专栏名称: 浩哥说
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Magic Leap凭什么改变世界

浩哥说  · 公众号  · 科技自媒体  · 2016-09-28 18:03

正文

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展示了使用他们的技术打印出来的全息相片,当观察者移动位置或改变观察角度时看到的图像都会不同。



Q: 为什么混合现实眼镜需要使用光场显示技术?




人眼感知看到的物体离自己的远近是通过两眼间角度的聚散和晶状体不同的聚焦程度来实现的。 当前绝大多数VR眼镜还有HoloLens都是通过一个平面的显示器来显示虚拟物体的。 因为显示平面上所有的像素到人眼的距离都是固定的,所以人眼观察时不管虚拟物体离自己的远近如何,晶状体所需要的聚焦程度都是一致的,人眼只能通过两眼间聚散角度的不同来产生立体视觉感知距离。这就造成了人眼两种感知距离方式间的冲突,而这种 冲突就会造成不适感


对于MR眼镜来说,因为人眼可以同时看到真实物体和虚拟物体,在两种物体距离人眼一样的情况下,显示虚拟物体的平面显示器如果处于和真实物体不同的焦平面,那么人眼就无法同时看清离人眼一样距离的真实物体和虚拟物体,这就和人眼的视觉系统产生了新的冲突,人眼看到的虚拟物体就无法融入真实世界,而且会造成不适感。所以 MR眼镜对显示技术的需求是比VR眼镜还要高 的。


为了不损害人眼的视觉系统,并使虚拟物体可以更好的融入真实世界,就非常有必要在混合现实眼镜中使用光场显示技术。光场显示器显示的虚拟物体可以处于正确的焦平面(视觉距离)上,这样人眼观察时晶状体的聚焦程度就可以和两眼间的聚散角度相一致。


Q: Magic Leap 的数字光场技术是四维光场吗?有什么自己的特点?

不是,Magic Leap的数字光场显示技术不是四维光场。因为带上MR眼镜后人眼相对于镜片的位置就基本上固定下来了,不会出现上面提到过的类似观看Zebra Imaging的全息相片时观察者四处移动改变观察角度的情况。所以MR眼镜需要的是一种可以没有角度变化的两个维度、但是又可以使显示的像素处于不同的视觉距离的光场显示技术。



Magic Leap的联合创始人Brian Schowengerdt在之前的科研论文中给自己开发的显示技术起名为3D volumetric scanning laser displays。如上图所示, 不同的像素可以具有不同的视觉距离 ,人眼既可以聚焦在远处的房屋上,也可以聚焦在近处的树上。具体的实现方法就是在每个像素的光线进入人眼前对其波阵面进行整形,使每个像素可以处于不同的焦平面(视觉距离)上。


虽然 Magic Leap的数字光场显示技术 不是四维光场,但是对于观察位置和角度相对固定的头戴显示设备来说, 其显示效果和四维光场显示的效果差距非常小 。所以Magic Leap的数字光场显示技术非常适合MR眼镜,但是并不适合观察者需要改变相对位置和角度的情况,例如光场大屏幕电视。


Q: 运行Magic Leap的数字光场需要巨大的运算资源吗?

不需要。因为四维光场比二维图像多出两个维度所以用计算机生成四维光场需要巨大的运算资源,比生成二维图像要高出几个数量级。但是因为Magic Leap采用的不是四维光场,所以可以节省大量的运算资源,可以说这也是Magic Leap数字光场技术的优点之一。如果和传统的显示技术比较起来,Magic Leap需要的运算量几乎相同,这是因为Magic Leap的数字光场技术可以直接使用普通的光栅化渲染技术,现有的GPU硬件和软件架构基本上不需要做大的改变。


我们平时玩的游戏都是使用的光栅化渲染技术,GPU把渲染完成的像素放入RGB帧缓冲区(Frame buffer)中,显示器用帧缓冲中的RGB值来控制显示器上的像素的RGB值来显示图像。但是其实GPU还会维持另一个缓冲区,这就是深度缓冲区(Z buffer),里面的值对应的是每个像素的深度值。GPU利用这些深度值来处理遮挡关系。如果一个物体光栅化后生成的像素的深度比目前在相应深度缓冲区的像素的深度大(距离视点距离远),那么就抛弃这个像素,这样就能正确的处理物体的遮挡关系。下图显示的就是RGB颜色缓冲区和深度缓冲区的图像,深度缓冲区灰度越浅说明像素距离视点越远。




如果把帧缓冲区中的像素结合上深度缓冲区中的深度值,并以三维的形式可视化出来,就可以看到下面几张图中的效果。






我们可以看到GPU渲染得到的数据其实并不只是一个二维图像,而是完全可以描述一个由不同视觉距离的像素组成的立体图像。我们平时只能看到二维图像是因为普通的显示器只能显示二维的RGB帧缓冲区中的内容。 如果有一个显示器能够同时结合深度缓冲区内的数据来显示每个像素,那么我们就能看到一个立体的有距离感的图像。Magic Leap所开发的数字光场显示设备就是这种显示器


Q: Magic Leap 的数字光场显示系统的工作原理是什么?







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