Новый подход — это первый способ преодолеть сложный лабиринт инженерных требований, из-за которых до сих пор создавались либо громоздкие гарнитуры, либо не слишком удобные 3D-очки, которые могут вызывать зрительное утомление или даже лёгкую тошноту.
«На данный момент не существует другой системы дополненной реальности с таким же компактным форм-фактором или качеством 3D-изображения», — сказал Ган-Йил Ли, научный сотрудник Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации и соавтор статьи.
Чтобы добиться успеха, исследователи преодолели технические барьеры, объединив голографическую визуализацию с использованием искусственного интеллекта и новые подходы к созданию нанофотонных устройств. Первое препятствие заключалось в том, что для отображения изображений в дополненной реальности часто требуются сложные оптические системы. В таких системах пользователь фактически не видит реальный мир через линзы гарнитуры. Вместо этого камеры, установленные снаружи гарнитуры, снимают окружающий мир в режиме реального времени и объединяют эти изображения с компьютерными. Полученное смешанное изображение затем проецируется на глаза пользователя в стереоскопическом режиме.
«Пользователь видит оцифрованную версию реального мира с наложенными компьютерными изображениями. Это своего рода дополненная виртуальная реальность, а не настоящая дополненная реальность», — объяснил Ли.
Эти системы, как объясняет Ветцштайн, неизбежно громоздкие, поскольку в них используются увеличительные линзы, расположенные между глазом пользователя и проекционными экранами. Для таких линз требуется минимальное расстояние между глазом, линзами и экранами, что приводит к увеличению размеров.
«Помимо громоздкости, эти ограничения могут привести к неудовлетворительному восприятию реалистичности и зачастую к визуальному дискомфорту», — говорит Суён Чой, аспирантка Стэнфордской лаборатории вычислительной визуализации и соавтор статьи.
Убийственное приложение
Чтобы создавать более привлекательные с визуальной точки зрения 3D-изображения, Ветцштейн отказался от традиционных стереоскопических подходов в пользу голографии — удостоенной Нобелевской премии визуальной технологии, разработанной в конце 1940-х годов. Несмотря на большие перспективы в области 3D-визуализации, более широкое распространение голографии сдерживается невозможностью точно передать 3D-глубину, что приводит к разочаровывающему, а иногда и вызывающему тошноту визуальному восприятию.
Команда Ветцштейна использовала искусственный интеллект для улучшения восприятия глубины в голографических изображениях. Затем, используя достижения в области нанофотоники и технологий волноводных дисплеев, исследователи смогли проецировать рассчитанные на компьютере голограммы на линзы очков, не прибегая к громоздкой дополнительной оптике.
Волновод создаётся путём вытравливания на поверхности линзы узоров нанометрового масштаба. Небольшие голографические дисплеи, установленные на голове наблюдателя, проецируют вычисленные изображения через вытравленные узоры, которые отражают свет внутри линзы, прежде чем он попадает прямо в глаз пользователя. Глядя сквозь линзы очков, пользователь видит как реальный мир, так и полноцветные трёхмерные изображения, отображаемые поверх него.
Конечным результатом применения новых технологий волноводных дисплеев и совершенствования голографической визуализации стало реалистичное трёхмерное изображение, которое не только радует глаз пользователя, но и не вызывает усталости, характерной для предыдущих подходов.
«Голографические дисплеи долгое время считались лучшим способом создания 3D-изображений, но они так и не стали по-настоящему коммерчески успешными, — сказал Ветцштейн. — Может быть, теперь у них есть то самое революционное приложение, которого они ждали все эти годы».
Авторы представляют Университет Гонконга и NVIDIA. Ветцштейн также является членом Стэнфордского центра биологических исследований, Альянса Ву Цая по изучению человеческого потенциала и Института неврологии Ву Цая.