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，不過該領(lǐng)域還有一種特殊的技術(shù)——全息顯示器，它可以帶來更接近現(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。

　　圖1. 全息顯示設(shè)備原型，圖片來源：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。韋茨斯坦和他的同事們正在努力開發(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)畫面之間的差距，另一方面還可以讓畫面顯示更具視覺吸引力。

　　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散斑問題的技術(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)景畫面。

　　橋接模擬畫面與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

　　幾十年來，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)的問題。

　　其中一個(gè)困難問題是，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)景看起來完全一樣，沒有差別。

　　此前，無數(shù)科學(xué)家們都曾嘗試通過不同的算法構(gòu)建來解決上述兩個(gè)重要問題。韋茨斯坦教授和他同事們的基本方案還是從算法開發(fā)出發(fā)，不過，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，“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，人們才剛剛開始探索使用這種人工智能技術(shù)來幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)。”

　　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說道。

　　這些研究人員開發(fā)的神經(jīng)全息顯示器，通過對(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。通過創(chuàng)建與所見圖像實(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)景顯示的過程。該系統(tǒng)以非常高的畫面質(zhì)量和逼真程度顯示了包含豐富深度信息的場(chǎng)景畫面，這些場(chǎng)景畫面的顯示體現(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)還能夠讓顯示畫面免于散斑問題。

　　不過，這種方案同時(shí)也會(huì)伴隨帶來一些問題，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)中變得越來越普遍。

　　韋茨斯坦教授說，“總的來說，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。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)在未來的幾年，但肯定是未來的“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，“我們認(rèn)為更小、更輕、視覺更舒適的頭戴式顯示器將是未來手術(shù)項(xiàng)目的重要組成部分。”

　　“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)的訪問學(xué)者，同時(shí)也是上面兩篇論文的合作者Jonghyun Kim說道，“這種新的計(jì)算成像方法可以產(chǎn)生更好的顯示效果，在未來可以改變顯示行業(yè)的游戲規(guī)則?！?/p>