新型“眼镜”:真实空间里的虚拟三维全息图像

2015-08-12 10:48  来源:中国青年报
 

  头戴科幻感十足的黑色“眼镜”,一个一身黑衣的男子踱步到舞台中央,他面前摆着一张空无一物的方桌。

  就在这张小小的方桌上,他当着在场几百人的面,表演“凭空造物”。

  这不是黑魔法,他也不是“造物之神”,而是一位工程师。在6月15日举行的美国E3游戏会展上,他成功地把游戏中的虚拟仙境“搬到了”舞台中央的方桌上。随着工程师的指令,一个有山川、城堡、树木的世界在桌上诞生,看起来触手可及。

  “创造一个世界。”当他平静地念出这句“咒语”时,现场爆发出掌声和惊叹。曾经的科幻场景,现在变成了科学事实。

  我在火星上迈了一步,真实到我双腿打颤

  “凭空造物”的秘密,藏在工程师头戴的“眼镜”中——微软的最新产品,HoloLens。

  它是世界上第一款,也是目前唯一一款独立的“全息计算机”。能让使用者在真实物理空间内,看到虚拟的三维全息图像,并与之互动,因其“魔法”般的酷炫功能,被戏称为“黑科技”。

  在今年1月亮相后,它引起了持续关注。来自各地的记者在春寒料峭时节涌到西雅图的微软总部试戴机器。到了夏天,E3展会上的游戏玩家又为它的“魔力”沸腾。

  “创造一个世界。”工程师对着眼前空空的桌面说,一团流沙般的白色物质随即从桌子中心涌出,迅速扩散,然后均匀地铺满了桌面。

  很快,沿着桌边,一圈围栏又“长了出来”,“沙地”中心随即塌陷,一个奇妙的世界从桌底缓缓升起,展现在眼前的是陡峭的悬崖、宏伟的城堡和葱茏的树木。一切如乐高积木,有着实物的形体,但它们又全是光的幻象。

  记录这神奇一幕的视频在YouTube上被全球观众点播了270多万次,一条得到数百次点赞的评论写道:“快拿走我的钱!”

  赚大众的钱,微软还不急。短期内,他们瞄准的,是一些“更严肃的事业”。最先用上这款产品的可能是建筑师、医学生和宇航员。

  正如工程师在一张小桌上构造虚拟建筑,真正的建筑师也能通过这款产品,直接在现实空间构造虚拟的三维建筑模型,并快捷地修改其形状和大小。

  通过与凯斯西储大学和克利夫兰医学中心的合作,该团队在医学教学领域也开发出了创新性的应用。

  无需进入解剖室,也无需划开谁的皮囊,在整洁的教室里,戴上这款产品的学生,轻盈地在空中一点,一个三维人体就会出现;手指再横向一拨,人体一分为四,其他三个“分身”是血液系统、骨骼和肌肉组织。

  学生还可以从骨架中抽出一根,把它“折断”,以观察不同的骨折情形。心脏等器官也可被单独抽出,并被剖开,好让学习者观察其内部结构。同理,这款产品也可以用来观测化学分子结构、DNA结构、建筑和雕塑。

  对等不及想试戴它的人来说,《连线》杂志记者杰西·亨佩尔是另一位值得羡慕的人。去年10月,她就见到了还未发布的原型机,是第一个试用HoloLens的“外人”。

  在一个秘密的地下实验室里,每个房间都在测试产品应用。其中,让亨佩尔最难忘的“魔法房间”是“火星”。

  她打了一个向上的手势,一下子,就“实实在在地踏上了火星”。

  隔壁房间的NASA(美国宇航局)科学家杰夫·诺里斯也加入了她的“火星探索”。他与微软的团队一同开发了此应用。

  “他出现在我的视野里,是一个金色的三维人形。”亨佩尔说。

  这涉及HoloLens的一项重要功能:不同使用者之间的远程交流。

  诺里斯能看到亨佩尔眼中的世界,而在亨佩尔看来,“人偶诺里斯”的眼部会射出一道虚线,指向他正在观察的物体。

  顺着这道虚线,亨佩尔蹲下来检查一块岩石碎片,通过几个手势,她向“好奇号”探测器发出指令,搜集这块沉积物。在未来实际的太空探索中,宇航员将能借助这款产品控制真实的探测器。

  这是除了“与全息图像互动”“多人远程合作”外,该产品的另一个重要应用方式:通过融合虚拟与现实,实现新型的人机互动和人与环境的互动。

  回想起这次火星漫步,亨佩尔字里行间透出激动:“我在火星上迈了一步,这实在太真实了,以致我双腿打颤。”

  这些技术的实现,都有赖于强大的计算能力,“全息处理器”(HPU),每秒可以传输兆兆字节(2^40字节)的数据

  令普通人震惊到“双腿打颤”的HoloLens,在科学界看来,并不新鲜。其背后的“增强现实技术”历史悠久。

  近100年前,增强现实技术的雏形就已出现,其最早应用是一战时的一种杀人利器——光学瞄准圈。这种投射在战斗机座舱罩上的虚拟光环可以自动修正,锁定敌机。

  就功能和原理而言,HoloLens也不新鲜。其实早在1968年,头戴“机械章鱼”一样的巨大设备,冒着被“烧脑”的风险,人类就第一次在现实空间里看到了虚拟的三维图像——虽然那只是一个透明的立方体边框。

  国内“虚拟现实”领域专家、浙江大学CAD&CG(计算机辅助设计和高级绘制语言)国家重点实验室教授鲍虎军介绍,长久以来,限制增强现实技术发展的主要是计算能力和算法,及如何做出更小更轻的硬件。微软的这款新产品之所以能引起轰动,在于它在一个没有外连线路的轻量硬件内,集成了“显示”“跟踪与识别”“交互”和“计算”等多种技术,通体也就一副滑雪眼镜大小。

  “显示技术”能使我们看到虚拟的三维全息图像。这是一场“光的魔术”——全息图像其实是设备自身投射的光线,这些光线通过该产品镜片中的数层彩色透镜,最终抵达眼底,让大脑以为看到了真实的物体。

  仅有“光之魔法”还不够。和营造虚拟环境的“虚拟现实”技术不同,增强现实技术还需要天衣无缝地融合虚与实。这就需要识别和跟踪技术。“识别”指识别现实空间,以保证虚拟物体落在正确的位置;跟踪,则是跟踪使用者的移动轨迹,以保证使用者在移动时,眼中的“光之幻象”能处于固定位置。

  在具体运行时,该产品会先用深度摄像头收集真实空间的信息,这种摄像头能获取标示了真实物体到摄像头距离的“深度图”。接着,“同步定位与建图系统”会用多张深度图,叠加成完整的三维场景。如此,在E3会展上,那位演示者才能把游戏场景不偏不倚地搬到小桌上。

  以上所有技术的实现,都有赖于强大的计算能力。除了一般计算机拥有的“中央处理器”(CPU)和“图形处理器”(GPU),这款产品中还内置了一个微软自己研发的“全息处理器”(HPU),每秒可以传输兆兆字节(240字节)的数据,是该产品的核心部件。

  为了配合使用者的移动,打造环绕声效果,并实现“眼神”“手势”“语音”等多种互动方式,该产品中还装载了许多其他传感器,它们都不露声色地藏在其流畅的外表下。

  如今,在各类科技大会上,HoloLens屡屡成为焦点。为了拍好它,记者争相踮起脚尖,或单膝跪地。相比于前辈“机械章鱼”,它美得像一个皇冠。

  HoloLens还能做什么,全球开发者来定

  14个月前,没有皇冠,也没有咔咔的闪光灯,在西雅图微软游客中心的地下室里,最初的原型机被各种线路缠绕,像一个脐带未断的胎儿。

  当时,正在此等待微软新任总裁萨提亚·纳德拉的HoloLens团队紧张不已。他们对产品本身很有信心,但也担心,正着手削减开支的纳德拉会因风险过大或过于超前,选择让这个小怪物“流产”。

  可是,当纳德拉透过镜片看到贴合在真实物体上的三维图像后,他马上说:“这正是我们要做的事。”

  从那时起,这台原型机断掉了一根根有形的“脐带”,逐渐向“纯粹”“优雅”进化。但纳德拉知道,要使这款产品茁壮成长,还需要另一种“无形的脐带”——一个面向全球、吸纳更多应用开发者智慧的平台。

  在随后的会议中,纳德拉和HoloLens项目的研发负责人亚历克斯·吉普曼一致同意,为了方便开发,应该让这款产品融入人人熟知的Windows操作系统。

  4月29日的“微软开发者大会”上,吉普曼不再紧张,而是微笑着感叹:“能存在于此刻,我是多么幸运,不同的技术正在各就各位。”

  这位留着齐肩中长发的发明家,身材清瘦,带着一种使人愉悦的笑容,正鼓动到场的开发者为他的产品生产内容。也就是说,HoloLens还能怎么玩儿,将由全球开发者来决定。

  对开发者来说,一个好消息是,微软已在Windows 10中内置了支持这款产品的“应用程序接口”(API),其开发语言,将与Windows系统的已有框架相似。

  微软还专门为它启动了一个有奖学术项目,以“了解全息计算机的社会角色和可能的应用方式”。获奖者将获得两台HoloLens和10万美元奖金。

  中国IT论坛上,也有人跃跃欲试地问道:“成为HoloLens开发者需要什么技能?”

  鲍虎军告诉中国青年报记者,要制作这种增强现实设备能使用的内容,目前的代价仍很高。降低内容生产成本,是一个难点,同时也是一个很有前景的领域。

  他同时认为,短期内,这款产品不适合普通消费者,因为“识别技术”也是一个难点,在随机场景内,该产品也许不能如演示中那样,对真实房间进行精确建模。

  这款新产品需要解决的问题还包括视野较小。据试戴过真机的人介绍,在侧头或向下看时,视线容易游离出它的“魔法场”。

  续航能力和充电速度也是问题,要替代目前的智能手机终端,这款产品要保证数小时以上的续航。

  至于价格,在《纽约时报》5月的一篇报道中,一位微软高管说,它会比售价超过400美元(约2400元人民币)的游戏设备贵很多,但“很多”是多少,目前仍未知。

  可以确定的是,微软已宣布,在2016年推出这款产品的企业版;纳德拉还声称,在Windows 10的时间框架内,将推出消费者版。

  近100年过去了,用于战斗机瞄准圈的技术,如今化身增强现实的酷炫设备。不远的将来,它真能启动那句令人沸腾的“咒语”吗?——“创造一个世界!”

  那会是一个怎样的世界?(程曼祺)

 

作者: 编辑:吴静秋