去年 1 月份，Google 宣布 Google Glass 停產(chǎn)，一款彰顯科技感的人工智能語(yǔ)音助(玩)手(具)就此謝幕。
而同年 10 月，微軟 HoloLens 開發(fā)者版本亮相，作為全息設(shè)備的首個(gè)版本，售價(jià)達(dá) 3000 美元。
曾經(jīng)的 Google Glass 再風(fēng)靡全球，也只活了兩年。這一次，新生的 HoloLens 又會(huì)有怎么的命運(yùn)呢?我們不敢妄下斷言，但在此之前，不妨回顧兩款設(shè)備的基本參數(shù)。
硬件、功能、體驗(yàn)大 PK
HoloLens 是一款獨(dú)立使用的 AR 頭顯，搭載 Windows 10 系統(tǒng)，傳感器由陀螺儀、磁強(qiáng)儀、6 個(gè)攝像頭(包括深度攝像頭)、紅外發(fā)射、位置紅外定位燈及光線傳感等組成。
Google Glass 則基于 Android 系統(tǒng)，部分功能需借助有藍(lán)牙功能的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)，如語(yǔ)音電話功能。它的傳感器由三軸陀螺儀、三軸加速計(jì)、三軸三軸磁強(qiáng)計(jì)、環(huán)境光傳感器和距離感應(yīng)器等組成。
從表中可以看出 HoloLens 內(nèi)置了 CPU、GPU 和一個(gè)專門的全息處理器(HPU)。這款 AR 頭盔，在黑色的鏡片上包含了透明顯示屏，并且立體音效系統(tǒng)的嵌入，讓用戶不僅看到，同時(shí)也能聽(tīng)到來(lái)自周圍全息景象中的聲音。
其他硬件參數(shù)，不妨參考以下表格：
再來(lái)看 Google Glass，它在眼鏡前方懸置了一臺(tái)攝像頭，鏡框右側(cè)為電腦處理器裝置，配備的攝像頭像素為 500 萬(wàn)，可拍攝 720p 視頻。鏡片上配備了一個(gè)頭戴式微型顯示屏，它可以將數(shù)據(jù)投射到用戶右眼上方的小屏幕上，顯示效果如同 2.4 米外的 25 英寸高清屏幕。
通過(guò)以上對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩款設(shè)備使用系統(tǒng)、處理器及傳感器等都不一樣，但是在組成部分上它們卻是一樣的，都是由微型顯示器、傳感器、電路控制設(shè)備及外形框架等組成。
但是，只要這些就能打造一款 AR 設(shè)備了嗎?如果這樣，Google Glass 為何失敗?HoloLens 之路還要怎么走?
你必須先了解 AR 設(shè)備的基本原理。
AR 設(shè)備的組成與原理
目前大多數(shù)的 AR 系統(tǒng)，采用透視式頭盔顯示器實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的融合。AR 頭盔顯示裝置一般有兩種設(shè)計(jì)方案：
● 視頻穿透式
視頻透視式頭盔顯示器，是通過(guò)攝像頭來(lái)采集真實(shí)場(chǎng)景的圖像，計(jì)算機(jī)通過(guò)場(chǎng)景圖像理解和分析，將所要添加的信息和圖像信號(hào)，疊加在攝像機(jī)的視頻信號(hào)上，并將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行融合，最后通過(guò)類似于浸沒(méi)式頭盔顯示器的顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶。
Google Glass 采用的就是視頻穿透式，它通過(guò)攝像頭采集視頻信息，然后顯示在右邊鏡片前的一個(gè)微型顯示器上。
● 光學(xué)穿透式
Hololens 則采用的是光學(xué)穿透式，通過(guò)安裝在眼前的一對(duì)半反半透(樓下有專業(yè)名詞詳解)玻璃，融合呈現(xiàn)出真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景。與視頻透射式不同的是，光學(xué)透視式的“實(shí)”來(lái)自于真實(shí)的光源，經(jīng)過(guò)透視光學(xué)系統(tǒng)直接進(jìn)入眼睛，計(jì)算機(jī)生成的“虛”則經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)放大后反射進(jìn)入眼睛，最后兩部分信息匯聚到視網(wǎng)膜上從而形成虛實(shí)融合的成像效果。
(插播背景知識(shí))半反半透玻璃就是 5:5 的分光鏡，分光鏡是一種特制的可以改變光的透射量和方向的鏡片。這相當(dāng)于正在照鏡子的我們，既可以看見(jiàn)鏡中的自己，又可以看見(jiàn)鏡后的景物。
無(wú)論是視頻穿透式還是光學(xué)穿透式，它們都由以下幾部分組成：
● 圖像信息顯示源
● 圖像成像的光學(xué)系統(tǒng)
● 定位傳感系統(tǒng)
● 電路控制及連接系統(tǒng)
● 頭盔及配重裝置
目前的重點(diǎn)和難點(diǎn)，聚焦在了前兩部分：圖像信息顯示源和圖像成像的光學(xué)系統(tǒng)。定位傳感系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)及配重裝置部分，各家廠商實(shí)現(xiàn)的都還不錯(cuò)。
這前兩部分，統(tǒng)稱為頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞，還影響到頭盔顯示器的體積和重量。
下面將以自拍的例子，為大家介紹這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。
頭盔顯示器的光學(xué)系統(tǒng)主要由四部分組成
● 圖像源
● 中繼光學(xué)系統(tǒng)
● 準(zhǔn)直系統(tǒng)
● 光學(xué)組合器
看到這些專有名詞有點(diǎn)懵?別擔(dān)心，打開美顏相機(jī)，向上 45° 角，咔嚓一下~
哎呀，手機(jī)上出現(xiàn)了一張國(guó)字臉……
這時(shí)手機(jī)屏幕就相當(dāng)于圖像源，它顯示的是攝像頭傳來(lái)的照片，而圖像源上顯示的是由虛擬工作站送來(lái)的虛擬圖像;
看著自己照片不忍直視，趕緊傳到美圖秀秀上進(jìn)行削臉、亮眼……
此時(shí)把照片傳到美圖秀秀上加p圖的過(guò)程，就類似于中繼光學(xué)系統(tǒng)。中繼光學(xué)系統(tǒng)是將圖像源上的圖像，傳遞給后繼的光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)組合器、準(zhǔn)直系統(tǒng))，由于像在通過(guò)鏡片時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏離(即像差)，中繼光學(xué)系統(tǒng)傳輸圖像的過(guò)程中也會(huì)矯正像差;
經(jīng)過(guò)一番努力，照片終于能看，但是太單調(diào)了，得拉個(gè)明星合照。于是就加了張愛(ài)豆貼圖……
添加貼圖就是圖像融合。經(jīng)中繼光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)矯正過(guò)的圖像，傳輸?shù)焦鈱W(xué)組合器和外部世界的圖像進(jìn)行融合;
看著不錯(cuò)，嘿嘿~趕緊發(fā)朋友圈!
這一系列，正是一套拍出照片太丑沒(méi)法發(fā)票圈、不得不加工的過(guò)程。同樣的在光學(xué)系統(tǒng)中，光線經(jīng)過(guò)各種透鏡后產(chǎn)生形變和色變等，人眼無(wú)法直接觀看，此時(shí)準(zhǔn)直系統(tǒng)會(huì)將加工好的圖像光線捋直后以平行的形式送入人眼。
以上就是虛擬信息疊加在真實(shí)信息上的過(guò)程。
盡管聽(tīng)上去很容易，實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻并不簡(jiǎn)單。1500 美元的 Google Glass 停產(chǎn)，3000 美元的 HoloLens 熱賣，這說(shuō)明價(jià)格并不是最主要問(wèn)題，提高用戶體驗(yàn)、豐富內(nèi)容才是王道。
當(dāng)時(shí)，Google Glass 開發(fā)目的并不明確，普通用戶也不確定這款產(chǎn)品到底能有什么用。佩戴時(shí)，用戶右眼球必須盯著視野右上方的投影儀微光，才能看清楚數(shù)據(jù)與文字，但這樣可能會(huì)造成用戶注意力分散，帶來(lái)潛在危險(xiǎn)。續(xù)航時(shí)間短、佩戴容易頭暈、聲音控制功能差等等特點(diǎn)，都和它停產(chǎn)密切相關(guān)。
然而，HoloLens 一開始就針對(duì)開發(fā)者發(fā)布，很明確的為開發(fā)者們提供了一個(gè)全新開發(fā)平臺(tái)，從底層慢慢著手內(nèi)容匱乏問(wèn)題。同時(shí)，它還具備實(shí)時(shí)三維計(jì)算和圖像識(shí)別功能，還包括延時(shí)低、定位準(zhǔn)、Demo 酷炫等等。
不過(guò)，Google Glass 雖停產(chǎn)，但 Google 并沒(méi)有停下追隨黑科技的腳步。據(jù)悉，他們又有一個(gè) 50 人的團(tuán)隊(duì)在密謀著一項(xiàng)新技術(shù)，具體何時(shí)問(wèn)世還不曾得知。
HoloLens 雖然比較火熱，但它的續(xù)航時(shí)間太短(開發(fā)者版本在 1-3 小時(shí)左右)，并且視場(chǎng)角太小，僅有 30°左右。
盡管困難重重，也抵擋不住人類不屈不撓的精神，AR 頭盔研究仍然非�；馃�。萬(wàn)一，某天你也想開發(fā)一款 AR 頭盔?以下的設(shè)計(jì)要點(diǎn)也許能幫上你。
AR 設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
● 視場(chǎng)
上文提到的 HoloLens 視場(chǎng)角太小，說(shuō)的就是這個(gè)。
視場(chǎng)這里指視野范圍。一般人的裸眼可見(jiàn)水平視場(chǎng)為 200 度，垂直視場(chǎng)為 100 度。由于人眼主要對(duì)中心 20 度的視場(chǎng)比較敏感，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證中心 20 度的像的質(zhì)量。
● 重量
由于頭盔式顯示器在使用中會(huì)長(zhǎng)時(shí)間佩戴在頭部，所以頭盔重量一定得控制。如果頭部受力不均衡，可能產(chǎn)生頭暈、目眩、惡心等不適。HoloLens 為 579 克，但戴在頭上的話還是有點(diǎn)偏重，所以在這一方面仍需改進(jìn)。
● 分辨率
人眼最小分辨率約為 0.5m rad。頭盔顯示器的分辨率，取決于圖像源的分辨率和光學(xué)系統(tǒng)的像差。因此，提高分辨率可以從這兩個(gè)方面入手。
● 出瞳距離
出瞳距離是指光學(xué)系統(tǒng)的邊緣到人眼瞳孔的最小距離。也就是瞳孔到觀看屏幕的的距離。
為了保證佩戴者方便，出瞳距離應(yīng)大于 15mm，如果允許用戶使用時(shí)佩戴眼鏡的話，則要求出瞳距離大于 25mm。
● 出瞳大小
人眼瞳孔在正常狀態(tài)下的直徑為 2mm 左右，在黑暗環(huán)境下會(huì)適當(dāng)放大。為了允許人眼眼球有一定范圍的移動(dòng)，一般要求出瞳直徑在 8mm 以上。
就像貓的眼睛，在白天和晚上瞳孔明顯的不一樣，人也是一樣的，瞳孔大小隨著光的強(qiáng)弱而變化。
● 瞳距
大多數(shù)的頭盔由兩個(gè)對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)組成，它們各自出瞳主光線的距離為瞳距。
人眼的瞳距一般在 54-70mm 之間，但每個(gè)人的出瞳距離不同，因此設(shè)計(jì)頭盔時(shí)應(yīng)注意出瞳距離的可調(diào)性。
Google Glass 做到了這一點(diǎn)，只不過(guò)由于它的顯示器只有一個(gè)，所以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)很簡(jiǎn)單。而 HoloLens 就不一樣了，細(xì)微的調(diào)節(jié)都會(huì)影響成像。
● 光能利用率
光在經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)有損耗，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮圖像源發(fā)出的光和外界光，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)投射后的光能損失。舉個(gè)反例，大家經(jīng)常戴的太陽(yáng)鏡就是減小光能利用率。
以上七點(diǎn)為設(shè)計(jì)頭盔顯示器的一些重要指標(biāo)，這些因素之間并不孤立，存在相互制約。例如，增加視場(chǎng)或出瞳距，光學(xué)元件將增大，整體重量增加;視場(chǎng)增加，角分辨率下降。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)用找到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。
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