全息AR技术:并非您祖父时代的全息摄影术

日期:  
2020年 5月 11日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

在现实世界中,当我们看到一个物体时,实际上是我们的眼睛接收到从该物体反射的光线,即光的波阵面。波阵面包含我们的眼睛可以解读的有关光波亮度、色度和距离(相位)特性的复杂信息,这使我们能够在三维(3D)空间中感知物体。

相比之下,当我们观看显示屏时,我们看到的光线则是由显示屏上的各个像素从二维平面发射出来的(即使这些像素太小,我们的眼睛无法感知)。全息图旨在复制从物体反射回来的光线在现实世界的效果。从本质上讲,如今的全息图是由计算机生成的从显示屏投射的或者投射到透明面板上的波阵面的复制品,并使用干涉图样模拟现实世界中来自物体的波阵面,以使2D投影显示为3D模式(自动立体方法)。

在过去的博客文章中,我们讨论过全息图的历史和技术。在全息图出现的早期,带有特殊涂层的照相底片用于记录波阵面的振幅和相位信息以创建图像。如今,计算机和显示器用于生成全息投影。由计算机生成的典型全息图通过算法进行计算,并使用空间光调制器进行投影1。尽管有些增强现实(AR)系统使用OLED等显示屏来显示图像,或者使用透明面板来反射投影图像,但先进的全息技术正在成为具有大众市场普及潜力的AR可视化方法。

基于计算机生成的全息显示器(CGH)的AR设备示意图。将CGH上载到空间光调制器上,在参照光线的照射下,衍射光通过分束器的一个方向到达人眼,而真实环境光则通过分束器的另一个方向进入人眼,以形成背景环境与AR图像的组合图像。(图片:Source

传统的AR/VR设备基于双目视觉显示或光场显示,两者都可能遭受容易导致用户头晕或疲劳的视轴调焦冲突。全息显示器可提供3D视觉感知,并且不会导致观看者产生视轴调焦冲突,从而减轻了对用户的这些负面影响。

AR技术在工业/企业应用以外的领域的普及速度一直很慢,部分原因就在于其给用户带来的这些不良生理反应。智能眼镜和AR设备在消费者中未得到广泛普及的另一原因在于,长时间佩戴头戴式设备(HMD)引起的不适感,以及对笨重或缺乏吸引力的智能眼镜款式设计的担忧。大多数消费者仍然依靠他们的智能手机获取实时信息。

推进全息技术的发展,同时改善用户体验

制作静态全息3D图像是一个起点,但必须提供更具吸引力的AR体验才能提高市场关注度。研究人员和企业一直在推动该技术向前发展,寻求更具交互性和沉浸感且无需佩戴头戴设备的增强现实和全息方法,以提升用户体验。

举例来说,在2020年SPIE AR VR MR大会上,来自伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员介绍了一种用于AR近眼显示系统的全息方法,该方法的基础是将由计算机生成的唯幅度数字全息图(AO-CGH)投影在数字微镜器件(DMD)上2。该设备的工作原理基于菲涅耳(Fresnel)全息术和空间光调制器编码,这使系统能够显示具有准确深度提示的高分辨率3D图像。他们认为,该技术可用于低成本的紧凑型设备,其可能会对消费类应用具有吸引力。了解更多…

下面将简单介绍全息技术领域的一些其他创新成果,包括交互式、沉浸式和无需佩戴头戴设备的系统,它们可以帮助克服AR技术在消费类应用中普及的障碍,并改变我们未来与该技术进行交互的方式。

交互式全息图

您可能在 钢铁侠复仇者联盟系列电影中见过Tony Stark与他的巨型增强现实(AR)显示屏进行互动,用手一挥就能让空中的图像进出视野。现在,研究人员正越来越接近于实现这种功能,但他们是从利用手指手势完成简单的操作开始。

日本千叶大学(Chiba University)的一个团队开发了一种“交互式手指感应系统,该系统使观察者能够实时、直观地处理电子全息图像。在该系统中,运动传感器用于检测手指手势(挥动和捏合),并将其分别转换为全息图像的旋转和放大/缩小。”3

图片显示操作员(a)利用挥动手势旋转3D图像,以及(b)利用捏合手势缩小和放大图像。雷克斯霸王龙(Tyrannosaurus Rex)的图像由4,096个点光源组成。(图片:Source)

无需佩戴头戴式设备的AR体验

近期的发展成果正在推动全息技术的进一步创新,尤其是在AR领域。新一代全息显示方案(也称为全息界面、光场显示、超立体显示或立体显示4)将使用户首次能够摆脱佩戴头戴式设备、智能眼镜等硬件的束缚,因为图像将被投影到真实空间。这不仅可以使单个用户不受阻碍地观看全息图,而且能够使多个用户从多个3D角度同时体验相同的全息图。

这些新系统意味着“不同的人群现在可以同时与虚拟角色和世界进行交互,无需事先做好准备,兑现了科幻小说中一直承诺的全息未来的承诺。”5这些新系统意味着“不同的人群现在可以同时与虚拟角色和世界进行交互,无需事先做好准备,兑现了科幻小说中一直承诺的全息未来的承诺。”6汽车行业也正在将AR技术应用于车载抬头显示(HUD)系统。

虽然AR系统使建筑师能够以3D方式预览建筑设计…然而,其团队的其他成员如果没有佩戴头戴式设备则无法看到图像。现在,所有人都可以观看全新的全息界面,从而促进协作。(图片:Looking Glass

全息AR技术

全息技术的另一个创新领域被称为“全息增强现实”,请不要将其与仅使用全息技术将物体或图像投影到用户当前环境中(佩戴或不佩戴头戴式设备)的体验相混淆。全息AR是指一种更具沉浸感的体验,其中,用户可以将自己沉浸到交互式环境中。“全息增强现实技术可以将人物和/或物体从现实世界中实时抽离出来,并将其沉浸到虚拟环境中,在那里,他们可以与数字元素自然地进行交互。换句话说,全息AR技术使用户能够在虚拟世界中看到自己,并与在同一空间内找到的物体进行交互。”7

全息AR技术的一个关键方面在于,它将身体动作进行了整合,包括手势、面部表情甚至语音命令,用于控制体验,无需任何手持式控制设备。这种类型的用户追踪称为“自然用户界面(NUI)”,其中包括上文所提到的利用手势进行的工作。

全息AR技术在教育领域具有巨大的应用潜力,举例来说,该技术可使学生沉浸在他们正在学习的环境中,并使他们能够以虚拟方式探索该环境,并与之进行交互。

学生可以参观火星,并拥有与好奇号火星探测车(Curiosity rover)进行近距离交互的体验。(图片:Integem

并非您祖父时代的全息摄影术

VividQ是走在全息技术最前沿的公司之一,这是具有剑桥大学背景的初创公司,致力于开发面向大众市场的消费类全息AR显示器。本篇博客文章的标题就是借用他们的观点(经许可使用)。

任何类型的交互式或沉浸式全息技术面临的一项挑战在于所涉及的计算负荷。传统的全息图计算无法扩展到海量点云数据,该数据涉及生成可实时移动和更改的图像。VividQ公司开发了一种基于层的FFT(快速傅立叶变换)算法及LCoS面板,并应用其他方法来加快处理能力。简而言之,LCoS显示器具有一组光线可以穿过的孔径,这使系统能够控制干涉图样,以生成全彩色的高分辨率图像。

迄今为止,由于面临体积大、眼睛疲劳和长时间使用后过热等挑战,HMD AR设备市场的发展一直受到限制。全新的全息AR技术正在帮助消除这些障碍,为其在消费类市场的大规模普及铺平了道路。

 

引用文献

  1. He, Z., et al., “Progress in virtual reality and augmented reality based on holographic display”, Applied Optics, Vol. 58(5), February 10, 2019.
  2. Chang, C., et al., "Holographic near-eye 3D display based on amplitude-only wavefront modulation", Proc. SPIE 11310, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR), 113100V, February 19, 2020. https://doi.org/10.1117/12.2544452
  3. Yamada, S., et al., “Interactive Holographic Display Based on Finger Gestures”, Scientific Reports 8, 2010 (2018), January 31, 2018. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20454-6
  4. Frayne, S., “Holograms, VR, AR, & the future of reality”, Looking Glass Blog, September 17, 2019.
  5. Ibid.
  6. Ibid.
  7. What is Holographic AR”, Integem (retrieved May 7, 2020).
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