神秘的Magic Leap背后到底用了什么黑科技

自Oculus和HTC分别发布了自家的虚拟现实眼镜以来,虚拟现实(VR)技术受到了广泛关注。VR被看做是下一个科技风口。此时,美国一家神秘的创业公司Magic Leap横空出世,没有任何所谓的AR眼镜推出,只是在YouTube上放出了多个视频,但他们却能获得十几亿美元的投资。

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Magic Leap展示的混合现实视频

然而,就是这家成立6年获得巨额投资的创业公司却颇为神秘,除了几段震撼的合成视频外,几乎没有任何实物展示于公众面前。若不是今年4月份著名科技杂志《连线》的前主编凯文-凯利的一篇专访,我们几乎不可能知道Magic Leap工作原理。正是这篇深度专访再联系Magic Leap今年提交的几项专利,才让我们得以一窥这家神秘公司背后的“黑科技”。

Magic Leap说的MR究竟和AR有何区别

Magic Leap宣称自己研发的是“混合现实”(MR)技术,而一般这项技术被称作“增强现实”(AR)技术。它不同于VR全封闭式的体验,而是将图像投影在透明的镜片前,与现实世界混合(Mixed)为一体,所以被叫做“混合现实”。混合现实和增强现实一样被看做是虚拟现实的终极形态。

此前,谷歌和微软两家公司曾率先推出了Google Glass和Hololens两款AR显示设备。Google Glass采用的是一组棱镜系统,把图像投射在两块棱镜的界面上,用户观察图像需要把视线移到棱镜上。HoloLens则是直接把图像投射在前方镜片上,类似于汽车上的新兴显示技术HUD(平视显示器)。这是一种最早用在飞行员身上的技术。

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Google Glass工作原理

 从曝光的专利图像来看,Magic Leap的原理和谷歌、微软的方案大相径庭。如果说AR是在现实世界的基础上叠加了半透明图像,那么MR技术叠加的就是不透明图像。通俗来说,就是图像可以和真实物体相互遮挡。

AR技术看起来像是在真实物体上贴了半透明标签。MR技术则是构建了一个虚拟的物体,用户甚至难以区别它和真实物体。若虚拟物体在真实物体后方,就会被遮挡住。

MR技术要求设备能够对用户所在场景进行3D建模,还要实时处理好真实物体距离和虚拟物体景深的问题。这别比仅在真实世界中添加2D虚拟图像的过程要复杂得多。

此外,Magic Leap产生的是真实世界中的3D光场,人眼看到的物体与实际3D物体无异。而Hololens、其它VR产品以及我们常见的3D电影,都是利用两眼视差构建的“伪3D”图像。

Magic Leap如何构建虚拟世界

Magic Leap与之前的AR、VR技术完全不同,可谓自成一套技术体系。

在输出光源上,Magic Leap和它的“前辈”Google Glass、HoloLens完全不同。Google Glass与HoloLens都采用类似于投影仪的原理,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,成像是利用多种颜色光线的合成。

从今年4月《连线》杂志一张秘密访问Magic Leap的照片可以看出,这家公司的AR眼镜需要由光纤把多种颜色激光器发出的光导入到镜片中,看起来相当酷炫。

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Magic Leap使用激光作为光源

从激光器里导出的光线并不能直接成像,而是需要通过一种可以扫描的光纤才能实现。其原理与已经被淘汰的CRT显示器类似。CRT显示器是利用阴极射线管发出的一束电子射线激发荧光屏来显示图像,显像管里的磁场控制着扫描电子束的方向。

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CRT显示原理

在扫描光纤里,电子束改成了光纤头,光纤头能直接发射出光。但是扫描是如何实现的呢?要知道,光纤仅相当于发丝大小,还要1毫米范围内精确控制扫描的精度,难度是很大的。好在有一种叫做压电晶体的材料,当给这种材料两端加上电压时,这种材料就会出现伸缩,伸缩的比例大小和电压成正比。让光纤头紧贴在这种材料上,就是实现1毫米见方空间里的精确控制。

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光纤扫描单元内部构造

光纤头扫出的图像虽然很小,但是通过扫描光纤前部的放大镜片组,就能产生比光纤孔径大得多的图像。如下图所示。

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扫描光纤如何显示图像

 扫描光纤产生的图像下一步将送到“光子光场芯片”。它是整个Magic Leap的技术核心,也难怪公司创始人在接受《连线》采访时也骄傲地展示了这个类似玻璃眼镜片的东西。对物理知识略有了解的人都能猜出这块“镜片”可能是一种极为特殊的衍射光栅。

衍射光栅的作用是把光的空间分布重新调配,比如一束激光本来打在墙面上是光斑,但是经过光栅后将变成分散在空间中衍射条纹。

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  通过衍射光栅实现光场的重新分布

 光子光场芯片的作用正是把从扫描光纤里射出的光纤折射到人眼中。不过,光子光场芯片并非的普通的衍射光栅。一般的衍射光栅是不可调控的,当入射的光波长确定后,光栅不能对光任意地调制。而且光栅是对一种颜色的光有效,对另一种颜色的光达到相同效果就必须做出改变。(红光通过衍射光栅后条纹分布较为稀疏,而蓝光通过衍射光栅后的条纹分布较为密集,要想做到和红光的条纹一样稀疏,必须换一套光栅。)

 

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Magic Leap创始人Rony Abovitz神秘的光子光场芯片

Magic Leap的这块“神奇镜片”要实现对不同颜色光线的控制,必须随着入射光线的改变而随时变化,令一方面,同时处理多束光线的光子光场芯片很可能是由多层堆叠起来。

此外,为了让光纤不遮挡现实物体,入射光线必须从“镜片”的侧面引入,这也大大增加了“光子光场芯片”的芯片的设计难度,因为这意味这光在其中要弯转90度。

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 光从光子光场芯片侧面射入后进行调制

目前我们对这块芯片的具体原理还不是很清楚。从以上的推测可以看出,“光子光场芯片”能实时调控入射光线的分布,通过这种对光线的改变,构造出一种立体的“光场”,从而产生3D的混合现实图像。

Magic Leap小型化面临的困难

首先就是光源的小型化。Magic Leap要实现类似真实物体的重现,必须使用多种颜色的光源进行图像合成,还要保证激光器提供的光强度足以和反射自然光的物体“混合”(Mixed)。即使只使用3种颜色的激光器,重量也不容小觑。从《连线》杂志曝光的照片来看,Magic Leap目前使用的激光器在实验台以外,体积应该不小。

其次是图像计算芯片的小型化。市面上现在出售的VR与AR产品都采用双眼视差来呈现3D图像,而Magic Leap渲染的图像是真实的3D图像。以HTC Vive和Oculus Rift为例,这两款VR眼镜都需要使用当今顶级的NVidia显卡,手机芯片中的GPU仅足够提供入门级VR的性能。而Magic Leap专利文件中显示的分辨率为4K,不仅远远超过手机VR的分辨率,也大大高于PC级VR。

还有就是移动设备的“痛点”——电池。当初,谷歌眼镜仅能提供简单的2D图像投影和拍照功能,续航只有短短数小时。而Magic Leap的性能远比谷歌眼镜强。为了提供光源和计算芯片的能量,电池容量至少要做到和智能手机类似的水平,当今手环等可穿戴设备的小容量电池应该不足以长时间驱动Magic Leap的眼镜。增大电池又增加产品重力,已经有用户对微软Holelens五百多克的重量不满。Magic Leap要做到“穿戴舒适”可谓任重道远。

 

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责任编辑:Allen
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