人工智能和全息技术将3D增强现实带入普通透视

新兴空间计算领域的研究人员开发出一款增强现实头戴设备的原型，该设备利用全息成像技术将全彩3D 动态图像叠加在看似普通透视 的镜片上。与当今增强现实系统的笨重头戴设备不同，这种新方法以紧凑、舒适、美观的外形提供令人满意的 3D 观看体验，适合全天佩戴。

“我们的耳机在外界看来就像一副日常透视 ，但佩戴者透过镜片看到的是一个丰富的世界，上面覆盖着生动的全彩 3D 计算图像，” 电气工程副教授、快速崛起的空间计算领域专家Gordon Wetzstein说道。Wetzstein 和一个工程师团队在《自然》杂志的一篇新论文中介绍了他们的设备 。

他们表示，尽管目前还只是原型，但这种技术可以改变从游戏、娱乐到培训和教育的各个领域——任何地方的计算图像都可能增强或增进佩戴者对周围世界的理解。

“我们可以想象外科医生戴着这样的透视 来规划一项精细或复杂的手术，或者飞机机械师用它们来学习如何操作最新的喷气发动机，” 韦茨斯坦领导的斯坦福大学计算成像实验室的博士生 兼论文共同第一作者Manu Gopakumar说。

克服障碍

新方法首次解决了一系列复杂的工程要求，到目前为止，这些要求要么生产出笨重的头戴式设备，要么生产出不令人满意的 3D 视觉体验，让佩戴者感到视觉疲劳，有时甚至感到有点恶心。

斯坦福大学计算成像实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者Gun-Yeal Lee表示：“目前还没有其他增强现实系统具有可比的紧凑外形或可匹配我们的 3D 图像质量。”

为了取得成功，研究人员通过结合人工智能增强全息成像和新的纳米光子器件方法克服了技术障碍。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，用户实际上并不能通过耳机的镜头看到现实世界。相反，安装在耳机外部的摄像头会实时捕捉世界，并将该图像与计算图像相结合。然后将生成的混合图像立体地投射到用户的眼睛上。

“用户看到的是现实世界的数字化近似图像，上面叠加了计算图像。这有点像增强虚拟现实，但不是真正的增强现实，”李解释说。

韦茨斯坦解释说，这些系统必然体积庞大，因为它们在佩戴者的眼睛和投影屏幕之间使用放大镜，而这要求眼睛、镜头和屏幕之间有一定的最小距离，从而导致体积增大。

斯坦福大学计算成像实验室博士生、论文共同作者Suyeon Choi表示：“除了体积庞大之外，这些限制还可能导致感知真实感不理想，并且常常会让人感到视觉不适。”

杀手级应用

为了制作出更令人满意的 3D 图像，韦茨斯坦放弃了传统的立体视觉方法，转而采用全息技术。全息技术是 20 世纪 40 年代末开发的一种获得诺贝尔奖的视觉技术。尽管 3D 成像前景广阔，但由于无法呈现准确的 3D 深度线索，全息技术的广泛应用受到了限制，导致视觉体验平淡无奇，有时甚至令人恶心。

韦茨斯坦团队利用人工智能来改善全息图像中的深度线索。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投射到透视 的镜片上，而无需依赖笨重的附加光学元件。

波导是通过在镜片表面蚀刻纳米级图案而形成的。安装在每个镜腿上的小型全息显示器通过蚀刻图案投射计算图像，这些蚀刻图案使光线在镜片内反射，然后直接传送到观看者的眼睛。透过透视 的镜片，用户既可以看到现实世界，也可以看到上面显示的全彩 3D 计算图像。

栩栩如生的品质

3D 效果之所以得到增强，是因为它既是立体创建的，即每只眼睛都能看到略有不同的图像，就像在传统 3D 成像中看到的那样，又是全息创建的。

斯坦福大学计算成像实验室的博士生兼论文共同作者Brian Chao表示：“利用全息技术，你还可以在每只眼睛前获得完整的 3D 体积，从而提高逼真的 3D 图像质量。”

新的波导显示技术和全息成像技术的改进最终带来的是栩栩如生的 3D 视觉体验，它既能让用户在视觉上感到满意，又不会让用户产生早期方法所带来的疲劳。

“全息显示长期以来被认为是终极 3D 技术，但它从未取得重大商业突破，”韦茨斯坦说。“也许现在他们有了他们这些年来一直等待的杀手级应用。”

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