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光場顯示 引領MR大躍進
是一場泡沫還是一道科技曙光?

【作者: 廖家宜】   2017年05月10日 星期三

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還記得去年轟動一時精靈寶可夢(Pokemon Go)嗎?這款遊戲讓全世界無論男女老少都淪陷於抓精靈的樂趣中,沒錯,只能用「淪陷」來形容這個現象。這款遊戲讓玩家在真實世界中探索虛擬世界的無限可能,在它獲得巨大的成功之後,許多公司也開始追隨推出許多AR應用,或是在技術上越玩越大。可以這麼說,精靈寶可夢將AR這項科技建立一個新的里程碑。


「以假亂真」的黑科技

但話鋒一轉,或許要有點不太客氣的指出,精靈寶可夢的玩法簡單,虛擬物體也稱不上細緻逼真,且所有的虛擬世界只存在於一隻智慧型手機的螢幕當中,因而算是比較「輕量級」的AR產品,當經過一段時間之後,這樣簡單的玩法恐怕不足以滿足消費者的口味了。


一般科技圈都將MR(Mixed Reality,混合實境)稱之為AR(Augmented Reality,擴增實境)的進階版,兩者在基礎技術上並沒有什麼太大的不同,同樣定調虛擬與現實世界的融合,但比較顯著的差異是,MR讓使用者能更自然地,且用更多樣化的方式與虛擬世界進行互動,甚至讓人錯分究竟身處虛擬抑或是現實的空間當中。如果說AR是下一個科技大方向,那麼MR或許就是下一個巨大的科技轉變。


精靈寶可夢雖然稱之為一款與現實世界「融合」的遊戲,但使用者只憑一眼,仍然能看出它是虛假的,這也就降低了使用者的互動體驗品質。為了突破這些界線,讓虛擬與現實世界完美融合,光場顯示技術(Light Field)被視為一項技術的大躍進,在未來,更有可能成為主宰AR∕MR的成像顯示技術。


這是Magic Leap三大核心技術(SLAM、CG、Light Field)之中,最引以為豪的一項黑科技,即便它從來沒有公開展示過實體產品。外界唯一僅能從幾段影像一窺這項科技的原始樣貌,包括體育館的破浪而出的鯨魚、手掌心的大象以及懸浮的太陽系等,其中部分影像還很明確地說明是「直接錄製,無任何後製」。



圖一 : Magic Leap所釋出的Demo讓外界一窺光場顯示所帶來的震撼視覺效果(Source:PingWest)
圖一 : Magic Leap所釋出的Demo讓外界一窺光場顯示所帶來的震撼視覺效果(Source:PingWest)

這項技術最大的亮點,是讓虛擬(或真實)物體從人眼視覺上來看顯得更加逼真,甚至以假亂真。即便當使用者看到兩個物體坐在眼前,從肉眼來看根本無法分辨究竟哪一個才是虛擬建構出來的圖像,這可比藉由螢幕顯示的成像要真實的多。


而什麼是光場顯示技術?工研院IEK專案經理侯鈞元解釋,先從人眼的視覺成像來看,理論上,是由光線照射到物體後,藉由物體反射光線射入眼球,通過折射最終在視網膜上成像,這一連串的過程,主要藉由光線的傳遞來完成。而光場顯示(Light Field)技術,其原理模擬人眼視覺成像,即是將某一場域裡,物體反射之所有方向的光線資訊全數捕捉下來,接著再將這些包含所有方向的光線資訊回送出去,最後將物體成像真實再現。


而這些光線資訊不僅包括光線的顏色、亮度,還包括位置、方向和距離。事實上,在一個空間中,每條光線都包含二維位置訊息(x,y)和二維方向訊息(θ,φ),而傳統平面顯示器只保留了位置訊息(x,y),但卻失去了光線的方向訊息(θ,φ),而光場顯示則可以保留最完整的光線訊息,因此可讓人眼得到最真實的視覺感受,尤其在景深這個維度當中!


除了精靈寶可夢之外,再以3D電影舉例來說,雖然它有立體感,但肉眼所見卻還是不夠真實,侯鈞元對此認為,由於其所創造出的立體感,是藉由兩個平面交疊製造景深的差距,但經過一段時間後,人眼越來越能辨識出真假,而整個場景也就會隨之越來越不真切。


但光場顯示所構成的成像,得以讓人眼以看見「真實」物體的方式觀察虛擬物體,這也意味著,由於這些物體不是由像素構成,而是由光線構成,因此遠比需要通過3D技術製作出來的「假」物體更加逼真,也更加自然,這對於講求虛擬與現實結合,並要求自然互動的MR來說,是再適合不過的了。



圖二 : 工研院IEK專案經理侯鈞元解釋光場顯示技術的成像原理。(攝影∕廖家宜)
圖二 : 工研院IEK專案經理侯鈞元解釋光場顯示技術的成像原理。(攝影∕廖家宜)

難以跨越的技術障礙

而顯示和捕捉,則是完成光場顯示技術的兩個動作。前者由光場顯示器負責把光線資訊紀錄下來後,回放組成視覺成像,復原到真實世界的環境中,而後者則透過光場攝影機把物體附近場域的所有光線資訊全數捕捉下來。


雖然Magic Leap始終沒有實體產品問世,但外界從一些專利文件分析,Magic Leap的光場顯示技術目前可能將重點擺放在顯示的部分。其最大的特色之一是運用光纖架構進行投影。


該技術最初是用於醫療內視鏡做為影像採集,而Magic Leap則利用光的可逆轉性,將其轉化為投射光線的顯示器,並維持原有光纖的體積。其簡單的原理,就是讓光纖束在一個1mm直徑管道內用放電的方式讓其做同心圓高速旋轉(如圖三),在旋轉的過程中就能在末端投射出一電子光束來顯示影像,甚至只要改變旋轉的方向或距離,就可以改變投影的範圍。



圖三 : 光纖束在一個1mm直徑管道內以同心圓做高速旋轉在末端投射影像。(Source:PingWest)
圖三 : 光纖束在一個1mm直徑管道內以同心圓做高速旋轉在末端投射影像。(Source:PingWest)

而相較於光場顯示,光場的捕捉技術則已有一定的基礎了。這項技術以傳統的單眼相機鏡頭組成陣列即可採集,而早在好萊塢包括《阿凡達》等經典電影當中,就已被大量使用了。由於一般鏡頭僅能捕捉一個二維(x,y)軸的畫面,而光場顯示必須記錄包含位置和方向等的四維資訊,因此這項技術也得透過大量的鏡頭組成龐大的陣列才可一次性的捕捉所有光線資訊。


雖然看起來光場顯示技術證實是可行的,但事實上,目前的發展仍舊遭遇許多瓶頸,欲商業化也面臨幾個挑戰。首先是光場顯示的數據量與運算要求太過龐大,從儲存、傳輸到運算都是個問題。尤其光場顯示儲存的是四維的光線資訊,現有的頻寬恐怕還不足以應付實現流暢的內容畫面;此外,由於龐大的數據量,為求逼真的光場顯示,其運算效能以現有的終端硬體設備來說,似乎也無法負擔。


除了上述瓶頸之外,光場顯示所需的設備總體積也需考量將其小型、輕便化,尤其是光場捕捉的相機陣列過於龐大,更別說要將其設計成符合大眾審美的外觀,進入市場商用化。「目前最大的問題,就是卡在硬體技術這關!」侯鈞元這麼說。


主宰MR!全世界都在等Magic Leap

不過更令人好奇的是,這項技術由於至今從未有實體產品問世,隨著Magic Leap將產品上市的預定日期一延再延,甚至近來屢次傳出內部團隊不合等等眾多不怎麼正面的消息在市場傳開,也有不少人漸漸將期待轉為等待,甚至開始隱隱對其失去信心。至此很多人開始質疑,「究竟它是不是個騙子?」、「光場顯示技術是真的可行還是一場騙局?」


但弔詭的是,這間號稱科技圈最神秘的新創公司卻能夠取得全球超過一半以上的投資資金,吸引包括Google、阿里巴巴等科技巨頭們的投資。也許光場顯示技術的難度確實存在,也還需要時間跨越這道技術門檻,不過縱使不相信Magic Leap,也應該相信科技巨頭們的投資眼光吧?!外界對其進展雖然無法掌握具體資訊,不過巨頭們不可能平白無故,光憑幾段影片、或幾個專利就投下龐大資金。


從早前曝光的一組照片來看(如圖四),市場推測,現階段Magic Leap在產品上可能是遇到了某些問題,主要在於沒能按預想的情況將體積和重量縮小到普通頭戴設備的大小,而且目前的產品體驗更不如微軟的HoloLens。


當Magic Leap還關起門秘密著手開發的同時,不少競爭對手也按捺不住了。來自矽谷的一家新創公司Avegant,就在近期也研發了一款基於光場顯示技術的頭盔,戴起這款頭盔之後,使用者就能從現實中看到一些虛擬圖像,甚至當畫面出現多個圖像時,通過瞇眼動作看清遠方物體(如圖五),這和我們日常生活中的用眼習慣沒什麼不同。但在互動方面,現階段的產品還不能支持使用者和周圍環境進行互動,所以光場顯示技術在使用上還僅限於「投影」。


面對市場越來越多突然冒出來,宣稱自己也在做光場顯示技術的新創公司,Magic Leap似乎不急於證實自己,若非有十足的把握,恐怕也無法這麼鎮定了。而侯鈞元則是認為,最後光場顯示技術的成敗,是否能引領MR的技術大躍進,終究還是得取決於Magic Leap,可以這麼說,全世界都在等著這間公司。



圖四 : 外媒揭露Magic Leap的產品雛形。(Source:Business Insider)
圖四 : 外媒揭露Magic Leap的產品雛形。(Source:Business Insider)

圖五 : Avegant的頭顯能讓使用者通過瞇眼動作調整焦點。(Source:36kr)
圖五 : Avegant的頭顯能讓使用者通過瞇眼動作調整焦點。(Source:36kr)

**刊頭圖(Source:moduovr)


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