平行現(xiàn)實(shí)顯示的概念和初步成果

2018年SID會(huì)議期間，來(lái)自Misapplied Science公司的Paul H. Dietz在其演講報(bào)告中展示了平行現(xiàn)實(shí)顯示的概念和初步成果。報(bào)告內(nèi)容，特別是概念部分的介紹讓我們想起物理學(xué)中的“平行世界（ParallelUniverses）”，具有十足的未來(lái)感。

傳媒方式的更替

二十世紀(jì)是即時(shí)大眾傳媒（Broadcasting）時(shí)代，收音機(jī)和電視機(jī)將資訊同時(shí)傳遞給千家萬(wàn)戶，我們所有人同時(shí)收聽(tīng)、觀看同一節(jié)目。步入二十一世紀(jì)，這些都開(kāi)始改變，個(gè)人電腦、手機(jī)等設(shè)備給予每個(gè)人以私有空間，我們真正成為了“個(gè)性化”的一代。借助電腦、手機(jī)這些不斷發(fā)展的終端平臺(tái)，分眾傳媒（Narrowcasting）造就了巨大的產(chǎn)業(yè)，它創(chuàng)造出了人類(lèi)歷史上一些最成功的產(chǎn)品和服務(wù)。

私人設(shè)備的利弊

我們喜歡私人設(shè)備，當(dāng)我們完全沉浸在它投射的情景中時(shí)，這些設(shè)備的體驗(yàn)非常吸引人。但是當(dāng)我們外出和其他個(gè)體互動(dòng)的時(shí)候，這些私人設(shè)備卻會(huì)造成一些突出的問(wèn)題。它們將我們和周?chē)娜伺c環(huán)境分隔開(kāi)來(lái)，于是走在街道上的那些拇指族們便可能撞上電線桿，或者碰到其他人甚至發(fā)生交通事故。在近期蘋(píng)果手機(jī)發(fā)布十周年的紀(jì)念活動(dòng)上，一位蘋(píng)果產(chǎn)品的重要發(fā)明人公開(kāi)為他的發(fā)明所造成的危害而道歉。

當(dāng)然，AR（增強(qiáng)顯示）技術(shù)可以解決很多這類(lèi)問(wèn)題，AR技術(shù)讓我們看到疊加額外信息的現(xiàn)實(shí)世界。但是短期來(lái)看，AR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還需要佐以沉重的頭戴式設(shè)備，穿戴起來(lái)非常不舒服，與周?chē)娜司哂胁豢上奈锢砀糸u。

最好的顯示技術(shù)

通常來(lái)說(shuō)，最棒的科技是那些和周邊環(huán)境無(wú)縫銜接甚至融入周邊環(huán)境的科技，而現(xiàn)有的情形并不是這樣。比方說(shuō)，你去一個(gè)非常大的飛機(jī)場(chǎng)趕飛機(jī)，你此時(shí)正通過(guò)安檢，走向巨大的航班信息板。上面列出了所有可能的航班，其中多數(shù)的信息和你無(wú)關(guān)，你必須經(jīng)過(guò)逐個(gè)篩選后才能得到你需要的信息。而當(dāng)你知道了登機(jī)口，你還要進(jìn)一步想方設(shè)法找到它。機(jī)場(chǎng)里滿是指示牌，可是多數(shù)是不會(huì)幫你找到C37入口的，而且如果這些指示信息不是你的母語(yǔ)就更加困難了。

現(xiàn)在，讓我們想象一個(gè)不是由私人設(shè)備構(gòu)建的周邊環(huán)境，而是代替以能提供我們想要的資訊，方位，娛樂(lè)和廣告等信息的智能周邊環(huán)境。同樣是上面的場(chǎng)景，在未來(lái)的世界里，航班信息板上只顯示出你的航班信息，而且字體很大。你可以在50英尺外就能清楚讀到。所有的機(jī)場(chǎng)指示信息都是用的你的母語(yǔ)展示。你要去的登機(jī)口指示牌在閃爍，很容易找到。路上有指示箭頭，當(dāng)你正走在路上，還可能有一條指示信息告訴你你的航班延誤了，然后給你提供一些購(gòu)物消遣的建議。在這樣的智能環(huán)境中，你的周邊環(huán)境和你的需求相關(guān)聯(lián)，而且所有這些都不需要頭戴式設(shè)備（按：這和現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建很相似）。

以今天的科學(xué)技術(shù)，這些場(chǎng)景都是有可能實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)你走近飛機(jī)場(chǎng)，傳感器能進(jìn)行人臉識(shí)別或者探測(cè)到你手機(jī)發(fā)出的信號(hào)。當(dāng)你接近的時(shí)候，所有這些電子指示信息都會(huì)呈現(xiàn)你需要的信息。那現(xiàn)在就只剩下一個(gè)問(wèn)題：其他人。如果你是唯一一個(gè)在機(jī)場(chǎng)的人，那這些都沒(méi)問(wèn)題，但是通常情況下還有許多其他人，系統(tǒng)同時(shí)也要為他人服務(wù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要一個(gè)全新的顯示技術(shù)，以保證在同一時(shí)間觀看同一顯示屏幕時(shí)，每個(gè)人都能夠看到不同的內(nèi)容，而且不需要頭戴式設(shè)備。這就是我們即將介紹的平行現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

平行現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)

平行現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)如下兩點(diǎn)要求：

(1) 對(duì)不同觀察位置現(xiàn)實(shí)不同畫(huà)面；(2) 通過(guò)跟蹤技術(shù)將顯示內(nèi)容和目標(biāo)對(duì)象綁定。

平行現(xiàn)實(shí)顯示器基于光場(chǎng)技術(shù)，特別地是需要重新設(shè)計(jì)像素。傳統(tǒng)的顯示器像素像很小的彩色燈泡，在顯示器觀看視角內(nèi)，像素要均勻的顯示出顏色和亮度，因此，這些像素在任何地方看起來(lái)，畫(huà)面都一樣。相反，平行現(xiàn)實(shí)顯示器像素在不同的方向上必須發(fā)射出不同的光束。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)想的顯示體驗(yàn)，平行現(xiàn)實(shí)顯示的像素需要極高的角分辨率，而投影儀剛好可以滿足這樣的要求。我們使用微型投影儀投射出紅綠條紋，當(dāng)它投向觀眾時(shí)，一部分人看到紅色而另一些人則看到綠色，這可以滿足上面的第一點(diǎn)要求。

具體地，如上圖，我們可以通過(guò)控制平行現(xiàn)實(shí)顯示器的像素，來(lái)使特定區(qū)域的觀眾看到特定的顏色。實(shí)際上，我們只需要將特定的顏色投射到特定區(qū)域的觀眾那里。

想象一下，我們使用許許多多的平行顯示像素來(lái)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面顯示。舉個(gè)例子，考慮一個(gè)3×3的像素陣列，在三個(gè)分開(kāi)的觀測(cè)區(qū)域S1、S2、S3形成圖像。這些投影儀被有序地排列以覆蓋整個(gè)觀看區(qū)域。對(duì)于每一個(gè)作為平行現(xiàn)實(shí)顯示像素的投影儀，都會(huì)有一個(gè)模型圖案可以使特定顏色照射在特定觀測(cè)區(qū)域。

在S1區(qū)域的人會(huì)看到指向S1區(qū)域的每一個(gè)平行現(xiàn)實(shí)顯示的像素所發(fā)出的光。在這種情形下，他們會(huì)看到一個(gè)綠色的盒子（Box）。同樣的在S2區(qū)域的人會(huì)看到一個(gè)紅色的“×”，而在S3區(qū)域的人會(huì)看到一個(gè)藍(lán)色的“＋”。

可以看出，在同一時(shí)間，每一個(gè)區(qū)域可以看到投影儀為它特別顯示的畫(huà)面。因?yàn)槊恳环?huà)面都是由不同分區(qū)畫(huà)面（“Box”、“×”和“＋”）組成的，所以觀眾看到的最終畫(huà)面與投影儀中的圖案形狀并不相同。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思想，我們的第一個(gè)平行現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備設(shè)計(jì)有42個(gè)投影儀，每一個(gè)都由一個(gè)單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。盡管像素密度并不高，可是整個(gè)顯示設(shè)備足以同時(shí)為5000人提供獨(dú)立的顯示內(nèi)容。

使用投影儀作為像素來(lái)設(shè)計(jì)大尺寸顯示器聽(tīng)起來(lái)好像不太實(shí)際，實(shí)際上，頭戴式顯示器、口袋投影機(jī)等設(shè)備用的微型投影儀（Pico projector）早已量產(chǎn)，而且成本和尺寸也在快速地降低。體育館級(jí)別的顯示器也僅需要千萬(wàn)美元，所以這種平行現(xiàn)實(shí)顯示器看起來(lái)是可行的。

當(dāng)然，更多顯示器并不需要設(shè)計(jì)成體育館級(jí)別的。這時(shí)候，設(shè)計(jì)需要在角分辨率和像素?cái)?shù)量間找到平衡。

投影儀本身只是一種放置在顯示器前的透鏡系統(tǒng)。實(shí)際上，我們也可以通過(guò)在平板顯示器前方放置投影物鏡來(lái)制作一個(gè)簡(jiǎn)單的投影儀。如果精心地設(shè)計(jì)，顯示器內(nèi)的每個(gè)像素都可以以獨(dú)立的方向發(fā)射光束。

現(xiàn)在想象將上述顯示器分成很多小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域前放一個(gè)投影物鏡。這時(shí)每個(gè)物鏡下的像素?cái)?shù)量減少了，但是我們制作出多個(gè)平行放置的投影儀。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)的平行現(xiàn)實(shí)投影儀可以實(shí)現(xiàn)像素?cái)?shù)量（分辨率）和每個(gè)像素的光束數(shù)量的平衡設(shè)計(jì)。其實(shí)光束數(shù)量是固定的，但是我們能夠通過(guò)改變投影物鏡的尺寸來(lái)選擇如何將它們放到像素中去。

在我們的項(xiàng)目中，我們使用最新一代的UHD面板（大概800萬(wàn)像素），并在該面板上放著448面投影物鏡。這意味著每個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)20000級(jí)別的獨(dú)立角度數(shù)量，這個(gè)角分辨率足以設(shè)計(jì)出面向100人量級(jí)的平行現(xiàn)實(shí)顯示器。

平行現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的潛在應(yīng)用

(1) 在電影院享受個(gè)人影院體驗(yàn)

(2) 全球旅游，所有的指示都是母語(yǔ)

(3) 為色盲者提供特別的顯示

(4) 客制廣告。使用平行現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)器將廣告定向投射到目標(biāo)對(duì)象。