新兴空间计算领域的研究人员开发了一款原型增强现实耳机，它使用全息成像将全彩 3D 移动图像叠加在看似普通眼镜的镜片上。与当今增强现实系统的笨重耳机不同，新方法以适合全天佩戴的紧凑、舒适且有吸引力的外形尺寸提供视觉上令人满意的 3D 观看体验。
电气工程副教授 Gordon Wetzstein 表示：“我们的耳机在外界看来就像一副日常眼镜，但佩戴者通过镜片看到的是一个覆盖着充满活力的全彩 3D 计算图像的丰富世界。”以及快速新兴的空间计算领域的专家。
韦茨斯坦和工程师团队在《自然》杂志上发表的一篇论文中介绍了他们的设备。
他们说，虽然现在还只是原型，但这样的技术可以改变从游戏和娱乐到培训和教育的各个领域——计算图像可以增强或告知佩戴者对周围世界的理解。
“人们可以想象外科医生戴着这样的眼镜来计划精细或复杂的手术，或者飞机机械师使用它们来学习如何使用最新的喷气发动机，”韦茨斯坦领导的斯坦福计算成像实验室的博士生马努·戈帕库马尔(Manu Gopakumar)和合作者论文第一作者表示。
克服障碍
新方法首次满足了复杂的工程要求，迄今为止，这些要求要么生产出笨拙的耳机，要么产生不太令人满意的 3D 视觉体验，这些体验可能会让佩戴者视觉疲劳，有时甚至有点恶心。
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与我们的 3D 图像质量相匹配的增强现实系统。”
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，用户实际上并没有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实时捕捉世界，并将该图像与计算图像结合起来。然后将所得的混合图像立体投影到用户的眼睛上。
“用户看到的是现实世界的数字化近似值，上面覆盖了计算图像。这是一种增强虚拟现实，而不是真正的增强现实，”李解释道。
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，这需要眼睛、镜片和屏幕之间的最小距离，从而导致尺寸额外。
斯坦福大学计算成像实验室的博士生、该论文的合著者 Suyeon Choi 表示：“除了笨重之外，这些限制还可能导致感知真实性不令人满意，并且常常导致视觉不适。”
杀手级应用
为了制作视觉上更令人满意的 3D 图像，Wetzstein 超越了传统的立体方法，转而采用全息术，这是 20 世纪 40 年代末开发的一种荣获诺贝尔奖的视觉技术。尽管 3D 成像前景广阔，但由于无法描绘准确的 3D 深度线索，全息技术的更广泛采用受到了限制，导致视觉体验平淡无奇，有时甚至令人恶心。
Wetzstein 团队使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的全息图投影到眼镜的镜片上，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图案来构建波导。每个镜腿上安装的小型全息显示器通过蚀刻图案投射计算图像，这些图案在光线直接传递到观看者的眼睛之前在镜片内反射。通过眼镜镜片，用户可以看到现实世界和顶部显示的全彩 3D 计算图像。
栩栩如生的品质
3D 效果得到增强，因为它既是立体创建的，即每只眼睛看到的图像与传统 3D 成像中略有不同的图像，也是全息创建的。
斯坦福大学计算成像实验室的博士生、该论文的合著者 Brian Chao 表示：“通过全息术，您还可以在每只眼睛前面获得完整的 3D 体积，从而提高逼真的 3D 图像质量。”
新波导显示技术和全息成像改进的最终成果是逼真的 3D 视觉体验，既能让用户在视觉上满意，又不会像早期方法那样感到疲劳。
“全息显示长期以来一直被认为是终极 3D 技术，但它从未真正实现过重大的商业突破，”Wetzstein 说。 “也许现在他们拥有了多年来一直在等待的杀手级应用程序。”