该系统被广泛运用医学。Webb R对扫描光束进行视频调制以加载来显示信息。在省去探测光路后，观察者可以看到图像显示。【7】

1986年，日本Yoshinaka K为缩小体积、降低能耗，提出新构想：用扫描装置控制光束在视网膜上扫描来显示图像，还指出显示三维图像的可能。用于眼镜式便携显示器。当时受到光源、控制技术、扫描技术的限制，未能实现。

1991年，Ashizaki K等分析了扫描激光束用于视网膜图像显示原理，这种技术可提高分辩率、显示亮度，还能减少功耗。

1992年前后，华盛顿大学人机接口技术实验室研制了虚拟的视网膜显示器RSD原理样机。

Tidve11.M运用声光扫描器对RSD优化设计，提高图像分辨率。

Me1vi11e.D为了降纸扫描器驱动电压，设计了彩色显示的新型机械共振扫描器，降低了驱动电压和功耗。

美国Micr0 Vision公司研制了MEMS双轴扫描镜替代了机械共振式。

2002年，日车兄弟工业公司生产了眼镜式RSD样机。

视网膜扫描显示器工作原理

视网膜扫描显示系统输入的图像信号，按数据接口格式，输入到控制器，再将信号处理后，去驱动光源，光源被这驱动信号加载，输出的光束有相应强度，此光束经调制和整形后，输入到扫描器系统，控制器输出的信号是受驱动信号的作用，此输出信号进入扫描器，分别进行水平和垂直两个平面的时序扫描。扫描的光束经聚焦后成像，最后通过投影光学系统(目镜)来观察聚焦后所成的像，这些图像落在人眼视网膜上，被感知。【8】

因扫描系统扫描频率很高，人眼存在视觉延迟，无法看出有间隙的扫描线，在视网膜上形成的扫描光栅所构成的图像，感知的是清晰完整的二维图像。因光束是被图像信息调制的，在视网膜上的信号与调制的图像信号一致。【9】Fig.1 Block diagram of RSD。

应当指出的是：国内外文章将此工作原理说成是“视网膜扫描”，实际上是“扫描视网膜”。这种扫描是利用激光源，加调制信号，利用这种细的光束在视网膜上扫描，通过投影光学系统，可获得图像。而人眼是视网膜上有大量的视锥细胞进行扫描，因为它们是超大型阵列天线，工作在可见光波段。其频带超宽。【10】

为什么光学学科和微小光学学科都未提出这一机理，是因为视细胞是微纳层面，这些专业研究人员不了解生物学视感系统微观结构，而生物学、医学研究人員对视网膜向外的宏观和介观不太了解，这中间有一专业壁垒。也许是因专业分类过细；研究层面和拥有工具不同；拥有的专业基础知识不同等原因造成了这一壁垒，只有破除这一壁垒才会有新的进展和突破。【11-13】

关键技术的思考

1.军用头盔与人眼的工作机理

军用头盔与人眼的工作机理是不同的，两者都与视网膜有关联。军用头盔的关键技术包含以下几方面：

1.）光源及其调制；

2.）二维扫描器；

3.）扫描系统的分辨率；

4.）投影光学系统；

5.）出瞳扩展问题；

6.）扫描系统的安全性。

2.人眼功能：

扫描、跟综、识别、定位。这是多学科解释人眼工作机理矛盾所在，也是传统物理学、医学和光学所用的相机成像原理解读人眼工作机理存在缺陷所在，无法阐明相机能自动扫描、跟踪、识别、精确定位、色感等问题。

3.人眼的关键技术

1.）人眼的视觉感知，建立在可见光频段，也就是说光源是可见光，不是激光和红外。

2.）人眼的玻璃体是可变折射率透镜。

3.）视网膜上有两类视细胞。中间区域是形成色感的明亮区域，中间区以外是形成无色感的昏暗观测区。这些视细胞干什么用？怎样产生各种各样颜色？

4.）视网膜是紧贴着玻璃体，在内凹面形成球面阵列，阵元是视细胞。

5.）变折射率透镜与视网膜共同实现宽视角、扫描、色感、宽频带。

6.）控制部份是由视网膜后面的复杂网络完成。

4.人眼工作机理突破的可能途径的思考

目前对人眼工作机理的解读与传统解读已经发生变化。主要变化可归纳为以下几点：

1）人眼玻璃体是水晶体，是变折射率透镜；

2）用微小光学建立的理论与实验，可以证明玻璃体是一球面透镜，它与视网膜上视细胞综合起来分析，另外人眼的扫描、跟踪、识别、定位等功能，用光学成像机理无法解释。

3）视细胞是天线单元这一推论如何证明，这是个难题。

一是人造活细胞已有报道，但这项技术能否造出视锥细胞一样的结构，尚不清楚。

二是利用人眼或动物眼睛的活细胞，怎样检测微弱的光信号无线传输？

4）假定视网膜天线阵的构想成立，能否仿生研制这种阵列天线，其单元是微米级，间距是纳米级，这一想法涉及纳米技术、新材料、阵列后面的网络等研制。

结论与讨论

自20世纪60年代以来，开始研究头盔显示器（Head-Moumted Disp1ay HMD），后来对图像源技术、目镜系统设计、视觉跟踪技术、模块化技术等关键技术所进行的研究，由于微型化和人眼视觉观察的微纳化，出现了视网膜扫描头盔显示器（Retina1 Scanning Displays，RSD）新产品。而且新近又发布“人眼摄像机”产品。【14、15】

这些新产品都与“人眼”紧密相关。其含义是这些新产品都与人眼视感机理有关，是受人眼启发还是人工智能发挥“神奇”作用？是有讨论的必要。不管怎么说，这类新产品是当今国内外前沿课题的研究热点。

笔者不解的是：头盔显示装置明明是利用激光束对視网膜进行扫描，却用“视网膜扫描”来命题，用“人眼摄像机”来命题，为什么会这样呢？这些新产品不是按“人眼工作机理”，也不是“视网膜本身所做的扫描”，它们是一种新的光学产品。

视网膜扫描头盔显示器（Retina1 Scanning Displays，RSD）新产品与人眼视感系统的研究是两股道上跑的车，不是一回事。当然这些光学新产品的出现己逼近視网膜这一微纳层面，尽管多学科对人眼视感工作机理尚未完全揭秘，至少已见一丝曙光，一旦多学科研究人員从视网膜两边思考人眼结构和人眼功能，不能解释其间矛盾时，必然会想方设法突破这一壁垒。揭开人眼视感系统的工作奥秘。

参考文献

【1】Sutherland I E ，A head一mounted three dimensional display [C]//Fall Joint Confeerence ，1968，33：757-764。

【2】De Wit G C .Retinal scanning display for virtual reality[D].Delft University of Technology，1997。

【3】Tidwell M，Johnston R，Melville D，et al.The virtual retinal display-a retinal scanning imaging system[C]//Proceedings of Virtual Reality World’95，1995，325-333。

【4】Urey H.Optical advantages of retinal scanning displays[C]//SPIE，Hekmet-and Head-Mounted Displays V，2000，4021：20-25。

【5】：胡占义，机器人视觉中的物体表达问题，Object Representation for Robot Vision，              10000个科学难题·信息科学卷，／“10000个科学难题”信息科学编委会。一北京：科学出版社，2011。

【6】Johnston R，Willey S，Development of commercial retinal scanning display [C]//SPIE，Helmet-and Head-Mounted Displays and symbolog Design Requirements H，1995，2465：2-13。

【7】Webb R H，Hughes G W，Delori F C，Confocal scanning laser ophthalmoscope[J].Appl Opt，1987，26(8)：1492-1499。

【8】Urey H，Nesorovie N，Ng B，et al. Optical designs and system MTF for laser scanning displays[C]//SPIE，Hemet-and Head-Mounted Displays IV，1999，3689：238-248。

【9】呼新荣，刘美，王健，李淳，孙强，李品，刘兵，基于视网膜扫描的头戴显示器研究现状，激光与红外工程，2014年3月。

【10】都世民，人眼是超宽带超级阵列天线，The human eye is Super array of UWB antenna，

http://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2225832&extra=

【11】都世民，多学科交叉揭示眼之谜（1），Multidisciplinary cross reveal the mystery of eye，本文来自都世民科学网博客。链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-995247.html 

【12】都世民，微小光学与微观电磁学论眼，Microoptics & micro theory of electromagnetism  reveal the mystery of eye，--------多学科交叉揭示眼之谜（2）本文来自都世民科学网博客。
链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-996131.html 

【13】都世民，揭开人眼色感之谜，multidisciplinary  reveal the mystery of the human eye color perception----------多学科揭示眼之谜（3）本文来自都世民科学网博客。
链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-1006333.html 

【14】格灵深瞳发布人眼摄像机：50米内清晰识别人脸，2016-10-19 22:53 来源：网易科技。

【15】格灵深瞳人眼摄像机，从高清跨越到极速高清时代 2016-05-23 09:58:34，来源:安防知识网。