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)傳遞給千家萬戶，我們所有人同時(shí)收聽、觀看同一節(jié)目。步入二十一世紀(jì)，這些都開始改變，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)造成一些突出的問題。它們將我們和周圍的人與環(huán)境分隔開來，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。在近期蘋果手機(jī)發(fā)布十周年的紀(jì)念活動(dòng)上，一位蘋果產(chǎn)品的重要發(fā)明人公開為他的發(fā)明所造成的危害而道歉。

當(dāng)然，AR（增強(qiáng)顯示）技術(shù)可以解決很多這類問題，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，穿戴起來非常不舒服，與周圍的人具有不可消除的物理隔閡。

最好的顯示技術(shù)

通常來說，最棒的科技是那些和周邊環(huán)境無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，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)的信息和你無關(guān)，你必須經(jīng)過逐個(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，那這些都沒問題，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)不同畫面；(2) 通過跟蹤技術(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，畫面都一樣。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，我們可以通過控制平行現(xiàn)實(shí)顯示器的像素，來使特定區(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實(shí)現(xiàn)畫面顯示。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面。因?yàn)槊恳环嬅娑际怯刹煌謪^(qū)畫面（“Box”、“×”和“＋”）組成的，所以觀眾看到的最終畫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設(shè)計(jì)大尺寸顯示器聽起來好像不太實(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美元，所以這種平行現(xiàn)實(shí)顯示器看起來是可行的。

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，我們也可以通過在平板顯示器前方放置投影物鏡來制作一個(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，但是我們能夠通過改變投影物鏡的尺寸來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

(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。