光場技術(shù) 讓虛擬現(xiàn)實不再“虛”

蘆偉

光場解決虛擬現(xiàn)實困境

Magic Leap成立于2011年，在2014年10月谷歌牽頭對它進(jìn)行了5.42億美元投資后名聲大振，在此之前大部分人甚至都沒聽過這家公司。2016年2月Magic Leap又完成了C輪融資，金額7.94億美元，由阿里巴巴領(lǐng)投，谷歌與高通風(fēng)投公司參投，F(xiàn)idelity Investments、JP摩根、摩根斯坦利、T Rowe Price也投入了部分資金。

完成這輪融資后，Magic Leap的估值已達(dá)45億美元。拿到大筆的錢后的Magic Leap依然顯得很神秘，很少接受媒體采訪，沒發(fā)布過、甚至沒演示過任何產(chǎn)品，唯一做得只是展示了幾個DEMO視頻而已，但大家對它的期待仍然很高。不久前Magic Leap創(chuàng)始人羅尼·阿博維茨首次向外透露，Magic Leap至今已經(jīng)花了10億美元開發(fā)原型設(shè)備，并正投資1.5億美元在佛羅里達(dá)建造生產(chǎn)線，最快會在未來18個月推出產(chǎn)品。

Magic Leap的產(chǎn)品與當(dāng)前市面上的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品最大的不同就是采用了光場技術(shù)，Magic Leap官方的說法是“數(shù)字光場顯示（Dynamic Digitized Lightfield Signal）技術(shù)”。其能呈現(xiàn)比 Oculus Rift 更具現(xiàn)實感的 3D 體驗，可將虛擬圖像直接用光場的形式投射在人的視網(wǎng)膜上，而用戶除了能看到虛擬圖像，還能感知其位置，這種體驗如同建立在真實世界之上，且不會產(chǎn)生任何不適感。這正好解決了目前虛擬現(xiàn)實所面臨的一些問題。

眾所周知，傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)是通過雙目視差的方法來產(chǎn)生3D景深效果，這會造成成像不逼真，無法實現(xiàn)看遠(yuǎn)處景物清晰則近景模糊、看近景清晰則遠(yuǎn)景模糊這一效果，不符合自然人眼接收圖像的規(guī)律。長時間佩戴這種技術(shù)的VR設(shè)備，沉浸感不足，會導(dǎo)致大腦產(chǎn)生混亂，從而產(chǎn)生疲勞眩暈等感覺，一些人甚至?xí)霈F(xiàn)惡心、嘔吐等不適癥狀。如果按照現(xiàn)有的虛擬實現(xiàn)成像原理這些問題是無法得到很好解決的，這也是造成2016年虛擬現(xiàn)實先火后冷的主要原因之一。

但隨著光場技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實面臨的技術(shù)困境有望得到解決。這種技術(shù)可讓使用者實現(xiàn)接近真實的立體視覺，讓眼睛能以更舒適情況體驗高清晰度、大視場角的虛擬實境呈現(xiàn)效果，避免了用戶在佩戴過程中產(chǎn)生頭暈、嘔吐等不適的情況，給虛擬現(xiàn)實用戶帶來更好的體驗效果。

什么是光場

那么到底什么是光場呢？所謂光場，就是指光在每一個方向通過每一個點的光量，自由空間中某一點沿著一定方向的光線輻射度值，該空間所有的有向光線集就構(gòu)成了光場數(shù)據(jù)庫。簡單點說，光場就是指定空間內(nèi)所有光線信息的總和，包括顏色、光線亮度、光線的方向、光線距離等等。光場技術(shù)除了可以像普通屏幕那樣顯示基本的圖像信息外，還能顯示景深信息，因此可以避免視覺系統(tǒng)的失衡和暈動癥的產(chǎn)生。通過光場顯示技術(shù)，人們可以真正感受到畫面物體間的相對距離，比如看遠(yuǎn)處的物體時，近處的物體會因為眼球失焦而模糊，看近物時，遠(yuǎn)景也會被虛化，從而更接近真實的觀看體驗。

光場并不是Magic Leap造出來的新概念，其早在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始受到一些科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并展開了持續(xù)的研究。但由于光場技術(shù)涉及多個交叉學(xué)科，技術(shù)難度高，因此發(fā)展并不快。光場相機(jī)應(yīng)該算是近年來光場技術(shù)最商品化的應(yīng)用了，其中最為知名的光場相機(jī)廠商為Lytro。

光場相機(jī)廠商轉(zhuǎn)型

Lytro是一家位于硅谷的科技公司，2006年創(chuàng)立，它的核心業(yè)務(wù)就是銷售光場相機(jī)。利用光場技術(shù)原理，Lytro推出的光場相機(jī)能夠完整地記錄光場信息，拍照后可以任意地調(diào)整照片焦點，實現(xiàn)“先拍照后對焦”的效果。與普通數(shù)碼相機(jī)相比，光場相機(jī)拍照的時候只需要考慮構(gòu)圖即可，不需要對焦，無論拍的照片模糊與否，只要在相機(jī)的焦距范圍內(nèi)，對焦點可以在拍完之后隨意選擇，因為相機(jī)在拍照的時候就把焦距范圍內(nèi)所有光學(xué)信息都記錄在內(nèi)了。

此外，由于采用與數(shù)碼不同的成像技術(shù)，光場相機(jī)沒有數(shù)碼相機(jī)上復(fù)雜的聚焦系統(tǒng)，整體體積較小，操作也比較簡單；同時由于不用選擇對焦，拍攝的速度也更快。但光場相機(jī)也有不足，就是由于紀(jì)錄了太多信息，照片的容量比較大。2011年6月，Lytro在獲得5000萬美元投資后推出了第一款光場相機(jī)，然而照片的質(zhì)量不佳，受到了用戶和媒體的批評。2014年7月，Lytro又推出了第二代產(chǎn)品Lytro Illum。

針對前代產(chǎn)品出現(xiàn)的畫質(zhì)問題，Lytro Illum采用4，000萬像素鏡頭和f/2.0大光圈來提升照片質(zhì)量，同時還配備大量實體按鍵來改善相機(jī)的易用性。然而問題依舊沒有得到很好解決，因為Lytro Illum實際拍照時的有效像素有限，導(dǎo)致照片畫質(zhì)提升不高，實際效果甚至不如高端智能手機(jī)。更嚴(yán)重的是，Lytro Illum還暴露出新的問題，由于配備了高像素、大尺寸鏡頭，成像速度非常緩慢。

而此時，相機(jī)市場已經(jīng)開始不斷萎縮，智能手機(jī)取代數(shù)碼相機(jī)成為超級終端的趨勢十分明顯。其他曾經(jīng)涉足光場相機(jī)的廠商要不已銷聲匿跡，要不已放棄轉(zhuǎn)做其他項目，備受產(chǎn)品市場不佳和成本控制等問題的Lytro也開始尋求轉(zhuǎn)型。

當(dāng)時市場對虛擬現(xiàn)實正在產(chǎn)生興趣，但視覺上的不適感一直沒有找到合適的解決辦法。對此斯坦福大學(xué)進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為光場技術(shù)或許可以改善虛擬現(xiàn)實設(shè)備的這個缺陷，不久后其公開了一臺原型機(jī)，稱該設(shè)備通過一種創(chuàng)新型疊加顯示來獲得自然光場，從而可有效降低VR暈動癥的影響。

受此啟發(fā)，Lytro決定試水虛擬現(xiàn)實，2015年11月發(fā)布了名為Lytro Immerge的VR攝像設(shè)備。Lytro Immerge外觀看起來像一個安裝在三腳架上的沙灘球，這一設(shè)備中包含數(shù)百個微小鏡頭和圖像傳感器，可以捕捉和記錄周圍的影像。但與其他VR設(shè)備不一樣的是，除了記錄色彩和光線強(qiáng)度，Lytro Immerge還會記錄光線的行進(jìn)方向，這就是Lytro賴以成名的光場技術(shù)，這一技術(shù)能幫助VR開發(fā)者記錄諸如景深、光線方向等更多信息，也能夠構(gòu)建更逼真的效果。

Lytro Immerge不僅可以讓VR場景變得更加清晰和立體感，用戶還可以在這個VR場景中走動，雖然這個由Lytro Immerge創(chuàng)造的能四處行走的VR空間大概只有一個立方米左右，但這樣的行走效果過去一般只能通過電腦生成素材，且場景的逼真程度很有限。Lytro希望能夠創(chuàng)建一個端到端的VR系統(tǒng)：它包含一個光場技術(shù)的攝像頭陣列、專用的服務(wù)器和編輯工具、存儲在云端的流信息、以及為已經(jīng)購買了各種頭盔的終端用戶使用的App。

蓄勢啟動

光場技術(shù)對于目前稍顯疲軟的虛擬現(xiàn)實可謂是利好，對于光場技術(shù)本身來說，也終于找到了用武之地。如今國外不少公司，如Magic Leap、Lytro、NextVR、OTOY、MicroVision等都在積極推進(jìn)光場技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，而國內(nèi)公司在此方面也毫不放松，緊緊相隨，這其中包括蟻視科技，光場視覺公司等。

據(jù)推測，Magic Leap投資1.5億美元建立的生產(chǎn)線最先推出的可能是頭戴式光場顯示器，但最終產(chǎn)品應(yīng)該是一副眼鏡。當(dāng)戴上設(shè)備后，它會阻擋視野，硬件直接將圖像投射到視網(wǎng)膜。在半透明的眼鏡內(nèi)有一套光學(xué)系統(tǒng)，圖像通過光學(xué)系統(tǒng)投射。產(chǎn)品不會傷害眼球，當(dāng)觀看時，產(chǎn)品不會強(qiáng)迫用戶盯住屏幕，而是像平時觀察世界一樣觀看。硬件持續(xù)收集信息，掃描房間中的物件，傾聽聲音，追蹤眼球動作，觀察手部移動。最終虛擬環(huán)境中的對象可以理解環(huán)境，可以與真實世界互動。

NextVR目前已經(jīng)開發(fā)出了光場攝像技術(shù)，配備了光場技術(shù)的鏡頭，可以同時捕捉到整個背景的光場，拍攝的圖像可以隨意改變焦點，移動視角，相當(dāng)于捕捉了某個瞬間的全部影像。而這意味著，當(dāng)我們在這種鏡頭拍攝的影片中移動時，圖像也會隨之變化，感受起來就像在一個真實的世界中行走。這大大提高了虛擬現(xiàn)實的浸入體驗，并且不管在哪個角度，這種體驗都不會失真。

OTOY是一家專注于光場數(shù)據(jù)渲染與壓縮的公司。由于VR畫面需要后期進(jìn)行大量圖形渲染，而光場技術(shù)恰好可以將真實拍攝和虛擬構(gòu)造的3D信息進(jìn)行數(shù)字化保存，因此可以通過后期處理，讓VR電影和VR游戲達(dá)到最逼真的效果。不過想得到優(yōu)秀的渲染畫面，同樣要付出代價，撇開光場設(shè)備的價格不說，光是拍攝文件的大小已經(jīng)讓現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)帶寬吃不消了。龐大數(shù)據(jù)量導(dǎo)致存儲和傳輸出現(xiàn)困難，不利于光場技術(shù)的有效普及。不過OTOY公司宣稱，通過他們的復(fù)雜算法壓縮后，僅僅需要1.5Mb/s的速度就可以對單個演員的光場信息進(jìn)行傳輸，就連智能手機(jī)也完全能勝任這項艱巨的任務(wù)。

國內(nèi)方面，蟻視科技早在2012年就光場相關(guān)技術(shù)申請了國際專利。蟻視科技的創(chuàng)始人覃政表示：光場顯示技術(shù)，通俗一點說就是它能同時呈現(xiàn)多個顯示平面。目前蟻視的光場顯示技術(shù)已經(jīng)能同時顯示10個平面，因而能夠顯示出具有連續(xù)體積感的實體，在空氣中產(chǎn)生全息的效果。蟻視的光場眼鏡，有一個明確的要點，就是圖像的顯示效果一定要真實逼真。透過眼鏡看到的虛擬場景和真實場景，都是由計算機(jī)處理過的，因此看起來效果是一樣的。而傳統(tǒng)的增強(qiáng)現(xiàn)實或透過式顯示技術(shù)，顯示出來的虛擬圖像，一般都是半透明地浮在空中的，而且亮度極高。利用蟻視的光場顯示技術(shù)，就有可能顯示出亮度跟自然物體一樣的虛擬物體，因而真正能做到分不清真實和虛擬。

前不久，光場視覺公司剛剛發(fā)布了光場眼鏡這一品牌LOGO，不過產(chǎn)品并未亮相。光場視覺CTO王一中表示這款產(chǎn)品目前還在進(jìn)行最后的完善中，預(yù)計明年春節(jié)后將會推出開發(fā)者版本。這款光場眼鏡能夠達(dá)到視網(wǎng)膜級清晰度、無色散、不失真、最高可達(dá)150°+的全視野VR沉浸感和AR真實感，同時可實現(xiàn)VR/AR模式切換，即是VR又是AR，重量方面最低可以做到80克左右，可適合長時間佩戴。

商業(yè)化尚需時日

雖然目前各個光場技術(shù)廠商都摩拳擦掌，不少投資者也紛紛下注投入，但要實現(xiàn)光場技術(shù)在虛擬現(xiàn)實的商品化、產(chǎn)品的規(guī)?；源嬖谝恍├щy。原因在于：首先，光場數(shù)據(jù)量太大，數(shù)據(jù)存儲和傳輸都將面臨問題，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬還無法實現(xiàn)流暢的光場內(nèi)容分享。好在已有一些廠商如OTOY等正在研發(fā)壓縮光場技術(shù)，試圖降低數(shù)據(jù)存儲量，但實際效果還有待考證；其次，光場顯示的計算量也是是傳統(tǒng)2D影像的好幾倍，現(xiàn)有的移動端通用處理器難以負(fù)擔(dān)如此大的計算量，現(xiàn)階段的光場處理仍然依賴電腦，小型化便攜性實現(xiàn)困難，除非設(shè)備體積和光場顯示效果之間尋找平衡點，才能在短時間內(nèi)實現(xiàn)小型化；第三，除了光場效果影像需要大量硬件資源來進(jìn)行渲染，堆棧式的屏幕也需要更高的分辨率和更強(qiáng)的背光。這就是為什么Magic Leap花了十億美元至今仍推不出一個成形產(chǎn)品，Lytro在2015年11月就發(fā)布了VR光場攝影機(jī)Immerge，但等了接近一年后的2016年9月才展示了Immerge拍攝的第一支樣片的根本原因。然而即使如此，大家仍然對光場技術(shù)充滿期待，因為它不僅對于VR虛擬現(xiàn)實，對于AR增強(qiáng)現(xiàn)實、MR混合現(xiàn)實的發(fā)展同樣意義重大，雖然商業(yè)化還面臨困難，但仍然值得等待和投入。相信過不了幾年，光場必將擔(dān)當(dāng)大任。