新型眼鏡表現(xiàn)真實空間里的虛擬三維全息圖像
頭戴科幻感十足的黑色“眼鏡”，一個一身黑衣的男子踱步到舞臺中央，他面前擺著一張空無一物的方桌。
就在這張小小的方桌上，他當(dāng)著在場幾百人的面，表演“憑空造物”。
這不是黑魔法，他也不是“造物之神”，而是一位工程師。在6月15日舉行的美國E3游戲會展上，他成功地把游戲中的虛擬仙境“搬到了”舞臺中央的方桌上。隨著工程師的指令，一個有山川、城堡、樹木的世界在桌上誕生，看起來觸手可及。
“創(chuàng)造一個世界?！碑?dāng)他平靜地念出這句“咒語”時，現(xiàn)場爆發(fā)出掌聲和驚嘆。曾經(jīng)的科幻場景，現(xiàn)在變成了科學(xué)事實。
我在火星上邁了一步，真實到我雙腿打顫
“憑空造物”的秘密，藏在工程師頭戴的“眼鏡”中——微軟的*新產(chǎn)品，HoloLens。
它是世界上第一款，也是目前唯一一款獨立的“全息計算機”。能讓使用者在真實物理空間內(nèi)，看到虛擬的三維全息圖像，并與之互動，因其“魔法”般的酷炫功能，被戲稱為“黑科技”。
在今年1月亮相后，它引起了持續(xù)關(guān)注。來自各地的記者在春寒料峭時節(jié)涌到西雅圖的微軟總部試戴機器。到了夏天，E3展會上的游戲玩家又為它的“魔力”沸騰。
“創(chuàng)造一個世界?！惫こ處煂χ矍翱湛盏淖烂嬲f，一團流沙般的白色物質(zhì)隨即從桌子中心涌出，迅速擴散，然后均勻地鋪滿了桌面。
很快，沿著桌邊，一圈圍欄又“長了出來”，“沙地”中心隨即塌陷，一個奇妙的世界從桌底緩緩升起，展現(xiàn)在眼前的是陡峭的懸崖、宏偉的城堡和蔥蘢的樹木。一切如樂高積木，有著實物的形體，但它們又全是光的幻象。
記錄這神奇一幕的視頻在YouTube上被全球觀眾點播了270多萬次，一條得到數(shù)百次點贊的評論寫道：“快拿走我的錢！”
賺大眾的錢，微軟還不急。短期內(nèi)，他們瞄準(zhǔn)的，是一些“更嚴(yán)肅的事業(yè)”。*先用上這款產(chǎn)品的可能是建筑師、醫(yī)學(xué)生和宇航員。
正如工程師在一張小桌上構(gòu)造虛擬建筑，真正的建筑師也能通過這款產(chǎn)品，直接在現(xiàn)實空間構(gòu)造虛擬的三維建筑模型，并快捷地修改其形狀和大小。
通過與凱斯西儲大學(xué)和克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心的合作，該團隊在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域也開發(fā)出了創(chuàng)新性的應(yīng)用。
無需進入解剖室，也無需劃開誰的皮囊，在整潔的教室里，戴上這款產(chǎn)品的學(xué)生，輕盈地在空中一點，一個三維人體就會出現(xiàn)；手指再橫向一撥，人體一分為四，其他三個“分身”是血液系統(tǒng)、骨骼和肌肉組織。
學(xué)生還可以從骨架中抽出一根，把它“折斷”，以觀察不同的骨折情形。心臟等器官也可被單獨抽出，并被剖開，好讓學(xué)習(xí)者觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同理，這款產(chǎn)品也可以用來觀測化學(xué)分子結(jié)構(gòu)、DNA結(jié)構(gòu)、建筑和雕塑。
對等不及想試戴它的人來說，《連線》雜志記者杰西·亨佩爾是另一位值得羨慕的人。去年10月，她就見到了還未發(fā)布的原型機，是第一個試用HoloLens的“外人”。
在一個秘密的地下實驗室里，每個房間都在測試產(chǎn)品應(yīng)用。其中，讓亨佩爾*難忘的“魔法房間”是“火星”。
她打了一個向上的手勢，一下子，就“實實在在地踏上了火星”。
隔壁房間的NASA(美國宇航局)科學(xué)家杰夫·諾里斯也加入了她的“火星探索”。他與微軟的團隊一同開發(fā)了此應(yīng)用。
“他出現(xiàn)在我的視野里，是一個金色的三維人形?！焙嗯鍫栒f。
這涉及HoloLens的一項重要功能：不同使用者之間的遠程交流。
諾里斯能看到亨佩爾眼中的世界，而在亨佩爾看來，“人偶諾里斯”的眼部會射出一道虛線，指向他正在觀察的物體。
順著這道虛線，亨佩爾蹲下來檢查一塊巖石碎片，通過幾個手勢，她向“好奇號”探測器發(fā)出指令，搜集這塊沉積物。在未來實際的太空探索中，宇航員將能借助這款產(chǎn)品控制真實的探測器。
這是除了“與全息圖像互動”“多人遠程合作”外，該產(chǎn)品的另一個重要應(yīng)用方式：通過融合虛擬與現(xiàn)實，實現(xiàn)新型的人機互動和人與環(huán)境的互動。
回想起這次火星漫步，亨佩爾字里行間透出激動：“我在火星上邁了一步，這實在太真實了，以致我雙腿打顫?！?/span>
這些技術(shù)的實現(xiàn)，都有賴于強大的計算能力，“全息處理器”(HPU)，每秒可以傳輸兆兆字節(jié)(2^40字節(jié))的數(shù)據(jù)
令普通人震驚到“雙腿打顫”的HoloLens，在科學(xué)界看來，并不新鮮。其背后的“增強現(xiàn)實技術(shù)”歷史悠久。
近100年前，增強現(xiàn)實技術(shù)的雛形就已出現(xiàn)，其*早應(yīng)用是一戰(zhàn)時的一種殺人利器——光學(xué)瞄準(zhǔn)圈。這種投射在戰(zhàn)斗機座艙罩上的虛擬光環(huán)可以自動修正，鎖定敵機。
就功能和原理而言，HoloLens也不新鮮。其實早在1968年，頭戴“機械章魚”一樣的巨大設(shè)備，冒著被“燒腦”的風(fēng)險，人類就第一次在現(xiàn)實空間里看到了虛擬的三維圖像——雖然那只是一個透明的立方體邊框。
國內(nèi)“虛擬現(xiàn)實”領(lǐng)域?qū)＜?、浙江大學(xué)CAD&CG(計算機輔助設(shè)計和高級繪制語言)國家重點實驗室教授鮑虎軍介紹，長久以來，限制增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的主要是計算能力和算法，及如何做出更小更輕的硬件。微軟的這款新產(chǎn)品之所以能引起轟動，在于它在一個沒有外連線路的輕量硬件內(nèi)，集成了“顯示”“跟蹤與識別”“交互”和“計算”等多種技術(shù)，通體也就一副滑雪眼鏡大小。
“顯示技術(shù)”能使我們看到虛擬的三維全息圖像。這是一場“光的魔術(shù)”——全息圖像其實是設(shè)備自身投射的光線，這些光線通過該產(chǎn)品鏡片中的數(shù)層彩色透鏡，*終抵達眼底，讓大腦以為看到了真實的物體。
僅有“光之魔法”還不夠。和營造虛擬環(huán)境的“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)不同，增強現(xiàn)實技術(shù)還需要天衣無縫地融合虛與實。這就需要識別和跟蹤技術(shù)。“識別”指識別現(xiàn)實空間，以保證虛擬物體落在正確的位置；跟蹤，則是跟蹤使用者的移動軌跡，以保證使用者在移動時，眼中的“光之幻象”能處于固定位置。
在具體運行時，該產(chǎn)品會先用深度攝像頭收集真實空間的信息，這種攝像頭能獲取標(biāo)示了真實物體到攝像頭距離的“深度圖”。接著，“同步定位與建圖系統(tǒng)”會用多張深度圖，疊加成完整的三維場景。如此，在E3會展上，那位演示者才能把游戲場景不偏不倚地搬到小桌上。
以上所有技術(shù)的實現(xiàn)，都有賴于強大的計算能力。除了一般計算機擁有的“中央處理器”(CPU)和“圖形處理器”(GPU)，這款產(chǎn)品中還內(nèi)置了一個微軟自己研發(fā)的“全息處理器”(HPU)，每秒可以傳輸兆兆字節(jié)(240字節(jié))的數(shù)據(jù)，是該產(chǎn)品的核心部件。
為了配合使用者的移動，打造環(huán)繞聲效果，并實現(xiàn)“眼神”“手勢”“語音”等多種互動方式，該產(chǎn)品中還裝載了許多其他傳感器，它們都不露聲色地藏在其流暢的外表下。
如今，在各類科技大會上，HoloLens屢屢成為焦點。為了拍好它，記者爭相踮起腳尖，或單膝跪地。相比于前輩“機械章魚”，它美得像一個皇冠。
HoloLens還能做什么，全球開發(fā)者來定
14個月前，沒有皇冠，也沒有咔咔的閃光燈，在西雅圖微軟游客中心的地下室里，*初的原型機被各種線路纏繞，像一個臍帶未斷的胎兒。
當(dāng)時，正在此等待微軟新任總裁薩提亞·納德拉的HoloLens團隊緊張不已。他們對產(chǎn)品本身很有信心，但也擔(dān)心，正著手削減開支的納德拉會因風(fēng)險過大或過于超前，選擇讓這個小怪物“流產(chǎn)”。
可是，當(dāng)納德拉透過鏡片看到貼合在真實物體上的三維圖像后，他馬上說：“這正是我們要做的事?！?/span>
從那時起，這臺原型機斷掉了一根根有形的“臍帶”，逐漸向“純粹”“優(yōu)雅”進化。但納德拉知道，要使這款產(chǎn)品茁壯成長，還需要另一種“無形的臍帶”——一個面向全球、吸納更多應(yīng)用開發(fā)者智慧的平臺。
在隨后的會議中，納德拉和HoloLens項目的研發(fā)負責(zé)人亞歷克斯·吉普曼一致同意，為了方便開發(fā)，應(yīng)該讓這款產(chǎn)品融入人人熟知的Windows操作系統(tǒng)。
4月29日的“微軟開發(fā)者大會”上，吉普曼不再緊張，而是微笑著感嘆：“能存在于此刻，我是多么幸運，不同的技術(shù)正在各就各位?！?/span>
這位留著齊肩中長發(fā)的發(fā)明家，身材清瘦，帶著一種使人愉悅的笑容，正鼓動到場的開發(fā)者為他的產(chǎn)品生產(chǎn)內(nèi)容。也就是說，HoloLens還能怎么玩兒，將由全球開發(fā)者來決定。
對開發(fā)者來說，一個好消息是，微軟已在Windows 10中內(nèi)置了支持這款產(chǎn)品的“應(yīng)用程序接口”(API)，其開發(fā)語言，將與Windows系統(tǒng)的已有框架相似。
微軟還專門為它啟動了一個有獎學(xué)術(shù)項目，以“了解全息計算機的社會角色和可能的應(yīng)用方式”。獲獎?wù)邔@得兩臺HoloLens和10萬美元獎金。
中國IT論壇上，也有人躍躍欲試地問道：“成為HoloLens開發(fā)者需要什么技能？”
鮑虎軍告訴中國青年報記者，要制作這種增強現(xiàn)實設(shè)備能使用的內(nèi)容，目前的代價仍很高。降低內(nèi)容生產(chǎn)成本，是一個難點，同時也是一個很有前景的領(lǐng)域。
他同時認為，短期內(nèi)，這款產(chǎn)品不適合普通消費者，因為“識別技術(shù)”也是一個難點，在隨機場景內(nèi)，該產(chǎn)品也許不能如演示中那樣，對真實房間進行準(zhǔn)確建模。
這款新產(chǎn)品需要解決的問題還包括視野較小。據(jù)試萬視達介紹，在側(cè)頭或向下看時，視線容易游離出它的“魔法場”。
續(xù)航能力和充電速度也是問題，要替代目前的智能手機終端，這款產(chǎn)品要保證數(shù)小時以上的續(xù)航。
至于價格，在《紐約時報》5月的一篇報道中，一位微軟高管說，它會比售價超過400美元(約2400元人民幣)的游戲設(shè)備貴很多，但“很多”是多少，目前仍未知。
可以確定的是，微軟已宣布，在2016年推出這款產(chǎn)品的企業(yè)版；納德拉還聲稱，在Windows 10的時間框架內(nèi)，將推出消費者版。
近100年過去了，用于戰(zhàn)斗機瞄準(zhǔn)圈的技術(shù)，如今化身增強現(xiàn)實的酷炫設(shè)備。不遠的將來，它真能啟動那句令人沸騰的“咒語”嗎？——“創(chuàng)造一個世界！”
- 上一篇：IPHONE瞬間變身3D掃描儀 2015/11/6
- 下一篇：慣性傳感器知識 2015/10/15
