2018年SID会议期间,来自Misapplied Science 公司的Paul H. Dietz在其演讲报告中展示了平行现实显示的概念和初步成果。报告内容,特别是概念部分的介绍让我们想起物理学中的“平行世界(ParallelUniverses)”,具有十足的未来感。
 
传媒方式的更替
二十世纪是即时大众传媒(Broadcasting)时代,收音机和电视机将资讯同时传递给千家万户,我们所有人同时收听、观看同一节目。步入二十一世纪,这些都开始改变,个人电脑、手机等设备给予每个人以私有空间,我们真正成为了“个性化”的一代。借助电脑、手机这些不断发展的终端平台,分众传媒(Narrowcasting)造就了巨大的产业,它创造出了人类历史上一些最成功的产品和服务。
 
私人设备的利弊
我们喜欢私人设备,当我们完全沉浸在它投射的情景中时,这些设备的体验非常吸引人。但是当我们外出和其他个体互动的时候,这些私人设备却会造成一些突出的问题。它们将我们和周围的人与环境分隔开来,于是走在街道上的那些拇指族们便可能撞上电线杆,或者碰到其他人甚至发生交通事故。在近期苹果手机发布十周年的纪念活动上,一位苹果产品的重要发明人公开为他的发明所造成的危害而道歉。
 
当然, AR(增强显示)技术可以解决很多这类问题,AR技术让我们看到叠加额外信息的现实世界。但是短期来看,AR技术的实现还需要佐以沉重的头戴式设备,穿戴起来非常不舒服,与周围的人具有不可消除的物理隔阂。
 
最好的显示技术
通常来说,最棒的科技是那些和周边环境无缝衔接甚至融入周边环境的科技,而现有的情形并不是这样。比方说,你去一个非常大的飞机场赶飞机,你此时正通过安检,走向巨大的航班信息板。上面列出了所有可能的航班,其中多数的信息和你无关,你必须经过逐个筛选后才能得到你需要的信息。而当你知道了登机口,你还要进一步想方设法找到它。机场里满是指示牌,可是多数是不会帮你找到C37入口的,而且如果这些指示信息不是你的母语就更加困难了。
 

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现在,让我们想象一个不是由私人设备构建的周边环境,而是代替以能提供我们想要的资讯,方位,娱乐和广告等信息的智能周边环境。同样是上面的场景,在未来的世界里,航班信息板上只显示出你的航班信息,而且字体很大。你可以在50英尺外就能清楚读到。所有的机场指示信息都是用的你的母语展示。你要去的登机口指示牌在闪烁,很容易找到。路上有指示箭头,当你正走在路上,还可能有一条指示信息告诉你你的航班延误了,然后给你提供一些购物消遣的建议。在这样的智能环境中,你的周边环境和你的需求相关联,而且所有这些都不需要头戴式设备(按:这和现在的物联网构建很相似)。
 
以今天的科学技术,这些场景都是有可能实现的。当你走近飞机场,传感器能进行人脸识别或者探测到你手机发出的信号。当你接近的时候,所有这些电子指示信息都会呈现你需要的信息。那现在就只剩下一个问题:其他人。如果你是唯一一个在机场的人,那这些都没问题,但是通常情况下还有许多其他人,系统同时也要为他人服务。为了解决这个问题,我们需要一个全新的显示技术,以保证在同一时间观看同一显示屏幕时,每个人都能够看到不同的内容,而且不需要头戴式设备。这就是我们即将介绍的平行现实现实技术。
 
平行现实显示技术
平行现实显示技术需要实现如下两点要求:
 
(1) 对不同观察位置现实不同画面;(2) 通过跟踪技术将显示内容和目标对象绑定。
 

 

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平行现实显示器基于光场技术,特别地是需要重新设计像素。传统的显示器像素像很小的彩色灯泡,在显示器观看视角内,像素要均匀的显示出颜色和亮度,因此,这些像素在任何地方看起来,画面都一样。相反,平行现实显示器像素在不同的方向上必须发射出不同的光束。
 
为了实现预想的显示体验,平行现实显示的像素需要极高的角分辨率,而投影仪刚好可以满足这样的要求。我们使用微型投影仪投射出红绿条纹,当它投向观众时,一部分人看到红色而另一些人则看到绿色,这可以满足上面的第一点要求。
 

 

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具体地,如上图,我们可以通过控制平行现实显示器的像素,来使特定区域的观众看到特定的颜色。实际上,我们只需要将特定的颜色投射到特定区域的观众那里。
 
想象一下,我们使用许许多多的平行显示像素来实现画面显示。举个例子,考虑一个3×3的像素阵列,在三个分开的观测区域S1、S2、S3形成图像。这些投影仪被有序地排列以覆盖整个观看区域。对于每一个作为平行现实显示像素的投影仪,都会有一个模型图案可以使特定颜色照射在特定观测区域。
 

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在S1区域的人会看到指向S1区域的每一个平行现实显示的像素所发出的光。在这种情形下,他们会看到一个绿色的盒子(Box)。同样的在S2区域的人会看到一个红色的“×”,而在S3区域的人会看到一个蓝色的“+”。
 
可以看出,在同一时间,每一个区域可以看到投影仪为它特别显示的画面。因为每一幅画面都是由不同分区画面(“Box”、“×”和“+”)组成的,所以观众看到的最终画面与投影仪中的图案形状并不相同。
 

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根据上述的设计思想,我们的第一个平行现实显示设备设计有42个投影仪,每一个都由一个单片机来驱动。尽管像素密度并不高,可是整个显示设备足以同时为5000人提供独立的显示内容。
 
使用投影仪作为像素来设计大尺寸显示器听起来好像不太实际,实际上,头戴式显示器、口袋投影机等设备用的微型投影仪(Pico projector)早已量产,而且成本和尺寸也在快速地降低。体育馆级别的显示器也仅需要千万美元,所以这种平行现实显示器看起来是可行的。
 
当然,更多显示器并不需要设计成体育馆级别的。这时候,设计需要在角分辨率和像素数量间找到平衡。
 
投影仪本身只是一种放置在显示器前的透镜系统。实际上,我们也可以通过在平板显示器前方放置投影物镜来制作一个简单的投影仪。如果精心地设计,显示器内的每个像素都可以以独立的方向发射光束。
 
现在想象将上述显示器分成很多小区域,每个区域前放一个投影物镜。这时每个物镜下的像素数量减少了,但是我们制作出多个平行放置的投影仪。通过这种方式实现的平行现实投影仪可以实现像素数量(分辨率)和每个像素的光束数量的平衡设计。其实光束数量是固定的,但是我们能够通过改变投影物镜的尺寸来选择如何将它们放到像素中去。
 
在我们的项目中,我们使用最新一代的UHD面板(大概800万像素),并在该面板上放着448面投影物镜。这意味着每个透镜对应20000级别的独立角度数量,这个角分辨率足以设计出面向100人量级的平行现实显示器。
 

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平行现实显示技术的潜在应用
 
(1) 在电影院享受个人影院体验
 

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(2) 全球旅游,所有的指示都是母语
 

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(3) 为色盲者提供特别的显示
 

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(4) 客制广告。使用平行现实现实器将广告定向投射到目标对象。
 

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