Nature论文：斯坦福团队研发出普通眼镜尺寸的新一代AR头盔

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已经有太多AR设备出现，但都不算成功，斯坦福希望能改变世界。

来自斯坦福大学的科研团队最近展示一件新产品，它是一款原型AR头盔，不同之处在于，这款头盔十分轻盈，外观如同普通眼镜，头盔用全息成像技术将彩色3D动态图像投射至镜片。因为采用了新方法，原型AR头盔紧凑、舒适，可以续航一天。

空间计算专家Gordon Wetzstein称：“外部世界的人看到我们的眼镜，会感觉它就像是一副普通眼镜，但穿戴者通过镜片看到的却是栩栩如生的世界，上面显示着生动、色彩丰富的3D计算图像。”

虽然目前的头盔仍是原型产品，离商业化销售距离遥远，但AR原型头盔引入的技术可能会改变游戏、娱乐、训练、教育等产业。

研发团队成员Manu Gopakumar称：“我们不妨想象一下，外科手术医生可以戴上我们的眼镜规划精细、复杂手术，飞机机构工程师可以戴着我们的眼镜了解最新的喷气式引擎。”

研究团队已经在《Nature》发表论文，介绍头盔的设计原理及采用的技术。

抛弃笨重复杂的光学系统

已经有不少科技企业开发VR/AR头盔，比如苹果、Meta、微软、谷歌，但这些头盔始终没有收获巨大成功，因为它们存在着众多致命缺陷，比如过于笨重，无法长时间佩戴，容易使让人晕眩，3D头像不够清晰。

斯坦福计算实验室成员Gun-Yeal Lee说：“目前还没有哪一款AR头盔能够做到轻盈苗条，它们显示的3D图像质量也不如我们。”

尽管如此，斯坦福原型3D AR头盔如果想获得成功，还需要解决一些技术障碍，研究人员希望AI全息成像技术和纳米光子技术能破解难题。

一般来说，显示AR图像需要复杂的光学系统，这是斯坦福团队需要解决的最大技术难题。

以前的头盔会利用摄像头捕捉外部世界图像，然后将它与计算机图像叠加，混合图像再以立体图像的形式投射到眼睛。

Gun-Yeal Lee认为：“在这些系统中，用户看到的是真实世界数字化图像和计算机生成图像，它实际上是增强虚拟现实（Augmented Virtual Reality），并非真正的AR。”

按照过往设计，AR头盔会相当笨重，因为它需要放大型镜片，还需要尽可能靠近的投射镜片，整套系统极为复杂，难以做到小巧玲珑。

斯坦福研究人员Suyeon Choi称：“除了笨重，种种缺陷还会导致用户获得不满意的感知现实主义体验，甚至在视觉上感知不舒服。”

妙用波导显示技术和全息技术

为了获得令人满意的3D图像，研究人员没有采用传统立体技术，而是选择了全息技术。用全息技术显示3D图像前途虽然光明，但至今全息在普及方面仍然存在诸多限制，例如，全息无法提供精准的3D深度信息，图像不够出色，甚至有可能导致用户呕吐。

为了解决此问题，研究团队利用AI技术优化深度，结合纳米光子技术和波导显示技术，原型AR头盔可以将计算机全息图像投射到玻璃镜片上，不需要依赖笨重的传统光学系统。

所谓波导显示技术，本质就是在镜片表面蚀刻纳米级图案，全息显示屏投射计算机图像，图像穿过蚀刻图案，光在镜片内衍射反射，投向双眼，如此一来，用户可以同时看到真实的外部世界和全彩3D计算图像。

斯坦福原型AR头盔之所以能显示更高质量的图像，主要是它将立体模式与全息模式结合。

研究人员Brian Chao称：“加入全息技术之后，两只眼睛能看到更完整的3D图像，显示的3D画质更加逼真。”

只有将波导显示技术与全息技术结合，才能带给用户更逼真的3D体验，这样的体验不仅在视觉上让人满意，而且长久使用也不会感到疲劳。

研究团队称：“长久以来，人们一直认为全息显示才是终极3D，只是在商用方面一直没有大的突破。大家等了很多年，现在也许终于有了一款杀手级产品。”

到底有哪些重要的突破之处

研究团队认为，当前AR显示系统之所以难以普及，最大障碍在于体积。在理想状况下，AR头盔不应该大过普通眼镜。只有做到小巧，佩戴才舒适，才能使用一整天。

要达到上述要求，波导显示是最理想的解决方案。

问题在于，传统的波导显示设计需要笨重的光学组件，而且只能按固定距离显示3D图像。

如何解决此问题？可以将波导显示与全息技术结合。

将全息组件装进普通境框很有吸引力，它可以投射逼真、全彩、移动3D图像，图像还具有深度，这是斯坦福方案的魅力所在。

一些AR眼镜也曾采用波导显示技术，斯坦福技术更进一步，它开发的技术名叫“纲米光子超表面波导”技术，彻底抛弃了笨重的光学元件。而且它还引入AI算法，开发一套能向真实世界学习的波导模型，用AI技术提升画质，这也是之前的企业没有尝试过的。

斯坦福的研究也许真能给AR带来光明，但它也还不完美，能将AR头盔做到轻盈小巧，但目前可视角度只有11.7度，远不及Magic Leap 2和微软HoloLens。