《電子技術(shù)應(yīng)用》
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全息顯示|斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出無(wú)散斑全息顯示器

2021-11-30
來(lái)源:CINNO Research

  眾所周知,虛擬(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)設(shè)備本質(zhì)上是希望將用戶直接“放置”在另一個(gè)環(huán)境、世界和體驗(yàn)中。這些技術(shù)所承諾的身臨其境式體驗(yàn)非常受消費(fèi)者的歡迎,不過(guò)該領(lǐng)域還有一種特殊的技術(shù)——全息顯示器,它可以帶來(lái)更接近現(xiàn)實(shí)生活的沉浸式體驗(yàn)。

  根據(jù)外媒Science Daily報(bào)道,為了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出這種沉浸式效果更好的顯示器,斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室結(jié)合了他們?cè)诠鈱W(xué)和人工智能方面的專業(yè)知識(shí)。他們?cè)谠擃I(lǐng)域的最新進(jìn)展,以論文的形式在11月12日的《科學(xué)進(jìn)展》期刊上作了詳細(xì)介紹,另外該研究成果也會(huì)發(fā)表于12月的SIGGRAPH ASIA 2021上。

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  圖1. 全息顯示設(shè)備原型,圖片來(lái)源:斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室

  這項(xiàng)研究的背景是這樣一個(gè)事實(shí),即當(dāng)前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器只能傳遞給每個(gè)觀眾以一幅2D圖像,而不是我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中看到的3D或全息圖像。

  “它們?cè)诟兄喜⒉滑F(xiàn)實(shí),”電氣工程副教授兼斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人戈登·韋茨斯坦 (Gordon Wetzstein)解釋說(shuō)。韋茨斯坦和他的同事們正在努力開(kāi)發(fā)一種新的解決方案,這種方案一方面可以彌合上述模擬與現(xiàn)實(shí)畫(huà)面之間的差距,另一方面還可以讓畫(huà)面顯示更具視覺(jué)吸引力。

  發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究論文,詳細(xì)介紹了一種減少激光全息顯示器常見(jiàn)散斑問(wèn)題的技術(shù)。而發(fā)表在SIGGRAPH Asia上的論文提出了一種新的技術(shù),它可以更真實(shí)地表示3D場(chǎng)景畫(huà)面。

  橋接模擬畫(huà)面與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

  幾十年來(lái),現(xiàn)有全息顯示器的圖像質(zhì)量一直不佳,受到很多固有問(wèn)題的限制。正如韋茨斯坦教授所解釋的那樣,研究人員一直面臨著如何將全息顯示器的顯示質(zhì)量提高到LCD顯示器水準(zhǔn)的問(wèn)題。

  其中一個(gè)困難問(wèn)題是,研究人員在設(shè)計(jì)上很難以全息圖的分辨率控制光波的形狀。另外一個(gè)阻礙高圖像質(zhì)量全息顯示器設(shè)計(jì)的問(wèn)題是,如何讓模擬環(huán)境中發(fā)生的場(chǎng)景和真實(shí)環(huán)境中的相同場(chǎng)景看起來(lái)完全一樣,沒(méi)有差別。

  此前,無(wú)數(shù)科學(xué)家們都曾嘗試通過(guò)不同的算法構(gòu)建來(lái)解決上述兩個(gè)重要問(wèn)題。韋茨斯坦教授和他同事們的基本方案還是從算法開(kāi)發(fā)出發(fā),不過(guò),不一樣的是他們使用了一種稱作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法,這是一種試圖模仿人類大腦學(xué)習(xí)信息方式的人工智能形式,他們稱之為“神經(jīng)全息技術(shù)”。

  “人工智能已經(jīng)徹底改變了工程及其他領(lǐng)域的幾乎所有方面,”韋茨斯坦說(shuō),“但在全息顯示或計(jì)算機(jī)生成全息(Computer-generated Holography)這一特定領(lǐng)域,人們才剛剛開(kāi)始探索使用這種人工智能技術(shù)來(lái)幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)?!?/p>

  斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Yifan Peng正在利用他在光學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的跨學(xué)科背景來(lái)幫助設(shè)計(jì)全息顯示用光學(xué)引擎。

  “直到最近,隨著機(jī)器智能創(chuàng)新的出現(xiàn),我們現(xiàn)在能夠使用強(qiáng)大的工具和能力來(lái)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步助力我們的研究,”該論文的共同作者Yifan Peng說(shuō)道。

  這些研究人員開(kāi)發(fā)的神經(jīng)全息顯示器,通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練在全息顯示器中模擬真實(shí)世界發(fā)生的物理現(xiàn)象,進(jìn)而獲得實(shí)時(shí)的全息3D圖像。然后,他們將其與環(huán)形校準(zhǔn)(Loop Calibration Strategy)相機(jī)相結(jié)合,這種環(huán)形校準(zhǔn)策略可以提供實(shí)時(shí)反饋和相應(yīng)的調(diào)整改善。通過(guò)創(chuàng)建與所見(jiàn)圖像實(shí)時(shí)運(yùn)行的算法和校準(zhǔn)技術(shù),研究人員最終創(chuàng)建出具有更好色彩重現(xiàn)能力、對(duì)比度、清晰度的逼真視覺(jué)效果。

  發(fā)表于SIGGRAPH Asia的這篇論文,重點(diǎn)介紹了斯坦福計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室首次將其神經(jīng)全息系統(tǒng)應(yīng)用于3D場(chǎng)景顯示的過(guò)程。該系統(tǒng)以非常高的畫(huà)面質(zhì)量和逼真程度顯示了包含豐富深度信息的場(chǎng)景畫(huà)面,這些場(chǎng)景畫(huà)面的顯示體現(xiàn)了預(yù)定的失焦效果。

  《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究論文中,研究人員所呈現(xiàn)工作同樣使用了環(huán)形校準(zhǔn)策略,結(jié)合了一種受人工智能啟發(fā)的算法,最終開(kāi)發(fā)出一種使用部分相干光源(LED和SLED)的改善版全息顯示系統(tǒng)。這些光源的成本非常低、外形尺寸緊湊且能耗低,這些都是研究人員對(duì)此產(chǎn)生興趣的原因。另外,相對(duì)于傳統(tǒng)基于相干光源(如激光)的傳統(tǒng)全息顯示系統(tǒng),這種新的系統(tǒng)還能夠讓顯示畫(huà)面免于散斑問(wèn)題。

  不過(guò),這種方案同時(shí)也會(huì)伴隨帶來(lái)一些問(wèn)題,比如光源的非相干特性會(huì)讓所顯示圖像變得模糊,對(duì)比度降低。針對(duì)這一問(wèn)題,研究人員提出了一種針對(duì)非相干光源物理特性的算法,并利用這種算法,基于普通LED和SLED制作出第一張高質(zhì)量且無(wú)散斑的全息2D和3D圖像。

  變革行業(yè)的潛力

  韋茨斯坦教授和Peng博士都認(rèn)為,未來(lái)幾年,新興人工智能技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)合將會(huì)在許多行業(yè)中變得越來(lái)越普遍。

  韋茨斯坦教授說(shuō),“總的來(lái)說(shuō),我非常相信可穿戴計(jì)算系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的未來(lái)。我認(rèn)為這些技術(shù)會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生變革性的影響”。他認(rèn)為,這一點(diǎn)也許不會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)的幾年,但肯定是未來(lái)的“大趨勢(shì)”。

  雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在主要用于游戲等應(yīng)用,但潛在應(yīng)用還包括醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。實(shí)際上,醫(yī)學(xué)生現(xiàn)在可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn),也可以將來(lái)自CT掃描和MRI的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)直接疊加到患者身上。

  “每年,這些類型的技術(shù)已經(jīng)用于數(shù)千次手術(shù),”韋茨斯坦教授說(shuō),“我們認(rèn)為更小、更輕、視覺(jué)更舒適的頭戴式顯示器將是未來(lái)手術(shù)項(xiàng)目的重要組成部分?!?/p>

  “看到研究人員使用這種新的計(jì)算成像方法,在相同的硬件條件下提高全息顯示質(zhì)量是非常令人興奮的,”英偉達(dá)的訪問(wèn)學(xué)者,同時(shí)也是上面兩篇論文的合作者Jonghyun Kim說(shuō)道,“這種新的計(jì)算成像方法可以產(chǎn)生更好的顯示效果,在未來(lái)可以改變顯示行業(yè)的游戲規(guī)則。”




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