自O(shè)culus和HTC分別發(fā)布了自家的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。VR被看做是下一個(gè)科技風(fēng)口。此時(shí)，美國(guó)一家神秘的創(chuàng)業(yè)公司Magic Leap橫空出世，沒(méi)有任何所謂的AR眼鏡推出，只是在YouTube上放出了多個(gè)視頻，但他們卻能獲得十幾億美元的投資。
Magic Leap展示的混合現(xiàn)實(shí)視頻
然而，就是這家成立6年獲得巨額投資的創(chuàng)業(yè)公司卻頗為神秘，除了幾段震撼的合成視頻外，幾乎沒(méi)有任何實(shí)物展示于公眾面前。若不是今年4月份著名科技雜志《連線》的前主編凱文-凱利的一篇專訪，我們幾乎不可能知道Magic Leap工作原理。正是這篇深度專訪再聯(lián)系Magic Leap今年提交的幾項(xiàng)專利，才讓我們得以一窺這家神秘公司背后的“黑科技”。
Magic Leap說(shuō)的MR究竟和AR有何區(qū)別
Magic Leap宣稱自己研發(fā)的是“混合現(xiàn)實(shí)”(MR)技術(shù)，而一般這項(xiàng)技術(shù)被稱作“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”(AR)技術(shù)。它不同于VR全封閉式的體驗(yàn)，而是將圖像投影在透明的鏡片前，與現(xiàn)實(shí)世界混合(Mixed)為一體，所以被叫做“混合現(xiàn)實(shí)”。混合現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)一樣被看做是虛擬現(xiàn)實(shí)的終極形態(tài)。
此前，谷歌和微軟兩家公司曾率先推出了Google Glass和Hololens兩款A(yù)R顯示設(shè)備。Google Glass采用的是一組棱鏡系統(tǒng)，把圖像投射在兩塊棱鏡的界面上，用戶觀察圖像需要把視線移到棱鏡上。HoloLens則是直接把圖像投射在前方鏡片上，類似于汽車上的新興顯示技術(shù)HUD(平視顯示器)。這是一種最早用在飛行員身上的技術(shù)。
Google Glass工作原理
從曝光的專利圖像來(lái)看，Magic Leap的原理和谷歌、微軟的方案大相徑庭。如果說(shuō)AR是在現(xiàn)實(shí)世界的基礎(chǔ)上疊加了半透明圖像，那么MR技術(shù)疊加的就是不透明圖像。通俗來(lái)說(shuō)，就是圖像可以和真實(shí)物體相互遮擋。
AR技術(shù)看起來(lái)像是在真實(shí)物體上貼了半透明標(biāo)簽。MR技術(shù)則是構(gòu)建了一個(gè)虛擬的物體，用戶甚至難以區(qū)別它和真實(shí)物體。若虛擬物體在真實(shí)物體后方，就會(huì)被遮擋住。
MR技術(shù)要求設(shè)備能夠?qū)τ脩羲趫?chǎng)景進(jìn)行3D建模，還要實(shí)時(shí)處理好真實(shí)物體距離和虛擬物體景深的問(wèn)題。這別比僅在真實(shí)世界中添加2D虛擬圖像的過(guò)程要復(fù)雜得多。
此外，Magic Leap產(chǎn)生的是真實(shí)世界中的3D光場(chǎng)，人眼看到的物體與實(shí)際3D物體無(wú)異。而Hololens、其它VR產(chǎn)品以及我們常見(jiàn)的3D電影，都是利用兩眼視差構(gòu)建的“偽3D”圖像。
Magic Leap如何構(gòu)建虛擬世界
Magic Leap與之前的AR、VR技術(shù)完全不同，可謂自成一套技術(shù)體系。
在輸出光源上，Magic Leap和它的“前輩”Google Glass、HoloLens完全不同。Google Glass與HoloLens都采用類似于投影儀的原理，在背光前加液晶屏掩膜板投影，所使用的是一般的白光。而Magic Leap使用激光束投影，成像是利用多種顏色光線的合成。
從今年4月《連線》雜志一張秘密訪問(wèn)Magic Leap的照片可以看出，這家公司的AR眼鏡需要由光纖把多種顏色激光器發(fā)出的光導(dǎo)入到鏡片中，看起來(lái)相當(dāng)酷炫。
Magic Leap使用激光作為光源
從激光器里導(dǎo)出的光線并不能直接成像，而是需要通過(guò)一種可以掃描的光纖才能實(shí)現(xiàn)。其原理與已經(jīng)被淘汰的CRT顯示器類似。CRT顯示器是利用陰極射線管發(fā)出的一束電子射線激發(fā)熒光屏來(lái)顯示圖像，顯像管里的磁場(chǎng)控制著掃描電子束的方向。
CRT顯示原理
在掃描光纖里，電子束改成了光纖頭，光纖頭能直接發(fā)射出光。但是掃描是如何實(shí)現(xiàn)的呢？要知道，光纖僅相當(dāng)于發(fā)絲大小，還要1毫米范圍內(nèi)精確控制掃描的精度，難度是很大的。好在有一種叫做壓電晶體的材料，當(dāng)給這種材料兩端加上電壓時(shí)，這種材料就會(huì)出現(xiàn)伸縮，伸縮的比例大小和電壓成正比。讓光纖頭緊貼在這種材料上，就是實(shí)現(xiàn)1毫米見(jiàn)方空間里的精確控制。
光纖掃描單元內(nèi)部構(gòu)造
光纖頭掃出的圖像雖然很小，但是通過(guò)掃描光纖前部的放大鏡片組，就能產(chǎn)生比光纖孔徑大得多的圖像。如下圖所示。
掃描光纖如何顯示圖像
掃描光纖產(chǎn)生的圖像下一步將送到“光子光場(chǎng)芯片”。它是整個(gè)Magic Leap的技術(shù)核心，也難怪公司創(chuàng)始人在接受《連線》采訪時(shí)也驕傲地展示了這個(gè)類似玻璃眼鏡片的東西。對(duì)物理知識(shí)略有了解的人都能猜出這塊“鏡片”可能是一種極為特殊的衍射光柵。
衍射光柵的作用是把光的空間分布重新調(diào)配，比如一束激光本來(lái)打在墻面上是光斑，但是經(jīng)過(guò)光柵后將變成分散在空間中衍射條紋。
通過(guò)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的重新分布
光子光場(chǎng)芯片的作用正是把從掃描光纖里射出的光纖折射到人眼中。不過(guò)，光子光場(chǎng)芯片并非的普通的衍射光柵。一般的衍射光柵是不可調(diào)控的，當(dāng)入射的光波長(zhǎng)確定后，光柵不能對(duì)光任意地調(diào)制。而且光柵是對(duì)一種顏色的光有效，對(duì)另一種顏色的光達(dá)到相同效果就必須做出改變。(紅光通過(guò)衍射光柵后條紋分布較為稀疏，而藍(lán)光通過(guò)衍射光柵后的條紋分布較為密集，要想做到和紅光的條紋一樣稀疏，必須換一套光柵。)
Magic Leap創(chuàng)始人Rony Abovitz神秘的光子光場(chǎng)芯片
Magic Leap的這塊“神奇鏡片”要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色光線的控制，必須隨著入射光線的改變而隨時(shí)變化，令一方面，同時(shí)處理多束光線的光子光場(chǎng)芯片很可能是由多層堆疊起來(lái)。
此外，為了讓光纖不遮擋現(xiàn)實(shí)物體，入射光線必須從“鏡片”的側(cè)面引入，這也大大增加了“光子光場(chǎng)芯片”的芯片的設(shè)計(jì)難度，因?yàn)檫@意味這光在其中要彎轉(zhuǎn)90度。
目前我們對(duì)這塊芯片的具體原理還不是很清楚。從以上的推測(cè)可以看出，“光子光場(chǎng)芯片”能實(shí)時(shí)調(diào)控入射光線的分布，通過(guò)這種對(duì)光線的改變，構(gòu)造出一種立體的“光場(chǎng)”，從而產(chǎn)生3D的混合現(xiàn)實(shí)圖像。
Magic Leap小型化面臨的困難
首先就是光源的小型化。Magic Leap要實(shí)現(xiàn)類似真實(shí)物體的重現(xiàn)，必須使用多種顏色的光源進(jìn)行圖像合成，還要保證激光器提供的光強(qiáng)度足以和反射自然光的物體“混合”(Mixed)。即使只使用3種顏色的激光器，重量也不容小覷。從《連線》雜志曝光的照片來(lái)看，Magic Leap目前使用的激光器在實(shí)驗(yàn)臺(tái)以外，體積應(yīng)該不小。
其次是圖像計(jì)算芯片的小型化。市面上現(xiàn)在出售的VR與AR產(chǎn)品都采用雙眼視差來(lái)呈現(xiàn)3D圖像，而Magic Leap渲染的圖像是真實(shí)的3D圖像。以HTC Vive和Oculus Rift為例，這兩款VR眼鏡都需要使用當(dāng)今頂級(jí)的NVidia顯卡，手機(jī)芯片中的GPU僅足夠提供入門級(jí)VR的性能。而Magic Leap專利文件中顯示的分辨率為4K，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)手機(jī)VR的分辨率，也大大高于PC級(jí)VR。
還有就是移動(dòng)設(shè)備的“痛點(diǎn)”——電池。當(dāng)初，谷歌眼鏡僅能提供簡(jiǎn)單的2D圖像投影和拍照功能，續(xù)航只有短短數(shù)小時(shí)。而Magic Leap的性能遠(yuǎn)比谷歌眼鏡強(qiáng)。為了提供光源和計(jì)算芯片的能量，電池容量至少要做到和智能手機(jī)類似的水平，當(dāng)今手環(huán)等可穿戴設(shè)備的小容量電池應(yīng)該不足以長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)Magic Leap的眼鏡。增大電池又增加產(chǎn)品重力，已經(jīng)有用戶對(duì)微軟Holelens五百多克的重量不滿。Magic Leap要做到“穿戴舒適”可謂任重道遠(yuǎn)。
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