Nature论文:斯坦福团队研发出普通眼镜尺寸的新一代AR头盔

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Nature论文:斯坦福团队研发出普通眼镜尺寸的新一代AR头盔

大数据文摘受权转载自头部科技
已经有太多AR设备出现,但都不算成功,斯坦福希望能改变世界。
来自斯坦福大学的科研团队最近展示一件新产品,它是一款原型AR头盔,不同之处在于,这款头盔十分轻盈,外观如同普通眼镜,头盔用全息成像技术将彩色3D动态图像投射至镜片。因为采用了新方法,原型AR头盔紧凑、舒适,可以续航一天。
空间计算专家Gordon Wetzstein称:“外部世界的人看到我们的眼镜,会感觉它就像是一副普通眼镜,但穿戴者通过镜片看到的却是栩栩如生的世界,上面显示着生动、色彩丰富的3D计算图像。”
虽然目前的头盔仍是原型产品,离商业化销售距离遥远,但AR原型头盔引入的技术可能会改变游戏、娱乐、训练、教育等产业。
Nature论文:斯坦福团队研发出普通眼镜尺寸的新一代AR头盔
研发团队成员manu Gopakumar称:“我们不妨想象一下,外科手术医生可以戴上我们的眼镜规划精细、复杂手术,飞机机构工程师可以戴着我们的眼镜了解最新的喷气式引擎。”
研究团队已经在《nature》发表论文,介绍头盔的设计原理及采用的技术。
抛弃笨重复杂的光学系统
已经有不少科技企业开发VR/AR头盔,比如苹果、Meta、微软、谷歌,但这些头盔始终没有收获巨大成功,因为它们存在着众多致命缺陷,比如过于笨重,无法长时间佩戴,容易使让人晕眩,3D头像不够清晰。
斯坦福计算实验室成员Gun-Yeal Lee说:“目前还没有哪一款AR头盔能够做到轻盈苗条,它们显示的3D图像质量也不如我们。”
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尽管如此,斯坦福原型3D AR头盔如果想获得成功,还需要解决一些技术障碍,研究人员希望AI全息成像技术和纳米光子技术能破解难题。
一般来说,显示AR图像需要复杂的光学系统,这是斯坦福团队需要解决的最大技术难题。
以前的头盔会利用摄像头捕捉外部世界图像,然后将它与计算机图像叠加,混合图像再以立体图像的形式投射到眼睛。
Gun-Yeal Lee认为:“在这些系统中,用户看到的是真实世界数字化图像和计算机生成图像,它实际上是增强虚拟现实(Augmented Virtual Reality),并非真正的AR。”
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按照过往设计,AR头盔会相当笨重,因为它需要放大型镜片,还需要尽可能靠近的投射镜片,整套系统极为复杂,难以做到小巧玲珑。
斯坦福研究人员Suyeon Choi称:“除了笨重,种种缺陷还会导致用户获得不满意的感知现实主义体验,甚至在视觉上感知不舒服。”
妙用波导显示技术和全息技术
为了获得令人满意的3D图像,研究人员没有采用传统立体技术,而是选择了全息技术。用全息技术显示3D图像前途虽然光明,但至今全息在普及方面仍然存在诸多限制,例如,全息无法提供精准的3D深度信息,图像不够出色,甚至有可能导致用户呕吐。
为了解决此问题,研究团队利用AI技术优化深度,结合纳米光子技术和波导显示技术,原型AR头盔可以将计算机全息图像投射到玻璃镜片上,不需要依赖笨重的传统光学系统。
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所谓波导显示技术,本质就是在镜片表面蚀刻纳米级图案,全息显示屏投射计算机图像,图像穿过蚀刻图案,光在镜片内衍射反射,投向双眼,如此一来,用户可以同时看到真实的外部世界和全彩3D计算图像。
斯坦福原型AR头盔之所以能显示更高质量的图像,主要是它将立体模式与全息模式结合。
研究人员Brian Chao称:“加入全息技术之后,两只眼睛能看到更完整的3D图像,显示的3D画质更加逼真。”
只有将波导显示技术与全息技术结合,才能带给用户更逼真的3D体验,这样的体验不仅在视觉上让人满意,而且长久使用也不会感到疲劳。
研究团队称:“长久以来,人们一直认为全息显示才是终极3D,只是在商用方面一直没有大的突破。大家等了很多年,现在也许终于有了一款杀手级产品。”
到底有哪些重要的突破之处
研究团队认为,当前AR显示系统之所以难以普及,最大障碍在于体积。在理想状况下,AR头盔不应该大过普通眼镜。只有做到小巧,佩戴才舒适,才能使用一整天。
要达到上述要求,波导显示是最理想的解决方案。
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问题在于,传统的波导显示设计需要笨重的光学组件,而且只能按固定距离显示3D图像。
如何解决此问题?可以将波导显示与全息技术结合。
将全息组件装进普通境框很有吸引力,它可以投射逼真、全彩、移动3D图像,图像还具有深度,这是斯坦福方案的魅力所在。
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一些AR眼镜也曾采用波导显示技术,斯坦福技术更进一步,它开发的技术名叫“纲米光子超表面波导”技术,彻底抛弃了笨重的光学元件。而且它还引入AI算法,开发一套能向真实世界学习的波导模型,用AI技术提升画质,这也是之前的企业没有尝试过的。
斯坦福的研究也许真能给AR带来光明,但它也还不完美,能将AR头盔做到轻盈小巧,但目前可视角度只有11.7度,远不及Magic Leap 2和微软HoloLens。

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