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一文详解AR光学技术产业链

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发表于 2017-5-11 14:58:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 聊大聊天 于 2017-5-11 15:08 编辑

一文详解AR光学技术产业链

大白话说技术,3分钟带你把全息波导看个通通透透
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编者按:本文来自微信公众号“青亭网”(ID:qingtinwang),36氪经授权发布。

各个VR(虚拟现实)眼镜使用的成像原理大同小异,而AR(增强现实)眼镜其实五花八门:微软HoloLens、谷歌眼镜、腾讯投资的Meta、阿里投资的以色列巨头Lumus、Magic Leap,美国军方的合作企业Vuzix,还有富士康和索尼的宠儿DigiLens…每家都有自己的绝活儿。


本文将介绍一种近眼光学技术,分析波导技术的革命,然后将要讲的领域具体放在全息波导上。


我们会仔细审视波导OEM市场中的各大组织,包括HoloLens、谷歌眼镜、Magic Leap、DigiLens等等。


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这篇文章并非以纯学术形式展现,而是更加平易近人,让读者对波导市场有个基准判断和解读,以及了解光学技术的尖端领域如何重塑智能眼镜市场。


近眼光学基础技术大部分对智能眼镜略知一二的人们主要是从谷歌眼镜的显示方式了解到的。


这个实现原理比较基础,也简单粗暴:一个微型显示器(这里用的是LCoS)边上是各种电子器械,正对着一个棱镜,把光学设备转过90度,将显示器发出的光反射到用户右上方视角场,从而实现虚拟图像的叠加。这就是所谓的棱镜解决方案——在本例中,这个包括了LCoS显示器和棱镜光学系统的整个光学部件是由HiMax(奇景光电)生产的(台湾的一家光学OEM)。


2.jpg


现在想象一下:两个这种90度反射棱镜对齐放置。在这种设置下就能把图像发射光线旋转180度,感觉就像潜望镜一样。当然也可以用两块棱镜让图像光线以原方向继续出射。下列图片是最简单的形式。而想要继续深入了解波导技术,就必须清楚这种显示方向扭转的原理。


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波导技术基础
波导技术即传播光线的技术。从某种意义上讲,波导技术并非是什么新鲜玩意,与让光线沿线传导的光纤技术原理一样。

当你从一段观察光纤的时候,你看不到光,只是有一个小光点。波导管用了同样的定向光波导元件,把光线导入一根管或者一个平面(平面波导),从一端导到另一端(看不懂没关系,看下图。光线从显示源射出,通过波导元件射入眼镜)。


这一领域最基本的波导最初是由以色列军方出身的光学公司Lumus(阿里巴巴、HTC等投资)进行商业化的。最近,这家公司也成为著名工业AR头盔厂商Daqri和Atheer的供货方。


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谷歌和索尼公司都有原理上类似的波导技术知识产权。而奇景光电和法国Optivent合作成功做出了一串互相链接的波导管;而且奇景光电和Lumus,Lumus和Essilor也合作成功做出了这个项目。Essilor是全球最大的导管生产商,最近与全球最大的眼画面厂商,意大利公司Luxottica合并。


HoloLens的AR显示方案,最初居然是诺基亚的?平面出射波导板:


这个比之前提到的波导结构更加复杂一些,想象棱镜缩减到非常微小的尺寸,然后延展开。现在将很多这样的小元件放到透镜表面。这些微小表面就形成了所谓“平面出射”的波导部分。图像会被分割为一系列的垂直区域,然后用另一端同样的波导部分出射并整合成原图像,展示在眼球前。(下图)

5.jpg

表面出射波导技术是诺基亚公司申请专利,并最先完成商业化的。


而微软的HoloLens中所用到的波导技术,实际上是诺基亚公司的设计方案,想不到吧?微软不过是把设置改为光线扭转到右上方,在眼球上方安装微显示器。


诺基亚公司的专利引起了广泛的关注,因为它有潜力进行大规模生产。不仅如此,除了HoloLens之外,诺基亚还将这一设计方案授权给了和美国军方有颇深关系的Vuzix公司。


这家公司在英特尔投资的一家工厂中进行了这款波导元件的生产,然后以与联想合作品牌的名义在中国B端市场进行销售。可以看出诺基亚公司的设计方案不仅能大规模生产,还能扩展生产合作关系。


更多的公司也受此鼓舞,加入到了表面出射设计生产的行列中去。


芬兰公司Dispelix不仅生产表面出射的波导,还为生产过程的改进做出了杰出的贡献。Dispelix公司不仅制造了类似于诺基亚公司的表面出射元件,还为生产过程添加了新技术:在元件表面“打印”微型波导管。


MagicLeap怎么玩?



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Magic Leap从来都是闷声发大财的,故而我们想要了解他们的工作就得去查看他们的专利申请和收购记录,也就是说他们从不会讲清他们实现计划的具体方案。


创立者罗尼·阿伯维茨(Rony Abovitz)此前曾公开了MAKO Surgical,一款外科机械手臂平台。MAKO平台后来被Stryker以16.5亿美元收购,这是一家医疗设备巨头(市场价值500亿美元)。


如今投资团体们都对Abovitz非常信任。我们猜再加上那个出色的实验室演示项目(在适当的环境下),他能筹集到相当巨额的资金。


Magic Leap测试了多种多样的光学设计,期待能找到一个合适的光场显示,还要能大规模生产。光场能实现景深的效果,让焦点处的物体清晰可见,而其他的物体看起来更模糊。对于这种Magic Leap公司正在追求的娱乐应用来说,光场技术能够实现虚拟内容更加真实的渲染效果。


在去年四月份,Abovitz空降《连线》杂志封面,文章报道了一种“光子光场芯片”。“芯片”这种称谓也暗指了他们的一种理论显示技术。


2013年到2014年间申请的专利探索了各种各样的外接光学设计,但都是纸上谈兵,在实际生产中收到了各种各样的限制。


理论上将CPU的生产技术应用到这些显示设备上来就有可能完成生产了。要说对Magic Leap的研发效果还有什么怀疑的地方的话,还是有两大障碍等着这家公司的——


第一,成本:一款眼镜波导管比现代CPU大好几倍…而且一台设备需要两个。这意味着就算Magic Leap公司研发成功,最后一台设备两个镜片造价都要好几千美元,他们还没有像英特尔那样大规模生产这么昂贵设备的能力。眼睛的造价可能会很高。


第二,厚度:专利文件中可以发现波导片的厚度在1厘米到1.5厘米之间。Magic Leap正在针对消费者市场进行开发——就算他们能做出产品,就算他们还能绕开生产高成本——就算最好的显示设备,厚达1厘米的外观因素也不会让消费者买账。细节之处定成败。


如今看来,Magic Leap公司重新回炉打造了。这家公司的专利还包括了各种层叠的表面出射波导元件。这让我们回想起Dispelix公司之前提到的微结构打印技术。


去年Magic Leap公司悄悄收购了一家叫分子印刷的公司(Molecular Imprints),其技术就是能够打印微型结构,与Dispelix公司的元件生产技术很类似。


这种显示技术的开发周期有可能让Magic Leap开发出了波导技术,能在轻薄设计下创造光场显示,而且生产成本合适。但是Dispelix公司已经着手打印表面出射波导元件了,而Avegant最近也演示了光场显示(用更精细的激光分割技术),Magic Leap恐怕机会不多了。


全息图像波导技术这个名字有可能产生误解。“全息图像波导技术”提到的“全息图像”并不是指用户在眼前看到的图像,而是元件中原本的光学组件,这些本身就是由纳米级全息图构成的。


考虑一下你在信用卡上看过的全息图像。这种全息图像放在薄板上,通过反射进行查看(信用卡卡背后的反射面是为了背光显示的,而全息图本身其实在正面)。


对于全息图像波导技术而言,采用了类似的一项技术——一个多面光学薄板用激光曝光处理,从而印上显微镜级别纳米尺寸的全息图像,也就是元件中隐藏的镜子一样的光学元件,借此替换掉了更加传统的波导技术中棱镜的地位。


就跟以往一样,微型显示器投射到波导的一段,然后全息光学器件扭转光的位置,将单向光波导到表面,然后另一组全息光学组件逆转这个过程,把复原的图像射入眼前。这一出色的工程设计所占空间只有原本棱镜的薄薄一层。


最近获得索尼、富士康等投资的DigiLens在近十年前就改进了这一技术,为美国军方设计了空军HUD系统(与Rockwell Collins合作),目前该技术仍属机密。


12.jpg

全息波导光学元件行业如今又迎来了诸多新成员:英国的TruLife光学和Wave光学公司,以及最近的科罗纳多州的Akonia全息图像公司。


Akonia公司之前花了十年时间,耗资1亿美元研发全息图像存储技术,并未成功。这三家公司目前都在实验室环境下进行演示,设计方案与2010年的DigiLens的工作颇为相似。


从那时候起,DigiLens就不断创新。


之前提到的所有波导设计都还属于“被动式”波导。元件中都是被动触发机制,也没有电子组件,他们只是接受了微显示器投射出来的光,被动地把光纤移过元件,然后扭转方向,投射到用户的眼镜里面去。


沉睡的独角兽DigiLens,比其他波导OEM领先七年?DigiLens现在有了“主动式”的全息图像波导技术。


这一技术使用的是一片基于薄薄的聚合物的液体水晶,DigiLens波导中类似全息镜面的光学元件,能够在被电流激活时转换状态。


如下图,光线从源显示屏上射出,分别走红色和蓝绿色波导。最后经过多层电流转换全息光学元件(厚度仅1微米),再射出到眼睛里。


01.jpg

DigiLens此前是靠军方显示技术发家,现在航空电子设备行业站稳了脚跟,然后转移阵地到了巴西航空公司的喷气式飞机采用的头戴波导显示设备,然后由于Rockwell Collins合作。他们第一款消费者级别产品是一个为宝马制造的显示器,将于今年晚些时候发售。


除此之外,前述的波导技术都是平面设计,表面出射的。在今年早些时候DigiLens同样宣布了他们完善了他们的主动式全息波导技术的应用,应用于曲面元件的表明,这意味着他们能够适应眼球佩戴。他们最近刚接受了一轮由索尼和富士康提供的2200万美元的投资。


在最近一次对DigiLens创始人、主席、CEO/CTO,Jonathan Waldern的采访中,他表示他们正在研发为元件内置层叠式技术,采用波导显示中类似的技术,不过是通过摄像头而不是微显示器来完成眼球追踪功能,同时大小也差不多。


1.gif

DigiLens这样留下来的光学技术空间只有光场还可以再研究研究了。但是如果说,Magic Leap公司正在利用多层波导技术实现光场效果的话,DigiLens早就把多层波导技术投入现在的产品设计里了——将红色光谱放到自己的波导元件里,上面加上蓝色和绿色的波导。


除此之外,DigiLens采用了层叠式波导元件来扩大视场角。如果他们还没有用到他们的层叠式波导元件来实现光场显示技术,是因为他们的客户要求并没有要求这一点——他们因此在导航数据方面非常专业,而不是娱乐领域。如果有客户愿意出钱搞光场,估计他们也能用现有的波导层叠技术搞得来。


DigiLens可谓是一头沉睡的雄狮。在消费者可接受的外型因素下成功研发智能眼镜,靠近眼光学起步发家,如今的DigiLens公司可能要比起其他波导领域的OEM要领先个起码七年。


虽然DigiLens为美国军方开发的项目还列属机密,但是并不需要黑客技术就能知道美国军方想造的就是像钢铁侠那样的HUD系统了,而他们靠的就是DigiLens公司的显示技术。




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 楼主| 发表于 2017-5-11 15:11:10 | 显示全部楼层

如何快速入门 VR?知识、资源、工具、教程……

本帖最后由 聊大聊天 于 2017-5-11 15:15 编辑

如何快速入门 VR?知识、资源、工具、教程……

不懂VR?这一篇分析了它的发展现状,外带学习方法和资源,绝对干货!

编者按:科幻作家和未来主义者在几十年前就对VR梦寐以求,黑客们也不例外。有些人怀疑VR是否会进一步发展,而另有许多人对VR感到兴奋,因为它带来的不止是技术的进步更是对于社会交往的颠覆。来自YC的Vincent Chen在”How to Get into VR”一文中分享了他对于VR当下现状、以及跨学科如何推动VR发展的看法,同时还提供了入门学习的一些资源和建议。

为什么是现在?

VR不是一项新技术,它只是变得可及。— Jeremy Bailenson(Stanford VHIL)


VR技术已经存在多年,有从立体镜到飞行模拟器等多种形式。工程和物理等领域的学者和研究人员一直在努力使该技术变得可行。在过去的几十年中,HMD(头戴式显示器)已经成为体验VR的标配。

在二十世纪九十年代末至二十世纪初期,有大量将VR引入大众的尝试。世嘉公司曾宣布推出一款(但从未发布)耳机。任天堂推出了Virtual Boy,这是一款包含单色HMD的视频游戏机。然而,这些尝试由于缺乏视觉保真度和处理能力不足而受阻。

只有最近,VR的发展变得更为大众所见。 CPU 和GPU可以在价格合理的基础上提供高保真,沉浸式的体验。智能手机为移动VR提供了便宜且更易于使用的选择,而不需要将设备绑定到高端计算机上。随着越来越多的人有机会体验VR,该技术也越来越清楚应如何在更大范围内抵达消费者。

虚拟现实和增强现实(AR)是兄弟姐妹VR需要模拟世界,而AR则需要对现实世界中的信息进行叠加。以手术为例,我们可以更清楚地看到其中的差异。VR可用于模拟外科医生的操作训练,而AR则可在实时手术中将视图中的指令和诊断叠加。

有些人认为VR是AR的基石。虽然实现高保真的AR需要更大的技术飞跃,但是VR开发中所取得的进步可以帮助我们抵达彼处。

在这篇文章中,我们避免讨论VR或AR谁更好,更有希望或更适用。相反,正如其他人猜测的那样,我们将讨论他们的共同潜力和各自面临的技术挑战。对于两者而言,在当下都是其发展的良好时机。

VR是实实在在的技术问题没有像VR这种天然成型的东西……只有跟踪,渲染和显示。跟踪是在3D空间中记录用户的位置和方向。渲染是为用户构建适当的图像。而显示器则是指硬件可以显示所渲染图像的保真度。

我们需要用心解决这些问题直到用户不会感到不适或不舒服。视觉和前庭神经系统的自我运动的感受不契合(晕车症和晕船症是同一个道理)时,人们就会遇到模拟器眩晕症。

这是一个很难解决的问题。作为参考,传统电脑游戏以1920×1080的分辨率渲染,刷新频率为60Hz。Oculus Rift以2160×1200(90Hz)的标准运行(两个显示屏对应两只眼睛)。换句话说,目前VR解决双眼眩晕的方案必须能够有效渲染1080p,且刷新率高于电脑游戏。同时,处理器需要跟踪用户的位置,并将这些信息尽可能及时地提供给头戴设备。

即使这些要求成为现实,那也不太理想! VR显示器尚未覆盖人类的全部视野。此外,我们当然可以通过提高渲染质量,以达到如今视网膜显示器的保真度,但这所有的这一切表明我们需要8K分辨率去渲染VR!

现在,我们遇到一个有趣的技术问题,即如何利用人类视觉系统的局限性来优化带宽和计算能力。 (例如,我们的周边视觉比我们的中心视野更糟 - 那么为什么不尝试焦点式渲染?)

VR不仅仅适用于游戏玩家是的,用VR拍摄机器人很有趣。

但VR也能提供身临其境的音乐会、博物馆、演唱会以及球场上的体育赛事。 使用VR,视频会议的质量将得到改善,因为它能更好地进行视觉接触,并提供微妙的非语言提示。同时,培训费用将下降,因为不再需要像建筑业或制造业这种行业的人力培训师。同时,可重复的动手训练的效果会增加。学者将以更多的重复性、多样化的样本量和日常性重现现实来进行社会心理学研究,因此人类联盟也将不复存在。此外,VR会以其灵活性将真正的体验式学习引入教育。

就个人而言,我对VR之于医疗和医药的影响感到非常兴奋。VR在人员培训和教育体验中的优势也适用于临床医生。在患者护理方面,VR可用于治疗疼痛、战斗成瘾(combat addiction)和精神健康方面的问题。

VR不存在成熟之说


这个领域内的景观是炽热的。—Morgan Sinko(NullSpace VR)
没有标准,没有最佳范例。每个人都可以尝试不同的东西。

以下是一些和VR相关的技术领域,以及每个领域内所涉及的具体问题:

•人机交互:我们如何实现有情境的用户界面(non-diegetic UI)?
•光学:我们该如何适应一个小型投影仪,并让眼睛适应眼镜的形状?
•电子产品:如何优化脸部设备的电池、压力和尺寸?
•硬件:如何建立触觉以便更好地跟踪和反馈我们的行动?
•计算机视觉:如何通过3D重建技术和场景再现来弥合VR与现实世界的不同?
•人工智能/自然语言处理:我们如何在VR中创建与我们进行互动的虚拟现实?

即使在非技术领域,也存在许多仍未得到解答的问题:

•心理学:VR对成瘾有什么影响? 虚拟现实对真实人格的影响是什么?
•社会学:改变社会互动(TSI)的方式意味着什么(想想眼神接触)?

我们正在接近早期形态的AR,但离成熟期的AR还很远许多情况下,在AR中体验的场景原型比在VR中更易于接近。使用手机、GPS和相机提供的信息可以增强我们与世界各地的连接(想想Pokémon GO)。

然而,AR面临着许多对于VR来说并不存在的挑战。根据经验来看,AR技术受益于无阻碍,因此我们可以充分利用周围的空间。而一旦我们不能在后台运行高配游戏机,相应的资源计算会是一个很大的问题。

其他之于AR的挑战在于硬件和HCI(人机交互) - 我们如何创建具有大视野的透视显示? 我们如何设计出一款人们能够在公共场合穿戴的设备?(提示:记得Google Glass?)

现在,你可以开始涉入其中下载一个游戏引擎,如Unity或Unreal Engine,并开始黑客式攻击。如果你以前开发过游戏,就会注意到这个过程非常熟悉,除了你的耳机被安装到与游戏机相应的摄像机之处(in-game camera)。

更普遍地说,这些游戏引擎的设计非常直观且容易学习。它们只需要基本的脚本,并且可以使用浅层次学习曲线接口(例如:拖放可视化脚本)。

以下是一些有用的入门资源:

•FusedVR的教程和现场直播:包括从建模到游戏引擎所能实现的内容创作的的演练,非常棒。
•Udacity的VR开发者Nanodegree:涵盖VR的应用程序开发、设计和优化的完整程序。
•Unity和Unreal的教程。

•工具包:
  ○VR:VRTK
  ○AR:Vuforia、Hololens

•有用的教程(threads):
  ○Reddit:如何开始制作VR游戏
  ○Quora:我从哪里开始? 什么是VR学习的最好资料?
了解图形流水线(the Graphics Pipeline)将帮助你欣赏VR的限制性和可能性
从根本上说,VR是用头部跟踪在你眼前展现出的场景并进行渲染的酷炫应用。了解3D几何以及呈现方式,你将更好地了解VR的限制性和可能性。

这里有一些很好的在线资源:

•伯克利学院的CS184教程:计算机图形学
•Scratchpixel:从图形数学和物理中学习先进的现代技术
•Song Ho An 的OpenGL笔记:介绍OpenGL的教程和概念

视域和影像领域正在推动VR前沿发展

对于促进计算机视觉、光学、成像及相关主题的认识的投资可能会有巨大的回报。

•计算机视觉:我们对于深度如何追踪和理解?
  ○斯坦福大学CS231N课程:Phenomenally clear resource with modern CV techniques,由Andrej Karpahty(现为OpenAI的研究科学家)所写
  ○计算机视觉:模型、学习和推论:幻灯片、练习和代码示例

•计算成像/摄影:光线如何进入相机并成像?类似地,我们如何能将虚拟图像的重点呈现在视网膜上?
  ○计算机摄影(Raskar、Tumblin):麻省理工学院和西北大学的教授的教科书
  ○Udacity的计算机摄影课程

在学习过程中:“用菜鸟心态学习VR”。—Aashna Mago(RabbitHole VR)
当然,天花乱坠般地炒作是真实存在的,但这也为我们远离所有的干扰提供了更多的理由。尝试接纳初学者的观点:愿意学习和吸收。不要因为自己认为有必要就开始做某些事情。现在处于学习、实验、失败并取得惊人进展的好时机。如果你认为你迟到了,那说明我在这篇文章中讲的很鸡肋!

加分项:阅读科幻小说!

令人惊讶地是,虚拟现实的发展与科幻小说密切相关。该领域的作者设想了一幅工程师开始发展VR的未来式场景。
有趣的事实:Neal Stephenson(Snow Crash的作者)建议Magic Leap(AR Company)担任首席未来学家!

必读:
•Ernest Cline《准备好的一人》
•Neal Stephenson《雪崩》
我的个人收藏夹:
•William Gibson的《神经漫游者》
•Vernor Vinge的《彩虹结束》

TL; DR:投入其中并与人交谈

将你的手放在耳机上,并在你所拥有的技能与兴趣重叠处开始切入。VR是一种新媒体,因此利用一个周末既能创造出令人信服且能够公之于众的内容比iPhone应用程序受到黑客攻击更是一个不是很有可能的问题。你将遇到质疑,但在这些质疑中,你将会拥有难得的机会去解决许多内行人员都会遇到的问题。

除了开始投入研发之外,还要与各式各样的人交流。构建舒适的体验过程需要工程师、艺术家、设计师和会讲故事的人协同工作(游戏开发人员会理解这一点)。此外,你可以利用在线论坛寻找反馈意见。加入俱乐部并参与俱乐部的活动中去!在VR公司工作。VR的世界很小,对于那些想在这个领域留下深刻痕迹的人来说,这是非常难得的机会和可能。

这里有一些在线社区可能值得研究:

•Facebook 的VR团队
••Women in VR
•Subreddits(/ r / virtualreality,/ r / vive,/ r / oculus)
•和VR有关的黑客新闻

“如果你相信VR来了...”

“...它将是变革性的,它将是无处不在的,而且对于社会互动范式的变革非常重要,因而在超早期阶段,这是多么的令人兴奋。” — Jay Borenstein(Stanford CS)


人们对VR的回应是如此惊人,却又如此内敛。它更新了你的信念,我想这是因为你知道它是特别的。—Aashna Mago(RabbitHole VR)

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