斯坦福科学家开发出革命性的AR头戴设备 全息技术让普通眼镜展示3D仙境

通过全息技术和人工智能，这些眼镜可以在直接观看真实世界的基础上显示全彩 3D 移动图像。图片来源：安德鲁-布罗德海德

电子工程系副教授、快速崛起的空间计算领域专家戈登-韦茨坦（Gordon Wetzstein）说："我们的头显在外界看来就像一副日常佩戴的眼镜，但佩戴者透过镜片看到的是一个丰富的世界，上面叠加着生动的全彩三维计算图像。"韦茨坦和一个工程师团队在《自然》杂志上发表的一篇新论文中介绍了他们的设备。

他们说，虽然这种技术现在只是一个原型，但它可以改变从游戏和娱乐到培训和教育等领域--在任何地方，计算机图像都可以增强或告知佩戴者对周围世界的了解。

韦茨坦领导的斯坦福计算成像实验室的博士生、该论文的共同第一作者马努-戈帕库马尔（Manu Gopakumar）说："我们可以想象，外科医生戴着这样的眼镜来规划精细或复杂的手术，或者飞机机械师戴着这样的眼镜来学习如何操作最新的喷气发动机。"

这种新方法首次将复杂的工程要求串联起来，迄今为止，这些要求要么导致头戴式头显不美观，要么导致 3D 视觉体验不令人满意，佩戴者会感到视觉疲劳，有时甚至有点恶心。

斯坦福大学计算成像实验室博士后研究员、论文共同第一作者 Gun-Yeal Lee 说："目前还没有其他增强现实系统能与我们的三维图像质量相媲美。"

为了取得成功，研究人员结合人工智能增强全息成像和新型纳米光子设备方法，克服了各种技术障碍。第一个障碍是，显示增强现实图像的技术通常需要使用复杂的光学系统。在这些系统中，用户实际上无法通过头显镜头看到真实世界。相反，安装在头显外部的摄像头会实时捕捉世界，并将图像与计算图像相结合。然后将生成的混合图像立体投射到用户眼中。

"用户看到的是现实世界的数字化近似图，上面叠加了计算图像。这是一种增强虚拟现实，而不是真正的增强现实。"Wetzstein 解释说，这些系统必然非常笨重，因为它们在佩戴者的眼睛和投影屏幕之间使用放大镜片，要求眼睛、镜片和屏幕之间的距离最小，从而增加了体积。

斯坦福计算成像实验室的博士生、论文的共同作者 Suyeon Choi 说："除了笨重之外，这些局限性还可能导致感知真实度不尽人意，通常还会造成视觉不适。"

为了制作出在视觉上更令人满意的三维图像，韦茨坦摒弃了传统的立体方法，转而采用全息技术，这是一种在 20 世纪 40 年代末获得诺贝尔奖的视觉技术。尽管全息技术在三维成像方面大有可为，但由于无法描绘准确的三维深度线索，全息技术的广泛应用一直受到限制，导致视觉体验不佳，有时甚至令人有类似晕车的反应。

Wetzstein 团队利用人工智能改进了全息图像中的深度提示。然后，利用纳米光子学和波导显示技术的进步，研究人员能够将计算出的全息图像投射到眼镜镜片上，而无需依赖笨重的附加光学器件。

通过在透镜表面蚀刻纳米级的图案来构建波导。安装在每个太阳穴上的小型全息显示屏通过蚀刻图案投射计算图像，这些图案会在镜片内反弹光线，然后将光线直接传送到观看者的眼睛。透过眼镜片，用户既能看到真实世界，又能看到上面显示的全彩 3D 计算图像。

3D 效果之所以得到增强，是因为它是通过立体和全息两种方式产生的，前者是指每只眼睛都能看到略有不同的图像，就像传统的 3D 成像一样；后者则是指每只眼睛都能看到略有不同的图像，就像传统的 3D 成像一样。

斯坦福大学计算成像实验室的博士生布莱恩-赵（Brian Chao）是这篇论文的共同作者，他说："利用全息技术，你还可以在每只眼睛前获得完整的三维体积，从而提高栩栩如生的三维图像质量。"

新的波导显示技术和全息成像技术的最终成果是提供逼真的三维视觉体验，既能满足用户的视觉需求，又不会让用户感到疲劳，而这种疲劳感正是早期方法所面临的挑战。

Wetzstein 说："全息显示一直被认为是终极 3D 技术，但它从未取得过重大的商业突破。也许现在他们有了多年来一直在等待的杀手级应用"。

编译来源：ScitechDaily