自Oculus和HTC分別發(fā)布了自家的虛擬現實眼鏡以來，虛擬現實(VR)技術受到了廣泛關注。VR被看做是下一個科技風口。此時，美國一家神秘的創(chuàng)業(yè)公司Magic Leap橫空出世，沒有任何所謂的AR眼鏡推出，只是在YouTube上放出了多個視頻，但他們卻能獲得十幾億美元的投資。
Magic Leap展示的混合現實視頻
然而，就是這家成立6年獲得巨額投資的創(chuàng)業(yè)公司卻頗為神秘，除了幾段震撼的合成視頻外，幾乎沒有任何實物展示于公眾面前。若不是今年4月份著名科技雜志《連線》的前主編凱文-凱利的一篇專訪，我們幾乎不可能知道Magic Leap工作原理。正是這篇深度專訪再聯系Magic Leap今年提交的幾項專利，才讓我們得以一窺這家神秘公司背后的“黑科技”。
Magic Leap說的MR究竟和AR有何區(qū)別
Magic Leap宣稱自己研發(fā)的是“混合現實”(MR)技術，而一般這項技術被稱作“增強現實”(AR)技術。它不同于VR全封閉式的體驗，而是將圖像投影在透明的鏡片前，與現實世界混合(Mixed)為一體，所以被叫做“混合現實”?；旌犀F實和增強現實一樣被看做是虛擬現實的終極形態(tài)。
此前，谷歌和微軟兩家公司曾率先推出了Google Glass和Hololens兩款AR顯示設備。Google Glass采用的是一組棱鏡系統，把圖像投射在兩塊棱鏡的界面上，用戶觀察圖像需要把視線移到棱鏡上。HoloLens則是直接把圖像投射在前方鏡片上，類似于汽車上的新興顯示技術HUD(平視顯示器)。這是一種最早用在飛行員身上的技術。
Google Glass工作原理
從曝光的專利圖像來看，Magic Leap的原理和谷歌、微軟的方案大相徑庭。如果說AR是在現實世界的基礎上疊加了半透明圖像，那么MR技術疊加的就是不透明圖像。通俗來說，就是圖像可以和真實物體相互遮擋。
AR技術看起來像是在真實物體上貼了半透明標簽。MR技術則是構建了一個虛擬的物體，用戶甚至難以區(qū)別它和真實物體。若虛擬物體在真實物體后方，就會被遮擋住。
MR技術要求設備能夠對用戶所在場景進行3D建模，還要實時處理好真實物體距離和虛擬物體景深的問題。這別比僅在真實世界中添加2D虛擬圖像的過程要復雜得多。
此外，Magic Leap產生的是真實世界中的3D光場，人眼看到的物體與實際3D物體無異。而Hololens、其它VR產品以及我們常見的3D電影，都是利用兩眼視差構建的“偽3D”圖像。
Magic Leap如何構建虛擬世界
Magic Leap與之前的AR、VR技術完全不同，可謂自成一套技術體系。
在輸出光源上，Magic Leap和它的“前輩”Google Glass、HoloLens完全不同。Google Glass與HoloLens都采用類似于投影儀的原理，在背光前加液晶屏掩膜板投影，所使用的是一般的白光。而Magic Leap使用激光束投影，成像是利用多種顏色光線的合成。
從今年4月《連線》雜志一張秘密訪問Magic Leap的照片可以看出，這家公司的AR眼鏡需要由光纖把多種顏色激光器發(fā)出的光導入到鏡片中，看起來相當酷炫。
Magic Leap使用激光作為光源
從激光器里導出的光線并不能直接成像，而是需要通過一種可以掃描的光纖才能實現。其原理與已經被淘汰的CRT顯示器類似。CRT顯示器是利用陰極射線管發(fā)出的一束電子射線激發(fā)熒光屏來顯示圖像，顯像管里的磁場控制著掃描電子束的方向。
CRT顯示原理
在掃描光纖里，電子束改成了光纖頭，光纖頭能直接發(fā)射出光。但是掃描是如何實現的呢？要知道，光纖僅相當于發(fā)絲大小，還要1毫米范圍內精確控制掃描的精度，難度是很大的。好在有一種叫做壓電晶體的材料，當給這種材料兩端加上電壓時，這種材料就會出現伸縮，伸縮的比例大小和電壓成正比。讓光纖頭緊貼在這種材料上，就是實現1毫米見方空間里的精確控制。
光纖掃描單元內部構造
光纖頭掃出的圖像雖然很小，但是通過掃描光纖前部的放大鏡片組，就能產生比光纖孔徑大得多的圖像。如下圖所示。
掃描光纖如何顯示圖像
掃描光纖產生的圖像下一步將送到“光子光場芯片”。它是整個Magic Leap的技術核心，也難怪公司創(chuàng)始人在接受《連線》采訪時也驕傲地展示了這個類似玻璃眼鏡片的東西。對物理知識略有了解的人都能猜出這塊“鏡片”可能是一種極為特殊的衍射光柵。
衍射光柵的作用是把光的空間分布重新調配，比如一束激光本來打在墻面上是光斑，但是經過光柵后將變成分散在空間中衍射條紋。
通過衍射光柵實現光場的重新分布
光子光場芯片的作用正是把從掃描光纖里射出的光纖折射到人眼中。不過，光子光場芯片并非的普通的衍射光柵。一般的衍射光柵是不可調控的，當入射的光波長確定后，光柵不能對光任意地調制。而且光柵是對一種顏色的光有效，對另一種顏色的光達到相同效果就必須做出改變。(紅光通過衍射光柵后條紋分布較為稀疏，而藍光通過衍射光柵后的條紋分布較為密集，要想做到和紅光的條紋一樣稀疏，必須換一套光柵。)
Magic Leap創(chuàng)始人Rony Abovitz神秘的光子光場芯片
Magic Leap的這塊“神奇鏡片”要實現對不同顏色光線的控制，必須隨著入射光線的改變而隨時變化，令一方面，同時處理多束光線的光子光場芯片很可能是由多層堆疊起來。
此外，為了讓光纖不遮擋現實物體，入射光線必須從“鏡片”的側面引入，這也大大增加了“光子光場芯片”的芯片的設計難度，因為這意味這光在其中要彎轉90度。
目前我們對這塊芯片的具體原理還不是很清楚。從以上的推測可以看出，“光子光場芯片”能實時調控入射光線的分布，通過這種對光線的改變，構造出一種立體的“光場”，從而產生3D的混合現實圖像。
Magic Leap小型化面臨的困難
首先就是光源的小型化。Magic Leap要實現類似真實物體的重現，必須使用多種顏色的光源進行圖像合成，還要保證激光器提供的光強度足以和反射自然光的物體“混合”(Mixed)。即使只使用3種顏色的激光器，重量也不容小覷。從《連線》雜志曝光的照片來看，Magic Leap目前使用的激光器在實驗臺以外，體積應該不小。
其次是圖像計算芯片的小型化。市面上現在出售的VR與AR產品都采用雙眼視差來呈現3D圖像，而Magic Leap渲染的圖像是真實的3D圖像。以HTC Vive和Oculus Rift為例，這兩款VR眼鏡都需要使用當今頂級的NVidia顯卡，手機芯片中的GPU僅足夠提供入門級VR的性能。而Magic Leap專利文件中顯示的分辨率為4K，不僅遠遠超過手機VR的分辨率，也大大高于PC級VR。
還有就是移動設備的“痛點”——電池。當初，谷歌眼鏡僅能提供簡單的2D圖像投影和拍照功能，續(xù)航只有短短數小時。而Magic Leap的性能遠比谷歌眼鏡強。為了提供光源和計算芯片的能量，電池容量至少要做到和智能手機類似的水平，當今手環(huán)等可穿戴設備的小容量電池應該不足以長時間驅動Magic Leap的眼鏡。增大電池又增加產品重力，已經有用戶對微軟Holelens五百多克的重量不滿。Magic Leap要做到“穿戴舒適”可謂任重道遠。
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