AR技術原理是什么?剖析增強現實技術難點

近兩個月來,AR熱潮已經逐漸退去,很多認清“事實真相“的消費者和投資人認為AR只是個噱頭。但我們始終相信,真正的AR給我們帶來的不只是Pokémon、AR卡片所展示的三維動畫,以Meta、HoloLens、lumus、Google Glass等主流智能眼鏡為代表的AR設備具有更豐富的功能體驗和視覺效果。但受制于軟硬件技術,AR的發展還處于瓶頸期,市場并未真正打開。那么想要實現真正的AR,到底有哪些技術需要攻克呢?

【交互技術】

對于傳統手機、電腦等智能設備,我們通過手指觸控的方式來進行信息輸入。但AR眼鏡則不同,它幾乎沒有物理操作按鈕,因此想要得到更好的增強現實體驗,交互是首先得解決的問題。現在的方案有手勢操控、語音識別、體感操控等。

手勢操控:微軟HoloLens是利用手勢進行交互的、最有特點的AR硬件。戴上HoloLens眼鏡后,可通過手指在空中點選、拖動、拉伸來控制虛擬物體、功能菜單界面。比如利用Air tap 手勢打開全息圖,利用Bloom 手勢打開開始菜單。

語音操控:手勢操控固然解放了雙手,但是它有著致命的缺陷,那就是頻繁的抬手會造成手臂酸軟。筆者在利用Leap Motion體驗小游戲時,發現這種問題尤甚。而語音操控便是更好的人機交互方案。現在微軟Cortana、Google Now、蘋果Siri、亞馬遜Echo都是優秀的語音識別助手,但是他們的識別率還是不高,只能作為輔助操作工具,智能程度也遠遠達不到AR交互需求。

體感操控:假設有一天全息通話成為了現實,那么除了語音、視覺交流之外,你是否可以和遠程的朋友進行體感交流(比如握手)?想要獲得更加完美的增強現實體驗,體感外設顯然是非常重要的一環。現在,已經有不少廠商推出了體感手套、體感槍等外設。只是這些設備功能還很單薄,還有著極大的改進空間。

【鏡片成像技術】

無論是增強現實還是虛擬現實,FOV 都是影響使用體驗的最重要因素之一。現在的AR眼鏡的可視廣角普遍不高,HoloLens有30°,Meta One只有23°,而公眾最為熟悉的Google Glass視角僅有12°。這是由于鏡片成像技術和光學模組不成熟造成的,現在還沒有太好的解決方案,但太窄的視角顯然讓增強現實效果大打折扣。

而除了FOV,AR在成像方面,還存在著以下的問題需要解決:

首先軟件方面,底層算法(輸入、輸出算法)還需要加強。這需要精確的圖像識別技術來判斷物體所處的位置以及3D坐標等信息。不同于其他3D定位,增強現實領域的物體位置,必須結合觀測者的相對位置、三維立體坐標等信息進行定位,難度要高很多。而如何利用疊加呈像算法,將相關信息疊加顯示在視網膜上也是個技術難點。

而在硬件方面,光學鏡片還是存在著色散和圖形畸變的問題。智能眼鏡成像時,視場周邊會出現紅綠藍色變,這就是棱鏡反射光線時常見的色散現象,可以通過軟件進行色彩補償或者通過多材料鏡片來消除。前者會增加硬件負擔并降低圖像幀率。后者的成品率低,這也是造成AR眼睛昂貴的原因之一。而畸變則是指圖像的扭曲變形現象,是由光線在投射入人眼的前后位置不同造成的。其所產生的問題與色散類似,在此不做贅述。

【SLAM技術】

SLAM 即指同步定位與建圖技術。有人說,兩年前,掃地機是就是它的代言人。確實,能夠掃描室內布局結構,并構建、規劃掃地路線的掃地機器人是SLAM技術最好代表了。其實,這項技術也可以被運用在AR領域,現階段基于SLAM技術開發的代表性產品有微軟Hololens,谷歌Project Tango以及Magic Leap。

舉個例子,我們知道AR可以用來觀看視頻,但是如果我想把畫面準確的投射到墻上或者壁櫥上呢?這就需要SLAM技術。以HoloLens為例,它在啟動的時候,會對用戶所處空間進行掃描,從而建立房間內物體擺設的立體模型。

【HMD硬件】

Magic Leap的動態數字光場顯示技術簡單來說可以理解為四維光場顯示技術。所謂的四維光場技術和二維顯示的最大區別在于,四維顯示可呈現不同深度的圖像。不論用戶觀察近景或者遠景,都可以看到真實的聚焦和失焦效果,這使得顯示的內容就好像建立在真實世界之上一樣。

想要獲得這種效果,可通過光場相機拍攝,或者電腦渲染生成,但渲染的數據計算量,則是二維場景的百倍甚至千倍。現有的GPU、CPU處理器的集成性、散熱性能還遠達不到我們的期望。

而傳感器、顯示屏、景深攝像頭在功能性和識別率上還存在很多問題亟需解決。此前微軟為Xbox One推出的Kinect就是一款體感操控設備,它讓玩家可以輕松的通過身體控制游戲人物的一舉一動。但是因為游戲內容稀缺、體驗不佳、消費者接受度不高等原因,這款產品不幸慘遭滑鐵盧。

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