大突破！斯坦福打造新一代AR眼鏡——全息AR眼鏡：普通眼鏡般輕薄，視圖逼真，視覺舒適

文 / VRAR星球 維克多

近日多家海外科技媒體紛紛報(bào)道，斯坦福大學(xué)攜手香港大學(xué)和英偉達(dá)，將全息成像和人工智能結(jié)合，研發(fā)了一種全色彩3D AR顯示器，戴起來和傳統(tǒng)眼鏡一樣輕薄逼真舒適。有關(guān)這項(xiàng)研究的論文——《帶超表面波導(dǎo)全彩色3D 全息增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器（Full-colour 3D holographic augmented-reality displays with metasurface waveguides），發(fā)表在2024年5月8日的《自然》雜志上。

人臉模型上的全息AR眼鏡原型

論文宣稱“我們獨(dú)特的納米光子超表面波導(dǎo)和人工智能驅(qū)動(dòng)的全息算法的協(xié)同設(shè)計(jì)，代表著在緊湊型可穿戴設(shè)備中創(chuàng)造逼真的3D AR視覺體驗(yàn)的重大進(jìn)步?！?/p>

頭戴顯示器的瓶頸

VR/AR頭戴顯示器應(yīng)用范圍雖非常廣泛，但一直面臨一個(gè)發(fā)展的重大瓶頸，即普遍存在體積過大、圖像不真、視覺不適等問題。這些頭顯必須依賴復(fù)雜、笨重的鏡片陣列和其他光學(xué)器件，即使是蘋果、Meta、谷歌和微軟等行業(yè)巨頭，也未能設(shè)計(jì)出體積不龐大、戴著不頭疼的頭顯?！皼]有人愿意戴一個(gè)又大又笨重的頭戴顯示器——你會(huì)感到脖子酸痛，而且不舒服，”斯坦福大學(xué)電氣工程副教授Gordon Wetzstein說。

Vision Pro重600g到650g，許多消費(fèi)者試戴后覺得太重

斯坦福大學(xué)的研究人員認(rèn)為，要使頭顯輕便，首先得減少或更換笨重頭顯中的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。因?yàn)檫@些頭顯不能直接看到景物，需要微型相機(jī)捕捉使用者正在“看”的東西，然后將可觀看的3D圖像投射到嵌入設(shè)備內(nèi)的小屏幕上。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，任何用于幫助使用者的數(shù)據(jù)都覆蓋在這個(gè)數(shù)字投影上，而不是出現(xiàn)在實(shí)際圖像的頂部。用戶實(shí)際上看到的是真實(shí)世界的數(shù)字化模擬，這只是一種增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)，而不是真正的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

這種類型的頭顯需要在眼睛、鏡頭和屏幕之間設(shè)置一定的距離，才能正常工作，這就導(dǎo)致了頭顯的超大和笨重，同時(shí)削弱了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)整體沉浸式的真實(shí)性。斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室博士生、論文合著者Suyeon Choi說道：“除了體積龐大之外，這些限制還可能導(dǎo)致令人不滿的感知真實(shí)感，通常還會(huì)導(dǎo)致視覺不適。”

全息術(shù)的殺手級(jí)應(yīng)用

為了解決上述問題，斯坦福大學(xué)的研究人員把視線轉(zhuǎn)向20世紀(jì)40年代首次開發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)技術(shù)：全息術(shù)。他們認(rèn)為，全息術(shù)是消除笨重鏡頭和解決屏幕技術(shù)的關(guān)鍵，并能創(chuàng)造出一種真正的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭顯，讓觀眾能夠看到真實(shí)的圖像，同時(shí)實(shí)時(shí)接收有關(guān)該圖像的疊加信息。同時(shí)，他們確定，關(guān)鍵是利用21世紀(jì)人工智能計(jì)算的力量改進(jìn)已有80年歷史的全息技術(shù)，以顯著提高投影全息圖像的深度提示。

全息AR眼鏡，視圖極為逼真，使用非常舒適，不累眼睛。AR頭顯通常與傳統(tǒng)3D顯示器一樣，要借助向每只眼睛顯示不同的2D圖像來產(chǎn)生深度錯(cuò)覺，以呈現(xiàn)3D視圖，然而這種策略會(huì)導(dǎo)致眼睛疲勞。該研究探索創(chuàng)建全息視頻顯示器，而不是使用2D圖像來模擬3D視圖。全息圖是一種本質(zhì)上類似于2D窗口的圖像，可以看到3D場(chǎng)景，從而使人們可以毫無不適地觀看具有深度的圖片。斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室博士生、該論文的合著者Brian Chao說：“使用全息術(shù)，你還可以在每只眼睛前面獲得完整的3D體積，從而提高逼真的3D圖像質(zhì)量?！?/p>

創(chuàng)建全息AR眼鏡，面臨在緊湊型設(shè)備里實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量3D圖像的挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)、香港大學(xué)和英偉達(dá)的科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，憑借光學(xué)超表面戰(zhàn)勝了這一挑戰(zhàn)。光學(xué)超表面是一種以不同尋常的方式彎曲光線的組件。對(duì)超表面和其他超材料的研究引領(lǐng)了隱形斗篷的研發(fā)，這些斗篷能夠利用光、聲、熱和其他類型的波來隱藏物體。光學(xué)超表面包含具有重復(fù)圖案的結(jié)構(gòu)，其尺度小于其設(shè)計(jì)影響的光波長。研究者們創(chuàng)造的超表面，規(guī)避了AR顯示器中復(fù)雜、笨拙的光學(xué)器件的需求。

這種新顯示器在空間光調(diào)制器上閃爍著紅色、綠色和藍(lán)色二極管激光。Wetzstein說：“這個(gè)組件就像一個(gè)微型顯示器，可以控制指向它的光的相位，創(chuàng)建一個(gè)小型的3D全息圖”。然后，該全息圖被發(fā)送到超表面光柵，該光柵由鉛基玻璃制成，蝕刻有220納米深的凹槽。

研究者們還使用人工智能來幫助設(shè)計(jì)和優(yōu)化超表面的結(jié)構(gòu)。Wetzstein說，這使得它非常薄，并且非常有效地將光均勻地散射到研究人員想要的地方——在觀眾的眼睛上——而不是以無法控制的方式隨機(jī)散射光。

Wetzstein補(bǔ)充說，另一種AI算法被用來計(jì)算如何將3D圖像轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的全息圖。他說，人工智能還有助于校準(zhǔn)整個(gè)顯示器，包括光學(xué)器件、電子設(shè)備和激光器。其結(jié)果是一個(gè)類似于標(biāo)準(zhǔn)眼鏡的全息AR顯示器，可以顯示全彩色3D運(yùn)動(dòng)圖像。“我們的 AR顯示器比當(dāng)前的 AR 顯示器更薄，重要的是，它向每只眼睛顯示 3D 圖像，”Wetzstein 說。“這讓你可以在數(shù)字場(chǎng)景中將眼睛聚焦在不同的距離，這是任何現(xiàn)有的AR頭顯都不支持的功能?！彼€補(bǔ)充道：“傳統(tǒng)的AR和VR顯示器缺乏聚焦線索，導(dǎo)致眼睛疲勞、復(fù)視和視覺清晰度降低等問題。”

Wetzstein指出：“通過我們的工作，我們正在朝著我認(rèn)為可能是全息術(shù)的殺手級(jí)應(yīng)用邁出一大步——超薄、逼真的3D VR/AR顯示器，最終將像傳統(tǒng)眼鏡一樣薄。目前我們還沒有達(dá)到目標(biāo)，但我們的工作朝著這一愿景邁出了一大步?！?/p>

顛覆空間計(jì)算市場(chǎng)

目前，新的AR顯示器只能在狹窄的視野中疊加圖像。雖然每只人眼可以提供大約130度的視野，并且兩只眼睛一起工作可以在向前看時(shí)提供近180度的視野，但新設(shè)備只能在觀眾面前大約12度的弧度上顯示圖像。盡管這與許多商業(yè)AR系統(tǒng)相當(dāng)，甚至小于Magic Leap 2和微軟HoloLens。

微軟HoloLens顯示的圖像

但未來的研究可以改善這種視野，例如通過使用一種比目前用于超表面的玻璃更擅長彎曲光線的材料。此外，斯坦福大學(xué)計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室有一整頁視覺輔助，一個(gè)接一個(gè)的視覺輔助表明它可以被放在一些特殊的東西上：比如可以把一堆更薄的全息組件放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的眼鏡架中，經(jīng)過訓(xùn)練，便能夠投射出不同深度的逼真、全彩、移動(dòng)的3D圖像。

除了AR顯示器之外，這項(xiàng)研究成果還有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的VR顯示器。斯坦福大學(xué)博士后研究員Gun-Yeal Lee說：“VR顯示器的應(yīng)用可能比AR顯示器更簡(jiǎn)單，因?yàn)锳R需要虛擬圖像和透視效率，這使得AR設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性?！?/p>

斯坦福大學(xué)電氣工程副教授Gordon Wetzstein說：“我們的頭顯在外界看來就像一副日常眼鏡，但佩戴者通過鏡片看到的是一個(gè)豐富的世界，上面覆蓋著充滿活力的全彩色3D計(jì)算圖像?！蹦壳霸谑忻嫔线€買不到這種全息眼鏡，將原型開發(fā)成消費(fèi)品大概還需要數(shù)年時(shí)間。

研究團(tuán)隊(duì)表示，在完成了最初的原型后，他們現(xiàn)在可以為自己的系統(tǒng)設(shè)想一些潛在的應(yīng)用。一些明顯的用途包括增強(qiáng)的游戲或其他娛樂用途，這些用途迄今為止還無法擺脫當(dāng)前的體積頗大的頭顯。該團(tuán)隊(duì)還表示，相信他們的系統(tǒng)可以極大地改善訓(xùn)練有素的醫(yī)學(xué)或工程專家所做的工作。斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室的博士生、該論文的共同第一作者M(jìn)anu Gopakumar說：“人們可以想象，一個(gè)外科醫(yī)生戴著這樣的眼鏡來計(jì)劃一個(gè)微妙或復(fù)雜的手術(shù)，或者飛機(jī)機(jī)械師用它們來學(xué)習(xí)了解最新的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)?！?。

盡管用普通眼鏡制成的AR頭顯上市之前，還會(huì)有更多工作要做，但斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)表示，他們將現(xiàn)代人工智能技術(shù)和納米光子突破與20世紀(jì)40年代的全息技術(shù)相結(jié)合的嘗試，是他們所在行業(yè)的人們一直期待的一步。Wetzstein說：“全息顯示器長期以來一直被認(rèn)為是終極3D技術(shù)，但它從未實(shí)現(xiàn)過如此大的商業(yè)突破，也許現(xiàn)在有了等了這么多年的殺手級(jí)應(yīng)用?！?/p>

Meta等公司已經(jīng)花費(fèi)數(shù)十億美元購買和構(gòu)建AR眼鏡技術(shù)，希望最終生產(chǎn)出一種尺寸和形狀與普通眼鏡相當(dāng)?shù)摹笆ケ碑a(chǎn)品。去年泄露出的Meta硬件路線圖顯示，該公司第一款真正的AR眼鏡的目標(biāo)日期是2027年。然而，在此時(shí)此刻，斯坦福研究團(tuán)隊(duì)推出全新技術(shù)路線的AR眼鏡，雄心勃勃地向蘋果的Vision Pro、Meta的Quest 3等體積龐大的混合現(xiàn)實(shí)頭顯發(fā)起了挑戰(zhàn)，試圖顛覆當(dāng)前的空間計(jì)算市場(chǎng)，可以預(yù)料接下來一場(chǎng)AR眼鏡的創(chuàng)新大賽將火熱開場(chǎng)！

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