2026 年，上海交通大學聯合奧地利格拉茨技術大學、日本奈良先端科學技術大學院、浙江科技大學團隊在國際頂刊《IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics》發表重磅研究《Mask Balancing: Perception-Driven Dynamic Visibility Enhancement for Occlusion-Capable Optical See-Through Head-Mounted Displays》，提出掩膜平衡（Mask Balancing） 創新方案，從偏振光路與人眼視覺感知雙維度解決遮擋型光學透視 AR 頭顯（OC-OSTHMD）實景透光率過低的行業核心難題，為消費級、工業級 AR 眼鏡落地掃清關鍵障礙。
具備虛實互遮擋能力的光學透視 AR 頭顯（OC-OSTHMD）是實現虛擬物體深度寫實、貼合現實空間的核心設備，依靠空間光調制器（SLM）實現像素級畫面遮擋，解決傳統半透明 AR 虛擬圖像 “懸浮虛影” 問題。但現有光學架構存在難以規避的透光短板：
1、為實現遮擋效果，實景光線需經過偏振處理，直接損失 50% 亮度；
2、SLM、偏振分束器（PBS）、光學合束鏡等多層元件疊加衰減，理論最大透光率不足 20%，實際原型透光甚至低于 7%；
3、多次光路折返、偏振元件光譜損耗進一步壓低環境亮度，室內暗光環境下實景畫面嚴重發暗，干擾用戶觀察、操作，存在安全隱患。
過往解決方案僅聚焦硬件迭代，例如提升空間光調制器透光率、改用反射式 LCoS/DMD、探索光致變色材料等，但光學元件存在物理透光上限，且光致變色方案存在響應速度慢、像素遮擋精度不足等缺陷，無法從根源平衡虛實亮度沖突。如何在保留虛擬物體真實遮擋層次的同時，保障真實世界高可見度，成為下一代 AR 設備規模化商用的核心瓶頸。
上交大團隊跳出單一硬件改良思路，提出掩膜平衡法，通過低成本偏振光路改造結合人眼感知量化模型，動態調配實景與虛擬畫面透光比例，整套方案僅需在現有 OC-OSTHMD 基礎上加裝旋轉線性偏振器（Balancing LP），兼容性強、改造成本低。
現實自然光經偏振分束器拆分為兩路獨立偏振光路，各司其職：
s 偏振遮擋光路（掩膜視覺）：完整經過原有 AR 光學系統，搭載 SLM 實現像素級虛實遮擋，提供具備空間層次感的虛擬畫面，但存在嚴重光損耗；
p 偏振直通光路（原生實景視覺）：繞過全部遮擋光學組件，完整保留環境原始亮度，無額外光線衰減。
系統通過旋轉模組調節線性偏振器與偏振分束器的交叉夾角 φ，精準控制兩路實景光與虛擬圖像光的透射占比，透射率滿足公式：直通實景透光率\(T_{pass}=cos^2φ\)，遮擋實景與虛擬圖像透光率\(T_{mask}/T_{image}=sin^2φ·T_{HMD}/T_{display}\)。夾角變化可實時切換畫面權重：暗光環境抬高直通光路占比提亮實景；強光環境降低直通比例，強化虛擬物體對比度。
掩膜平衡光學原理示意圖
整套動態平衡邏輯依托眼動追蹤 + 場景視覺分析雙傳感實時運行，全程貼合人類視覺感知規律，而非單純依靠光學硬件參數計算：
實景可見度測算：場景相機采集實景畫面，通過 Peli 對比度金字塔分解 7 級帶通圖像，選取 4.7cpd 中頻帶通的均方根（RMS）對比度作為評價指標，結合巴滕對比度敏感度函數（Barten CSF）、眼動相機捕捉的瞳孔直徑，實時計算當前環境下人眼可識別實景的最低對比度閾值；若實景可見度不達標，系統自動調整偏振夾角提升直通光路亮度。
虛擬物體可見度測算：對虛擬模型做功率譜密度（PSD）分析，區分高頻紋理模型（楓樹、圣誕樹）與低頻簡約模型（兔子、茶壺），采用韋伯對比度量化虛擬畫面清晰度；團隊通過兩組人體實驗標定感知閾值：識別虛擬紋理臨界韋伯對比度 0.537，識別光影效果臨界閾值 0.443。當虛擬畫面對比度低于閾值時，系統自動抬高遮擋光路權重，強化虛擬物體質感。
實景帶通對比度分解
虛擬物體功率譜密度分布
系統采用卡爾曼濾波平滑眼動相機采集的波動瞳孔數據，消除設備噪聲干擾，保證不同光照切換時調節穩定流暢；整套算法以雙線程并行運行，場景圖像分析獨立于主渲染線程，算力開銷低，可適配主流 AR 實時渲染引擎。
為建立精準的感知平衡基準，團隊開展三組標準化用戶實驗，全部通過上海交通大學人體實驗倫理審查，累計招募 36 名具備 AR / 圖形學相關經驗的受試者。
1、虛擬紋理感知實驗（12 人）設置大、中、小三種尺寸文字紋理模擬不同空間頻率虛擬物體，覆蓋 4 檔室內環境照度（29~626cd/m2）。結果顯示：高頻細小紋理需要更高對比度才能被人眼識別，中低頻模型識別閾值差異極小；性別、AR 使用經驗、瞳孔大小對感知閾值無顯著影響，人群感知規律高度統一。
紋理實驗設備
紋理感知箱線圖
2、虛擬光影感知實驗（24 人）對比帶光影反射與無光影的成對虛擬模型（茶壺、機器人、圣誕樹等），讓受試者調節偏振夾角至兩幅模型視覺無差異。實驗證明光影自帶高頻細節，即便低頻幾何模型也能輕松分辨光影效果，空間頻率對光影感知閾值無顯著統計學差異。
光影實驗虛擬模型
光影感知箱線圖
3、多光照場景綜合對比實驗（12 人）搭建桌面原型，模擬四類真實場景照度：關燈室內（8cd/m2）、開燈室內（135cd/m2）、室外陰涼（287cd/m2）、室外強光（414cd/m2），將本方案（MB）、傳統無遮擋 AR（AR）、靜態遮擋頭顯（OC）三者做盲測對比。
多場景效果對比圖
用戶偏好占比表格
實拍畫面直觀印證：傳統遮擋型 AR 在所有環境下實景畫面嚴重發灰；普通無遮擋 AR 在戶外強光下虛擬內容幾乎消失；而掩膜平衡技術可自適應調配亮度，室內保留清晰實景，戶外強光下虛擬物體紋理、光影完整保留，兼顧雙向視覺體驗。
該技術突破不止面向消費級 AR 眼鏡，在專業工業場景具備極強實用價值：
研究提出行業范式轉變：過去 AR 光學設計僅以硬件透光率、分辨率等物理參數為核心優化目標，而本研究證明人類視覺感知是不可忽略的核心設計維度。團隊此前研究已證實，人眼實際視覺感受與光學儀器測量數據存在明顯偏差，單純優化硬件無法實現最優視覺體驗。感知驅動調控方案可突破光學硬件物理上限，在不犧牲設備體積、成本的前提下，同步提升虛實畫面質量，兼顧用戶視覺舒適與使用安全。
當前桌面原型仍存在可優化空間，團隊規劃后續迭代方向：
遮擋精度優化：實景提亮會帶來輕微遮擋漏光，未來結合高亮度微型 OLED、色彩補償算法、任務定向平衡策略（高精度建模場景優先保障虛擬遮擋）削弱該缺陷；
平滑亮度調節：現有偏振旋轉速度較快，亮度突變易造成視覺不適，后續開發無感漸變調節算法；
雙目適配原型：當前為單目設備，下一步搭建雙目掩膜平衡系統，納入雙目視覺對比度感知模型；
自動物體頻譜分類：實現虛擬物體高低頻特征實時自動識別，無需人工預設感知閾值。
上海交大團隊提出的掩膜平衡技術，依靠雙偏振光路硬件改良與感知驅動動態平衡算法，解決了長期制約遮擋型透視 AR 普及的亮度矛盾。整套方案改造簡單、適配現有主流 AR 光學架構，經過多組人體實驗與多光照場景驗證，可在室內暗光、戶外強光等全場景下，同步提升真實環境可見度與虛擬物體真實質感。將視覺感知科學與近眼顯示工程深度融合，這套技術開辟了下一代 AR 眼鏡全新優化路線，為消費、工業、醫療等領域 AR 設備全天候落地提供可行解決方案，推動光學透視 AR 從實驗室原型走向實用化產品。
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