Исследователи в развивающейся области пространственных вычислений разработали прототип гарнитуры дополненной реальности, которая использует голографическое изображение для наложения полноцветных трехмерных движущихся изображений на линзы того, что выглядит как обычная пара очков. В отличие от громоздких гарнитур современных систем дополненной реальности, новый подход обеспечивает визуально приятное впечатление от 3D-просмотра в компактном, удобном и привлекательном форм-факторе, подходящем для повседневного ношения.
«Наша гарнитура выглядит для внешнего мира так же, как обычные очки, но то, что пользователь видит через линзы, — это обогащенный мир, наложенный на яркие полноцветные трехмерные компьютерные изображения», — сказал Гордон Ветцштейн, доцент кафедры электротехники. и эксперт в быстро развивающейся области пространственных вычислений.
Вецштейн и команда инженеров представили свое устройство в статье в журнале Nature .
Хотя сейчас это всего лишь прототип, такая технология, по их словам, может трансформировать области, простирающиеся от игр и развлечений до обучения и образования — где угодно, компьютерные изображения могут улучшить или проинформировать пользователя о понимании окружающего мира.
«Можно представить себе хирурга, носящего такие очки, чтобы спланировать деликатную или сложную операцию, или авиамеханика, использующего их, чтобы научиться работать с новейшим реактивным двигателем», — Ману Гопакумар, аспирант Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации под руководством Ветцштейна и соавтор. сказал первый автор статьи.
Преодоление барьеров
Новый подход является первым, который объединяет сложный лабиринт инженерных требований, которые до сих пор приводили либо к неуклюжим гарнитурам, либо к неудовлетворительным 3D-визуальным впечатлениям, которые могут вызывать у пользователя зрительную усталость или даже легкую тошноту.
«Сейчас не существует другой системы дополненной реальности с сопоставимым компактным форм-фактором или которая соответствовала бы качеству нашего 3D-изображения», — сказал Ган-Йил Ли, научный сотрудник Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации и соавтор статьи.
Чтобы добиться успеха, исследователи преодолели технические барьеры за счет сочетания голографической визуализации с улучшенным искусственным интеллектом и новых подходов к нанофотонным устройствам. Первым препятствием было то, что методы отображения изображений дополненной реальности часто требуют использования сложных оптических систем.
В этих системах пользователь фактически не видит реальный мир через линзы гарнитуры. Вместо этого камеры, установленные на внешней стороне гарнитуры, снимают мир в реальном времени и объединяют эти изображения с компьютерными изображениями. Полученное смешанное изображение затем стереоскопически проецируется на глаз пользователя.
«Пользователь видит оцифрованное приближение реального мира с наложенными компьютерными изображениями. Это своего рода дополненная виртуальная реальность, а не настоящая дополненная реальность», — объяснил Ли.
Эти системы, объясняет Ветцштейн, обязательно громоздки, поскольку в них используются увеличительные линзы между глазом пользователя и проекционными экранами, что требует минимального расстояния между глазом, линзами и экранами, что приводит к дополнительным размерам.
«Помимо громоздкости, эти ограничения также могут привести к неудовлетворительному реализму восприятия и, зачастую, к визуальному дискомфорту», — говорит Суён Чхве, аспирант Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации и соавтор статьи.
Голография
Чтобы создать более визуально удовлетворяющие трехмерные изображения, Вецштейн отказался от традиционных стереоскопических подходов в пользу голографии — визуальной техники, получившей Нобелевскую премию, разработанной в конце 1940-х годов. Несмотря на большие перспективы в области 3D-изображений, более широкое распространение голографии было ограничено неспособностью отображать точные сигналы глубины 3D, что приводило к неутешительным, а иногда и вызывающим тошноту визуальным впечатлениям.
Команда Ветцштейна использовала искусственный интеллект для улучшения глубины голографических изображений . Затем, используя достижения в области нанофотоники и волноводных технологий отображения, исследователи смогли проецировать компьютерные голограммы на линзы очков, не полагаясь на громоздкую дополнительную оптику.
Волновод создается путем травления рисунков нанометрового размера на поверхности линзы. Небольшие голографические дисплеи, установленные в каждом храме, проецируют компьютерные изображения через выгравированные узоры, которые отражают свет внутри линзы, прежде чем он попадет прямо в глаз зрителя. Глядя через линзы очков, пользователь видит как реальный мир, так и полноцветные трехмерные компьютерные изображения, отображаемые сверху.
Жизненное качество
Эффект 3D усиливается, поскольку он создается как стереоскопически, в том смысле, что каждый глаз видит немного другое изображение, как при традиционном 3D-изображении, так и голографически.
«Благодаря голографии вы также получаете полный объем трехмерного изображения перед каждым глазом, что повышает качество трехмерного изображения, максимально приближенное к реальному», — сказал Брайан Чао, аспирант Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации, а также соавтор статьи.
Конечным результатом применения новых технологий волноводного отображения и усовершенствования голографического изображения является реалистичное трехмерное визуальное восприятие, которое визуально удовлетворяет пользователя, но при этом не вызывает утомления, которое бросало вызов предыдущим подходам.
«Голографические дисплеи долгое время считались новейшей 3D-техникой, но они так и не достигли такого большого коммерческого прорыва», — сказал Ветцштейн. «Может быть, теперь у них есть потрясающее приложение, которого они ждали все эти годы».