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光场显示 引领MR大跃进
是一场泡沫还是一道科技曙光?

【作者: 廖家宜】2017年05月10日 星期三

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还记得去年轰动一时精灵宝可梦(Pokemon Go)吗?这款游戏让全世界无论男女老少都沦陷于抓精灵的乐趣中,没错,只能用「沦陷」来形容这个现象。这款游戏让玩家在真实世界中探索虚拟世界的无限可能,在它获得巨大的成功之后,许多公司也开始追随推出许多AR应用,或是在技术上越玩越大。可以这么说,精灵宝可梦将AR这项科技建立一个新的里程碑。


「以假乱真」的黑科技

但话锋一转,或许要有点不太客气的指出,精灵宝可梦的玩法简单,虚拟物体也称不上细致逼真,且所有的虚拟世界只存在于一只智慧型手机的萤幕当中,因而算是比较「轻量级」的AR产品,当经过一段时间之后,这样简单的玩法恐怕不足以满足消费者的口味了。


一般科技圈都将MR(Mixed Reality,混合实境)称之为AR(Augmented Reality,扩增实境)的进阶版,两者在基础技术上并没有什么太大的不同,同样定调虚拟与现实世界的融合,但比较显著的差异是,MR让使用者能更自然地,且用更多样化的方式与虚拟世界进行互动,甚至让人错分究竟身处虚拟抑或是现实的空间当中。如果说AR是下一个科技大方向,那么MR或许就是下一个巨大的科技转变。


精灵宝可梦虽然称之为一款与现实世界「融合」的游戏,但使用者只凭一眼,仍然能看出它是虚假的,这也就降低了使用者的互动体验品质。为了突破这些界线,让虚拟与现实世界完美融合,光场显示技术(Light Field)被视为一项技术的大跃进,在未来,更有可能成为主宰AR∕MR的成像显示技术。


这是Magic Leap三大核心技术(SLAM、CG、Light Field)之中,最引以为豪的一项黑科技,即便它从来没有公开展示过实体产品。外界唯一仅能从几段影像一窥这项科技的原始样貌,包括体育馆的破浪而出的鲸鱼、手掌心的大象以及悬浮的太阳系等,其中部分影像还很明确地说明是「直接录制,无任何后制」。



图一 : Magic Leap所释出的Demo让外界一窥光场显示所带来的震撼视觉效果(Source:PingWest)
图一 : Magic Leap所释出的Demo让外界一窥光场显示所带来的震撼视觉效果(Source:PingWest)

这项技术最大的亮点,是让虚拟(或真实)物体从人眼视觉上来看显得更加逼真,甚至以假乱真。即便当使用者看到两个物体坐在眼前,从肉眼来看根本无法分辨究竟哪一个才是虚拟建构出来的图像,这可比藉由萤幕显示的成像要真实的多。


而什么是光场显示技术?工研院IEK专案经理侯钧元解释,先从人眼的视觉成像来看,理论上,是由光线照射到物体后,藉由物体反射光线射入眼球,通过折射最终在视网膜上成像,这一连串的过程,主要藉由光线的传递来完成。而光场显示(Light Field)技术,其原理模拟人眼视觉成像,即是将某一场域里,物体反射之所有方向的光线资讯全数捕捉下来,接着再将这些包含所有方向的光线资讯回送出去,最后将物体成像真实再现。


而这些光线资讯不仅包括光线的颜色、亮度,还包括位置、方向和距离。事实上,在一个空间中,每条光线都包含二维位置讯息(x,y)和二维方向讯息(θ,φ),而传统平面显示器只保留了位置讯息(x,y),但却失去了光线的方向讯息(θ,φ),而光场显示则可以保留最完整的光线讯息,因此可让人眼得到最真实的视觉感受,尤其在景深这个维度当中!


除了精灵宝可梦之外,再以3D电影举例来说,虽然它有立体感,但肉眼所见却还是不够真实,侯钧元对此认为,由于其所创造出的立体感,是藉由两个平面交叠制造景深的差距,但经过一段时间后,人眼越来越能辨识出真假,而整个场景也就会随之越来越不真切。


但光场显示所构成的成像,得以让人眼以看见「真实」物体的方式观察虚拟物体,这也意味着,由于这些物体不是由像素构成,而是由光线构成,因此远比需要通过3D技术制作出来的「假」物体更加逼真,也更加自然,这对于讲求虚拟与现实结合,并要求自然互动的MR来说,是再适合不过的了。



图二 : 工研院IEK专案经理侯钧元解释光场显示技术的成像原理。 (摄影∕廖家宜)
图二 : 工研院IEK专案经理侯钧元解释光场显示技术的成像原理。 (摄影∕廖家宜)

难以跨越的技术障碍

而显示和捕捉,则是完成光场显示技术的两个动作。前者由光场显示器负责把光线资讯纪录下来后,回放组成视觉成像,复原到真实世界的环境中,而后者则透过光场摄影机把物体附近场域的所有光线资讯全数捕捉下来。


虽然Magic Leap始终没有实体产品问世,但外界从一些专利文件分析,Magic Leap的光场显示技术目前可能将重点摆放在显示的部分。其最大的特色之一是运用光纤架构进行投影。


该技术最初是用于医疗内视镜做为影像采集,而Magic Leap则利用光的可逆转性,将其转化为投射光线的显示器,并维持原有光纤的体积。其简单的原理,就是让光纤束在一个1mm直径管道内用放电的方式让其做同心圆高速旋转(如图三),在旋转的过程中就能在末端投射出一电子光束来显示影像,甚至只要改变旋转的方向或距离,就可以改变投影的范围。



图三 : 光纤束在一个1mm直径管道内以同心圆做高速旋转在末端投射影像。 (Source:PingWest)
图三 : 光纤束在一个1mm直径管道内以同心圆做高速旋转在末端投射影像。 (Source:PingWest)

而相较于光场显示,光场的捕捉技术则已有一定的基础了。这项技术以传统的单眼相机镜头组成阵列即可采集,而早在好莱坞包括《阿凡达》等经典电影当中,就已被大量使用了。由于一般镜头仅能捕捉一个二维(x,y)轴的画面,而光场显示必须记录包含位置和方向等的四维资讯,因此这项技术也得透过大量的镜头组成庞大的阵列才可一次性的捕捉所有光线资讯。


虽然看起来光场显示技术证实是可行的,但事实上,目前的发展仍旧遭遇许多瓶颈,欲商业化也面临几个挑战。首先是光场显示的数据量与运算要求太过庞大,从储存、传输到运算都是个问题。尤其光场显示储存的是四维的光线资讯,现有的频宽恐怕还不足以应付实现流畅的内容画面;此外,由于庞大的数据量,为求逼真的光场显示,其运算效能以现有的终端硬体设备来说,似乎也无法负担。


除了上述瓶颈之外,光场显示所需的设备总体积也需考量将其小型、轻便化,尤其是光场捕捉的相机阵列过于庞大,更别说要将其设计成符合大众审美的外观,进入市场商用化。 「目前最大的问题,就是卡在硬体技术这关!」侯钧元这么说。


主宰MR!全世界都在等Magic Leap

不过更令人好奇的是,这项技术由于至今从未有实体产品问世,随着Magic Leap将产品上市的预定日期一延再延,甚至近来屡次传出内部团队不合等等众多不怎么正面的消息在市场传开,也有不少人渐渐将期待转为等待,甚至开始隐隐对其失去信心。至此很多人开始质疑,「究竟它是不是个骗子?」、「光场显示技术是真的可行还是一场骗局?」


但吊诡的是,这间号称科技圈最神秘的新创公司却能够取得全球超过一半以上的投资资金,吸引包括Google、阿里巴巴等科技巨头们的投资。也许光场显示技术的难度确实存在,也还需要时间跨越这道技术门槛,不过纵使不相信Magic Leap,也应该相信科技巨头们的投资眼光吧? !外界对其进展虽然无法掌握具体资讯,不过巨头们不可能平白无故,光凭几段影片、或几个专利就投下庞大资金。


从早前曝光的一组照片来看(如图四),市场推测,现阶段Magic Leap在产品上可能是遇到了某些问题,主要在于没能按预想的情况将体积和重量缩小到普通头戴设备的大小,而且目前的产品体验更不如微软的HoloLens。


当Magic Leap还关起门秘密着手开发的同时,不少竞争对手也按捺不住了。来自矽谷的一家新创公司Avegant,就在近期也研发了一款基于光场显示技术的头盔,戴起这款头盔之后,使用者就能从现实中看到一些虚拟图像,甚至当画面出现多个图像时,通过眯眼动作看清远方物体(如图五),这和我们日常生活中的用眼习惯没什么不同。但在互动方面,现阶段的产品还不能支持使用者和周围环境进行互动,所以光场显示技术在使用上还仅限于「投影」。


面对市场越来越多突然冒出来,宣称自己也在做光场显示技术的新创公司,Magic Leap似乎不急于证实自己,若非有十足的把握,恐怕也无法这么镇定了。而侯钧元则是认为,最后光场显示技术的成败,是否能引领MR的技术大跃进,终究还是得取决于Magic Leap,可以这么说,全世界都在等着这间公司。



图四 : 外媒揭露Magic Leap的产品雏形。 (Source:Business Insider)
图四 : 外媒揭露Magic Leap的产品雏形。 (Source:Business Insider)

图五 : Avegant的头显能让使用者通过眯眼动作调整焦点。 (Source:36kr)
图五 : Avegant的头显能让使用者通过眯眼动作调整焦点。 (Source:36kr)

**刊头图(Source:moduovr)


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