好德商显,虚拟现实公司Magic

作者: 科学科技  发布:2019-09-10

裸眼看3D:从虚无走向现实

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科技的快速发展,显示技术也逐渐从2D升级到3D。以传统3D技术来说,需要佩戴3D眼镜或其他辅助设备才能看到立体3D效果。而近几年,裸眼3D的流行为人们带来新的体验模式。

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今年10月,硅谷AR(增强现实)公司Magic Leap发布了一系列“魔法带回现实”的概念视频:篮球场上鲸鱼一跃而起、外星人突袭办公室打真人CS……虽然大部分视频并非实拍demo,而是特技duang duang的概念片,在各大微信号的无脑营销下,仍然短短几天就刷爆朋友圈。然而,很少有人真正看明白,Magic Leap究竟是如何实现这些“魔法”的。

据了解,人之所以能够看见3D效果,主要是因为双眼之间有着一段8厘米左右的距离,人眼观看物体时看到的图像具有位差,这便是视差。基于此,人们能区别物体的远近,并获得立体感。早期3D电影所使用的红蓝色的色差式3D眼镜,以及后来出现的偏振式3D眼镜等,这些眼镜般的设备一般都能让用户体验到3D效果。而目前想要实现裸眼3D比较成熟的显示技术主要有3种,光屏障式技术、柱状透镜技术以及集成成像技术。

桑新柱向记者展示“裸眼3D光场显示”设备,即不需要其他辅助器件,直接用肉眼就可观看悬浮于空中的3D物体。

Magic Leap广告视频

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■本报记者 袁一雪

虚拟现实的技术原理


金沙国际唯一官网,抛开那些大脑植入芯片、黑客帝国style的科幻技术不谈,当前成熟的虚拟 / 增强现实技术原理分为两类:

1、 把光线射进你的视网膜

让你在看到真实世界的同时,也看到虚拟世界的幻影。Google眼镜、微软Hololens都是这种原理。或者像Oculus一样,干脆用个头盔把眼睛遮住,让你看不见真实世界,只能沉浸在虚拟现实之中。不过,就算骗过眼睛,身体还是只能感受到真实世界而非虚拟世界中的加速度变化,这一点Oculus之流也无能为力。

微软Hololens概念片

2、 还原真实物体发出的光线

让你无法区分看到的究竟是真实还是幻象。例如1956年发明的全息摄影(Holography)。然而,为什么60年后我们还在用iPhone指指戳戳,而不是用iHolo隔空取物呢?因为目前成熟的全息技术只能做到把3D影像投射到一个玻璃盒子里(通常是金字塔形或立方体),设备的大小必须大于影像的大小,色彩也不够逼真。这就是为什么至今全息还停留在珠宝展示和博物馆科普的层次上——有几个宅男买得起金字塔,放家里看黑白版全息女神爱情动作片?

全息珠宝展柜

Magic Leap属于以上哪一种技术原理呢?

都不是。

1、光屏障式技术

看3D影像,眼镜、头盔等设备几乎是标配,因为现在的3D图像利用的是人两眼视觉差,必须佩戴相应的设备才能保证两个角度拍摄的影片呈现立体视觉。

Magic Leap的核心原理是四维光场


光场(Lightfield)的学术概念早在1939年就已提出,用于描述空间中任意点在任意时间的光线强度、方向、波长。当鲸鱼在我面前游过的一瞬间,它皮肤上每一个细胞向四面八方发出的光,叠加起来形成了一个光场。理论上,只要完整记录下一条鲸鱼的光场,技术上就可以完全还原这条鲸鱼发出的所有光线。

假如有这样一个神奇的设备,它不仅可以记录光场,还能像投影仪一样,把光场信息还原成原始光线发射出来,那么当你的视网膜接收到这些光线时,就会认为看见了一条真正的鲸鱼。 把这个设备放在篮球场上,让它360度无死角全向发光,在篮球场上任何角度任何位置的人都会发现那里多了一条鲸鱼。甚至你近看远看,绕一圈看,也不会察觉到鲸鱼的肉身并不存在。因为,“看见”一条鲜嫩多汁的鲸鱼和看见这条鲸鱼发出的每一束光线,在光学上没有任何区别。这就是Magic Leap的物理原理。

光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层,利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米,通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式,称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁。通过将左眼和右眼的可视画面分开,使观者看到3D影像。

不过,近日,北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室教授桑新柱带领研究团队研发了“裸眼3D光场显示”设备,即不需要其他辅助器件,直接用肉眼就可观看悬浮于空中的3D物体。

为什么叫四维光场?

这里的四维是数学概念,和平行宇宙、高维空间没有半毛钱关系。描述一个光场需要7个维度:3个三维坐标表示空间中点的位置,2个极坐标表示这个点上通过的光的方向,1个波长表示光的颜色,还有1个是时间t。

其实,如果只考虑光场被投射到二维平面(例如视网膜)上的话,关键的维度只有4个:2个是平面上点的坐标,2个是入射光的方向。

光场的数学模型

2、柱状透镜技术

一次几乎“违背”物理规律的尝试

怎样把鲸鱼装进口袋


从基础理论到做出产品,差距就是突破技术难点:怎样采集和还原光场?最经(yuan)典(shi)的方法是用相机阵列,通过在不同距离上镜头变焦,由近及远地把空间中每一束光线拍下来。比如下图的斯坦福相机阵列(Stanford Multi-Camera Array):

斯坦福相机阵列

到了2011年,Lytro光场相机推出,把上面这个大家伙变成了手持式,虽然清晰度接近马赛克画风:

Lytro光场相机

Lytro已经把实验室里的庞然大物装进了口袋,而Magic Leap用了更聪明的方法,短短几年就把光场投影仪做成了高清无码可穿戴的AR设备

怎么做到的?

柱状透镜技术也被称为微柱透镜3D技术,使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上,这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素,这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏,就看到不同的子像素。

在桑新柱的实验室,几台机器将不大的实验室装得满满当当。摆放在房间正中的机器前,一颗旋转的星球“飘浮”在空中,星球上环绕着英文字母,不一会儿球体变成了快速挥舞翅膀的蜂鸟,然后又幻化成正在飞翔的色彩斑斓的蝴蝶……如果用手触摸,会发现这些只是光影。更神奇的是,这些图像不会随着人的视角不同而发生突变,也就是说,在改变观看角度的情况下,人眼看到的都是3D图像。

输入实时生成,输出光纤投射


Magic Leap的办法分为两步:

1、不采集真实影像作为输入,而是用计算机实时生成视频。

模拟生成的视频,可以直接用在增强现实领域,例如悬浮在半空中的操作系统UI、办公室里玩外星人枪战。如此一来就解决了片源问题,不需要等到好莱坞拍出光场版星球大战8,才能看上光场电影/电视。

2、不用传统的显示屏输出,而是用光纤投射光场。

Magic Leap 拥有叫做“光纤投影仪”的专利技术,通过一根直径 1 毫米长 9 毫米的光纤投出几英寸彩色图像,已经可以做到4K超高清分辨率。

光纤投影

既然一根光纤可以发射一束光线,如果要把鲸鱼身上每一束光线都投射出来,就需要N个光纤组成一个光场投影仪:光纤阵列

光纤阵列原理图

最妙的是,因为每一根光纤只有头发丝粗细,一个用光纤阵列制造的高清投影仪不仅可以轻松装进口袋,还可以戴在脑袋上!

3、集成成像技术

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