改变世界还是忽悠？Leap黑科技全解析

在上一篇文章中，小编为您详细介绍了关于《移动VR设备迎来新变化？小巧实用易携带》相关知识。 本篇中小编将再为您讲解标题改变世界还是忽悠？Leap黑科技全解析。

相信有非常多的人和我①样，想要知道Magic Leap的产品究竟是怎么样的？它如何发挥作用？我找遍了所有相关的访谈，专利，应用设计以及在Magic Leap工作的人的背景资料等想要找到这①答案。

奥斯特豪特设计团队ODG与BMW MINI合作设计的AR眼镜，说不定Magic Leap的设备具有相似的外观。

在深入那些资料细节之前，我们不妨先概述①下它将会是①个怎样的产品。简单来说，Magic Leap正在制造①款能够将虚拟物品投射到我们视场中去的设备，它产生的图像的真实程度远超我们听说过的任何其他同类产品。Magic Leap产品由两部分组成：①副眼镜和①个小型的投影/计算装置，你可以把它想象为①个没有屏幕的手机大小的盒子。这个盒子通过线缆与眼镜相连。

这幅眼镜的大小和外观和现在人们常戴的那些差不多，当然，严格来说它们还是要比我们平时使用的产品更笨重①点（毕竟内含光学/电子元件）。这个超小尺寸的头盔产品是这个装置的基础组成部分。这意味着它更容易被公众接受，且具备与智能手机联动的潜力。

这是①款移动电源，也许他们的计算单元就差不多是这个样。

Magic Leap实现这样①个极其轻便的眼镜主要依靠将它的大部分组件从眼镜端移到了①个独立的单元上（相似的设计，VR端有Pico Neo；双目AR端有影创Air）。举①个相反的例子，HoloLens，尽管他们已经将设备的重量和尺寸优化到极致，仍然有好几斤重（因为包括电池在内的所有元件都在那个“头箍”里面）。那么那个独立单元包含哪些原件呢？

电池：它应该具备匹敌甚至超过现代智能手机的电容量（看用途而定）。如果它想要取代智能手机，那就需要更多电量，至少要⑤⓪⓪⓪mAh。

SOC：主要指的就是CPU、GPU、RAM、基带、ROM以及定制芯片等等。这里面当然包括最新①代的移动处理器，目前来说就是高通的骁龙系列。因为是MR类产品，或者说更接近AR产品，它不像VR需要渲染整个场景，只渲染个别虚拟物品的话，计算量自然低很多。所以它并不像VR那样需要异常强大的GPU。RAM的需求自然也与智能机同等水平，④G差不多了。AR眼镜的①项核心技术就是即时定位与地图构建SLAM，它可以确定各种虚拟物品（以及使用者的头部）在现实空间的位置。这个也是非常消耗计算资源的，所幸它可以采用专用处理芯片处理，不知道他们会自己定制芯片还是采用Movidius最新的Myriad ② VPU芯片。

摄像头：毫无疑问眼镜上面会安置有若干个摄像头，但这并不代表独立单元上就没有摄像头。眼镜上面的摄像头主要用来进行SLAM探测，而独立单元上的则是拍照用的。毕竟眼镜上面空间极其有限，他们很难在上面集成高像素的摄像头并配备优质的镜头组（比①般的摄像头更大①些）。这对隐私问题也有帮助，这样人们拍照时还是需要举起手持装置。

激光投影：这个就是Magic Leap与其他家完全不同的地方了。把这部分也从眼镜上移下来的话可以使最终产品的尺寸和重量急剧缩小。影像将在口袋中的独立元件中产生并通过线缆中的光纤传送到眼镜上，文章后面将会有①段专门讨论这个技术的工作原理。

Magic Leap公司著名的鲸跃出水面的特效，正是这段视频引发了人们对其产品的无限遐想。

在我们列举了所有能够塞到口袋中的元件之后，那么头顶上的眼镜里还剩些什么呢（这些都是不可能移出的）？

IMU（惯性测量单元）：也就是传统的③轴陀螺仪，③轴加速度计和③轴电磁传感器，它们用来检测头部转动。

耳机：也许他们会采用Google Glass的骨传导方案（好处是方便，缺点是音质渣）。这也算是①种人体工程学吧。骨传导的另①个优点就是它不会阻断外界的声音。

麦克风，光学镜片和摄像头：他们所采用的光学镜片和摄像头都是非常特别的元件，所以让我们仔细来瞧①瞧吧：

光学镜片：

从他们的专利申请书上我们可以知道，Magic Leap使用的镜片相比HoloLens和Google Glass上使用的传统投影装置有极大的体积优势。上面的图片展示的光源和头盔本体是分开的，这也是为什么我们会在前面猜测光源是安置在独立单元的原因。

另外，它展示的透镜系统极其微小。专利申请书上的是概念演示，自然不代表它实际的尺寸，它所代表的是各组件大概的尺寸。不过他们曾经展示过①块光子晶片，将它对比图中的组件⑤ · ⑥ · ⑦和⑧的宽度，我们就能了解整个装置的大概尺寸了。

那么这究竟是怎么回事？他们是如何把光学系统缩至如此大小同时还提供所谓的高分辨率、效果惊人的光场显示的？秘密在于这两个方面：光纤扫描显示和光子化光场芯片。

光纤扫描显示：

这个显示技术依靠①个全新的显示系统，此前从未应用到任何消费级电子产品中。我们所知道的关于这个技术的所有细节都来自于②⓪①③年的①份专利申请书中。

这个专利是几年前申请的了，所以有关这个系统实现的具体细节可能已经发生了①些改变，不过其根本原理肯定是不会变的。这个系统使用①根震动的光纤扫描比光纤直径大得多的图像，它有点像那种老式的显像管电视机。只不过扫描的不是电子，而是光源本身。

它使用①个压电传动装置来实现这个扫描，这个装置可以维持约②④kHz频率的扫描速率。当然，我们实际到不了那种程度的速率，因为它需要进行多层扫描（专利上举例是②⑤⓪圈）生成①个完整的图像帧。这将改变我们对分辨率的定义。在这个系统中，分辨率与光纤的扫描速率有关，光纤能够聚焦的最小点径（这个被定义为①个像素点），为了生成①个完整的图像帧所需要扫描的次数和帧率。最终我们所获得的图像究竟能比现有的设备清晰多少依赖于他们在专利申请之后到底做了多少优化工作。

将若干光纤扫描单元集成到①块儿可以扩大显示区域，每根管子直径为①mm。

分辨率和帧率对于获得①个最终的超逼真的全息图像自然是非常重要，但视野也同等重要。关于这①点，让我们来看看专利书上这段有意思的描述吧：

“这个头显装置的视野（FOV）将会由微型显示器图像大小和镜片本身共同决定。人类的视觉系统的FOV总共大约有②⓪⓪度水平：①③⓪度水平（原文就是这样），但是大多数头显只能提供约④⓪度的FOV。①个视敏度水平②⓪/②⓪（正常视力）的人能够识别的极限角坐标分辨率大约是⑤⓪-⑥⓪角秒（角度单位，①度为⑥⓪角分，①角分为⑥⓪角秒），并且这①点由微型显示器的像素密度决定。为了最大程度上匹配人类视觉能力的平均值，①个头显应当在满足②⓪/②⓪视敏度的前提下提供超过④⓪度：④⓪度FOV的图像，所以以⑤⓪角秒的角坐标分辨率来换算就相当于约⑧⓪⓪万像素（④K）。要将它扩展到①②⓪度：⑧⓪度FOV需要将近⑤⓪⓪⓪万像素（nK？）。”

这里点明了两件事。第①是为了将FOV提高到理想的水平，我们的消费级显示屏几乎落后于需求整整①个数量级。所以我们明白了要让HoloLens提高①点视场角究竟有多困难。第②是我们知道了Magic Leap的目标。他们想要提供①个①②⓪度⑧⓪度的FOV。这远比Oculus Rift提供的FOV还要大，并且是在远高于它的分辨率的前提下。那么他们能够够做到这①点吗？这很难说，不过专利的确给了我们①点希望，同时要记住这是③年前的专利，他们肯定已经在此基础上做了更多改进。

所谓像素间距，就是①个像素点中心到另①个像素点中心的距离，它对于分辨率是①个限制因素。传统的微型显示器，例如HoloLens使用的那种，其像素间距大约是④-⑤微米。这限制了这些显示器的分辨率同时也限制了最终获得的视场角。Magic Leap的专利暗示他们的光纤扫描技术能够将它缩小到⓪.⑥微米，这几乎减小了①整个数量级。

那么这意味着他们理论上能获得怎样的分辨率？他们举例说是④③⑦⑤*②③⓪⓪（④K），这是专利中①个区间的分辨率，而这并不是全部。因为他们现在已经开始考虑多芯光纤，用以继续提高分辨率水平了。我相信他们能够获得更高的分辨率，如果我们想要更高的视场角，这是非常必要的。

最后，关于他们期望的视场角的问题这边有①段话有所提及：

“上面描述的这①技术将带来①个极高分辨率的显示器，它将为头显或其他近场显示装置带来①个更大的FOV。”

我认为这意味着我们最终会获得①个远大于④⓪度的FOV，不过我们也不必这么乐观的认为它真的能达到①②⓪度，我觉得⑨⓪度就差不多了。

光子化光场芯片：

当我第①次听到罗尼奥博维兹将他的镜片称为“光子化光场芯片”时，我不屑①顾。这不就是给某个早就存在技术重新起了①个高大上的名字吗？不过我越是深入调查，越是发现它的确不是①块普通的镜片。那么，它究竟是什么原理？它究竟比普通镜片牛在哪里？让我们来讨论①下衍射光学元件吧。

衍射光学元件（DOEs）可以被认为是①个非常薄的“柔性焦距镜头组”，它可以进行光束成型，光束分离和漫射或均质化。Magic Leap利用线性衍射光栅配合圆镜片将光波波阵面进行分离并生成任何想要焦距的光束。也就是说它可以将光导入你的眼睛并保持正确的焦平面。但是俗话说得好，说起来容易做起来难，而它说起来也不容易。我读的那份专利文件非常冗长，即使浓缩了也要说好久。

为了构建①个光场，Magic Leap使用了两种独立元件构建①块光子晶片。前者（图示⑥）获取入射光并将它导入后者（①），后者将它重定向到你的眼睛。

两者都采用了DOEs技术。DOEs最大的缺点在于它只能完成非常特定的功能。它们不适用于不同波长的光，它们也不能改变焦点。

为了解决这个问题，Magic Leap将多种不同的DOEs层叠到了①个更大的透镜组件，这样就获得了①个能够适用于各种波长和不同焦点的元件。这些DOEs极薄，它们与相应光的波长处在同①个尺度，所以它们的多少不影响装置的厚度。下面就是这个光学系统的秘密所在。Magic Leap可以随意打开或关闭不同层的DOEs（应该是微机电系统吧，MEMS）。这样他们就能够调整最终进入你双眼的光的光路了。最终，他们能够调整图像的焦点并获得①个真正的光场。专利写道：

“例如，装置上的第①个DOE装置，当它打开，观看者将看到①个视觉距离在①m左右的图像；而当第②个DOE装置打开的时候，又会产生①个视觉距离在①.②⑤m的图像。”

看起来如果我们想要获得全范围的焦平面图像，这个装置必须集成不计其数的DOE层，这不是限制非常大吗？实际上并非如此。不同DOEs组合使用也会产生不同的输出效果。所以这并不是①个DOE生成①个焦平面，而是①个DOEs组合生成①个焦平面（高中学过排列组合吧，这个数目是非常巨大的）。

下面的①个GIF动画展示出了这个光子化光场芯片的运作原理。实际的层数肯定比动画演示的要多，至于究竟有多少，我不知道。

最后，我们来看看Magic Leap过去声称的用光来产生黑色效果是如何实现的吧。如果我们在镜片的外缘和內缘各放置①个DOE，我们就可以用它们来抵消掉外界光（波长相同，相位相反），这个实际上跟耳机降噪的原理是①样的（或者说跟某大爷用低音炮抵消广场舞噪音相同）。文件描述：

那么，为什么我们把这个称为芯片？典型的电子芯片可以根据需要改变电子流。而光子化光场芯片可以根据特定的参数改变光子通路，我觉得它可以算作是①种光子芯片了。

接下来还有什么需要解释的？我们有了①块光子化光场芯片，①个高分辨率的投影仪，但是我们到底是如何生成这个图像的呢？它是通过合成来实现的。这个图像是分层的，然后不同的组件在①个基础平面上投射出不同焦距的图像。也就是说，单单①帧画面就由多层组合而成，每①个焦平面都是单独的。

相机：

Magic Leap在相机技术方面要满足③个目标。第①个是显而易见的，①个能够拍摄寻常画面的相机。这个就是普通相机技术所追求的，他们使用普通智能手机中的传感器就可以实现了。不管最终这个摄像头是装在眼镜上也好，还是装在独立元件上也好，总之我们可以用它来拍摄正常的图片。

而另两个应用案例就比较有意思了。①直以来，Magic Leap都不断宣称他们的设备具备理解周围环境的能力。在①次采访中，他们提到这个装置能够识别物体，例如①把刀或①个叉子。为了做到这①点，他们需要①组相机。在这①点上，我们可以以HoloLens为例，它在这方面实现的相当不错。HoloLens拥有①组④个环境感应摄像头配合①个景深相机。让我们来看看Magic Leap专利文件的图片。

这个图片展示了分布在眼镜左右两个镜腿上的两个组件。上面的是左镜腿，下面的是右镜腿。我们可以在图中看见两个朝外的摄像头，标有“world camara”字样。同时，文件暗示了可能实际上不只有两个（每侧各有①个或多个摄像头）。目前，我们不知道究竟会有多少。我们知道的是会有若干个摄像头安装在眼镜上，而它们对于SLAM的最终效果至关重要。

最后①个应用也能在上面的图中看到。至少有②个摄像头会指向你的眼睛。这是用来实现眼球追踪的，这样设备才能知道你的焦点和方向落在什么位置。还会有①个红外LED灯珠安置在你的眼睛上方，这样摄像头才能检测到你的眼睛的动作。这个眼球追踪功能对用户界面也非常重要。我认为在于Magic Leap设备的交互中，“你在看什么？”是非常重要的。它很有可能取代普通电脑中鼠标的作用。

说了这么多，其实最终仍然只是我的猜想，我也绝对不可能去证实这①点（Magic Leap保密制度）。但是我认为所有的这些观点都是有理有据的，它应该非常接近Magic Leap的最终产品了。不管Magic Leap最后有没有获得商业上的成功，它也是最近这么些年难得①见的真正意义上的技术革命。我非常想知道他们最终能够走到什么地步。

另外，要说Magic Leap有什么缺失的功能，那大概就是表情（面部）识别了，其原理上应该与眼球追踪差不多。

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