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项目介绍:

CINNO Research 产业资讯,南澳大利亚公司Voxon Photonics用其10,000美元的VX1全息桌面在空间中展示了一段可以互动的3D漂浮场景。在桌子上方的3D场景周围,一群观众不需要特殊的眼镜或头戴式设备就可以直观看到该效果。

图1. Voxon Photonics的联合创始人Gavin Smith和VX1全息桌面(图片来自Voxon Photonics)

这样的全息显示效果在许多小说或电影中都有出现,其中最著名的例子也许来自1977年的《星球大战:新希望》。影片中,在千年隼号(Millennium Falcon)宇宙飞船上,R2D2和Chewbacca玩的一种数字棋盘类游戏,其效果就与此类似:两人在桌子上方悬浮的光影空间中互动。
 
其实,这种体验当前也已经可以实现了——在某种程度上VR和AR技术都可以实现同样的效果,不过无论哪种技术,体验者都需要头戴式设备等辅助。即使这些设备做得再好,这种需要额外设备的方案总还是会显得不友善——辅助设备会限制用户的视野和体验。如果这些设备做得不是很好,甚至很粗糙时,它们几乎会将佩戴者和希望体验的虚拟世界完全隔离开。
 
不同于这些技术,Voxon Photonics的VX1全息桌面则完全不需要上述这种辅助性设备。它的体验效果非常像《星际大战》中的场景,只是一般会在顶部设计玻璃穹顶。VX1全息桌面可以显示18x18x8厘米的3D图像、视频、游戏或实现交互式数据的可视化。
 
通过和Voxon首席执行官兼首席技术官加文·史密斯(Gavin Smith)的视频通话,我咨询了该设备的一些工作原理,另外还通过视频看了下其阿德莱德办事处的其他几款设备。


图2. 体显示视频游戏将掀起未来更为有趣的社交游戏风潮(图片来自Voxon Photonics)
 
设备工作原理

为了更好的了解它的工作原理,我们最好将VX1全息桌面的工作理解为在空中打印3D图像。 基于这个思路,该系统将待显示的3D对象在水平方向剖分成连续的切片结构。然后,系统会运用一些神奇的技术将这些切片信息投影到一块背投玻璃(Rear Projection Glass)上。该背投玻璃在谐振弹簧的作用下,会以每秒15个循环的速度在空气中来回摆动。
 
该系统会跟踪背投玻璃的位置,并将其与每秒4,000帧的投影画面完美同步,以确保每个切片都能以正确的高度投影。这些切片堆叠和重新堆叠的刷新速度非常快,以至于观众的眼睛无法辨别,最终的效果就是待显示的3D对象似乎漂浮在空中。由于所显示对象是在玻璃上下摆动时刷新形成的,所以这种全息视频的刷新速率达到每秒30帧,而且效果非常好。
 
持续对移动的3D空间进行切片和刷新,保持投影同步并处理诸如投影光束发散、多种颜色投影以及其他各种问题,这些工作都需要一系列非常复杂的编程和处理技巧。史密斯告诉我们,这样的任务需要“世界上最好的程序员”来完成,而ID Software的Doom and Quake首席程序员约翰·卡马克(John Carmack)则是这样的程序员。当然卡马克的早期竞争对手肯·西尔弗曼(Ken Silverman)同样也是这样的程序员,他曾在90年代开发过Build引擎,这一工作成果广泛用于Duke Nukem等游戏。
 
由于Carmack参与了另一个项目- Oculus Rift,所以史密斯在2013年邀请Silverman成为Voxon的联合创始人,从那时起,Silverman一直担任Voxon的首席计算机科学家。
 
设备潜在用途

作为一项体显示技术,它可以在投影扫描区域内显示用户喜欢的任何东西。对于VX1全息桌面而言,其所显示屏幕约为18x18x8厘米(大约7x7x3英寸)。对于更大尺寸产品的设计,为了实现同样稳定的显示效果,上述背投玻璃的谐振频率需要更高,这一提升比较困难,不过Voxon还是提供了适用于较大尺寸产品的解决方案,我们将在后面介绍。


图3. 看起来非常有趣的3D俄罗斯方块游戏(图片来自Voxon Photonics)

史密斯表示,VX1全息桌面已经可以很好地用于游戏、数据图示、文稿演示和医学成像。对于游戏来说,VX1本身就支持Voxatron引擎,另外它还具有显示现有游戏的Unity和Kinect插件等。对于医学成像来说,VX1与DICOM成像兼容,其所显示内容就像用户通过CT扫描仪获得的一样。这种显示具有PC上无法实现的功能,比如它允许用户扫描区域密度,借此用户可以实时了解骨骼、肌肉组织、器官和血管等信息。
 
“用PC软件是无法做到这一点的,因为PC的显示处理速度还不够快,”史密斯说,“我们的软件非常先进,这在很大程度上要归功于Ken所带的DLL软件团队。他在低级程序设计(Low-level Programming)方面的专业技术是世界一流的。
 
“我们还蹭用了英特尔、微软等大型VR实验室为VR和AR应用捕捉的大量体积数据,”史密斯继续说道,“这些实验室都在积累视频场景的3D体积数据。因此,用户可以在VR场景中四处走动,不过我们同样可以在其他媒介中进行展示。
 

史密斯热衷于将体显示内容变成一种社交活动,例如“数字篝火”。他有谈到潜在的酒吧桌面应用,在他的想象中,这些酒吧桌可以将现场体育赛事或音乐表演直接传送并显示在桌上。他告诉我们:“捕捉技术(Technology to Capture)早已经存在,英特尔已经在使用运动捕捉设备-摄影测量技术,这种技术可以将场景网格化成体数据。美国各地的公司都在对音乐视频进行3D捕捉。他们正在考虑应用VR和AR技术,我们也可以做一些同样的事情,比如结合这些数据,将VX1技术应用到酒吧桌面上。


图4. 如果有一只3D蜘蛛晚上突然出现在卧室,我肯定需要一张新的床单(图片来自Voxon Photonics)
 
史密斯认为广告也是这种技术的一个重要应用。借助这种显示技术,广告投放者可以在歌曲播放的间隙从该桌面弹出汽车、手表或其他产品的交互式3D模型。他还认为,经过进一步定制,这种体显示技术还可以成为一件非常酷的教学工具,它可以为高中生提供可视化的分子、原子、昆虫解剖图或地形图。史密斯说:“学校和大学的确非常有兴趣,对于教师而言,这种展示方式非常简单,不需要太多技巧就可以传达一些概念。要知道现在的教师还有很多其他需要处理的事务。他们需要制定课程计划,还需要为他们做更多的准备。”在大学里,这种显示系统可以方便地演示许多复杂的概念,以便一群人可以一起观看并以有意义的方式进行讨论。
 
现在已经有面对面的全息可视电话了,这种应用使用XBOX的Kinect摄像头来捕捉用户面部的3D信息,并将其在伦敦和阿德莱德之间实时传输。当然,在赌场、军事应用以及概念车等领域还有其他很多机会激发人们去思考。


图5. 该旋转显示器可以以更高的帧频提供更大的投影(图片来自Voxon Photonics)


如何扩大显示区域

如前述,限于可刷新频率,Voxon的背投玻璃振动设备可能无法很好地按比例放大,因为如果不提升振动设备的振动频率,简单的放大显示区域会造成显示效果的恶化。不过,该公司还有另外几个窍门,他们使用看起来有点像钻头的旋转屏幕,这种屏幕带有倾斜和下垂面。这种旋转屏幕的使用可以制作更大尺寸的体显示效果,不过此时还要依赖从上方落下的投影仪。
 
史密斯向我展示了一个很小的原型设备,所显示画面在旋转屏幕上非常引人注目,甚至在Skype上也是如此——除了中间的死角,该死角表面的移动速度不足以维持旋转速度。
 
实施旋转显示器方案给Silverton和Voxon团队还带来了其他挑战和复杂性。“这时我们需要使用螺旋切片算法而不是之前所用的线性切片算法,”史密斯说,“而且我们还需要将三个投影仪(红色,绿色和蓝色)排列在同一空间中。此时的梯形校正非常复杂,现在用户可以在这些图标周围看到一些粉红色条纹,不过我们正在解决这些问题。
 
每种版本都有其特定的缺点,但两者都可以创建引人注目的体显示效果,只不过旋转显示版本可以提供更高的帧频。
 
视频真假

视频肯定是真实的。老实说,VR和AR系统以及基于智能眼镜的显示系统(例如Euclideon的全息桌面)都需要CGI(Computer-generated Imagery)将虚拟图像分层显示在真实镜头上,但是VX1全息桌面的实际工作方式意味着用户可以用普通相机对其进行拍摄并体验效果,这里所有的拍摄图像和镜头都不需要额外编辑。
 
史密斯说:“用户观看视频时觉得视频内容是假的,从某种角度上来看是对我们工作的夸奖,因为这意味着他们认为这些效果是目前技术不可能实现的,他们认为这是电脑生成的动画。但是作为一家公司,我们从未使用过任何CGI或合成技术,我们展示了实际的硬件。我们使用的唯一技巧是使用Panasonic GH5进行拍摄,该设备可以以每秒15帧的速度进行拍摄,因此没有滚动快门问题,而且看起来也非常清晰。如果有人用iPhone来拍摄,画面看起来会给人一种癫痫发作的感觉,不过这仅仅是因为帧速率不够。


图6. Voxon VX1的体显示视频效果(图片来自Voxon Photonics)

VX1 全息桌面

随着Voxon在其他系列产品上研发投入的进行,VX1全息桌面已经全面生产,并以每台10,000美元的价格对外出售。史密斯说,经过研发团队几代产品的设计完善,VX1目前已经具有防弹水平的性能。
 
他还说道:“像谐振弹簧这样具有磨损特征的零件,我们都已经进行了有限元分析,并模拟了它们的破损状况,模拟结果与实际破损情况非常吻合。现在,人们在五到十分钟内就可以更换这些零件,而且更换的技术要求也很低。
 
目前,该公司还没有准备进行大规模生产,他们还在评估选择一些早期的产品用户,目的是确保VX1全息桌面产品掌握在可以有效使用它的用户的手中。



事宜人群:
产品详情

科幻变现实!Voxon公司推出裸眼全息桌面,售价1万美元

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图1. Voxon Photonics的联合创始人Gavin Smith和VX1全息桌面(图片来自Voxon Photonics)

这样的全息显示效果在许多小说或电影中都有出现,其中最著名的例子也许来自1977年的《星球大战:新希望》。影片中,在千年隼号(Millennium Falcon)宇宙飞船上,R2D2和Chewbacca玩的一种数字棋盘类游戏,其效果就与此类似:两人在桌子上方悬浮的光影空间中互动。
 
其实,这种体验当前也已经可以实现了——在某种程度上VR和AR技术都可以实现同样的效果,不过无论哪种技术,体验者都需要头戴式设备等辅助。即使这些设备做得再好,这种需要额外设备的方案总还是会显得不友善——辅助设备会限制用户的视野和体验。如果这些设备做得不是很好,甚至很粗糙时,它们几乎会将佩戴者和希望体验的虚拟世界完全隔离开。
 
不同于这些技术,Voxon Photonics的VX1全息桌面则完全不需要上述这种辅助性设备。它的体验效果非常像《星际大战》中的场景,只是一般会在顶部设计玻璃穹顶。VX1全息桌面可以显示18x18x8厘米的3D图像、视频、游戏或实现交互式数据的可视化。
 
通过和Voxon首席执行官兼首席技术官加文·史密斯(Gavin Smith)的视频通话,我咨询了该设备的一些工作原理,另外还通过视频看了下其阿德莱德办事处的其他几款设备。


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图2. 体显示视频游戏将掀起未来更为有趣的社交游戏风潮(图片来自Voxon Photonics)
 
设备工作原理

为了更好的了解它的工作原理,我们最好将VX1全息桌面的工作理解为在空中打印3D图像。 基于这个思路,该系统将待显示的3D对象在水平方向剖分成连续的切片结构。然后,系统会运用一些神奇的技术将这些切片信息投影到一块背投玻璃(Rear Projection Glass)上。该背投玻璃在谐振弹簧的作用下,会以每秒15个循环的速度在空气中来回摆动。
 
该系统会跟踪背投玻璃的位置,并将其与每秒4,000帧的投影画面完美同步,以确保每个切片都能以正确的高度投影。这些切片堆叠和重新堆叠的刷新速度非常快,以至于观众的眼睛无法辨别,最终的效果就是待显示的3D对象似乎漂浮在空中。由于所显示对象是在玻璃上下摆动时刷新形成的,所以这种全息视频的刷新速率达到每秒30帧,而且效果非常好。
 
持续对移动的3D空间进行切片和刷新,保持投影同步并处理诸如投影光束发散、多种颜色投影以及其他各种问题,这些工作都需要一系列非常复杂的编程和处理技巧。史密斯告诉我们,这样的任务需要“世界上最好的程序员”来完成,而ID Software的Doom and Quake首席程序员约翰·卡马克(John Carmack)则是这样的程序员。当然卡马克的早期竞争对手肯·西尔弗曼(Ken Silverman)同样也是这样的程序员,他曾在90年代开发过Build引擎,这一工作成果广泛用于Duke Nukem等游戏。
 
由于Carmack参与了另一个项目- Oculus Rift,所以史密斯在2013年邀请Silverman成为Voxon的联合创始人,从那时起,Silverman一直担任Voxon的首席计算机科学家。
 
设备潜在用途

作为一项体显示技术,它可以在投影扫描区域内显示用户喜欢的任何东西。对于VX1全息桌面而言,其所显示屏幕约为18x18x8厘米(大约7x7x3英寸)。对于更大尺寸产品的设计,为了实现同样稳定的显示效果,上述背投玻璃的谐振频率需要更高,这一提升比较困难,不过Voxon还是提供了适用于较大尺寸产品的解决方案,我们将在后面介绍。


科幻变现实!Voxon公司推出裸眼全息桌面,售价1万美元

图3. 看起来非常有趣的3D俄罗斯方块游戏(图片来自Voxon Photonics)

史密斯表示,VX1全息桌面已经可以很好地用于游戏、数据图示、文稿演示和医学成像。对于游戏来说,VX1本身就支持Voxatron引擎,另外它还具有显示现有游戏的Unity和Kinect插件等。对于医学成像来说,VX1与DICOM成像兼容,其所显示内容就像用户通过CT扫描仪获得的一样。这种显示具有PC上无法实现的功能,比如它允许用户扫描区域密度,借此用户可以实时了解骨骼、肌肉组织、器官和血管等信息。
 
“用PC软件是无法做到这一点的,因为PC的显示处理速度还不够快,”史密斯说,“我们的软件非常先进,这在很大程度上要归功于Ken所带的DLL软件团队。他在低级程序设计(Low-level Programming)方面的专业技术是世界一流的。
 
“我们还蹭用了英特尔、微软等大型VR实验室为VR和AR应用捕捉的大量体积数据,”史密斯继续说道,“这些实验室都在积累视频场景的3D体积数据。因此,用户可以在VR场景中四处走动,不过我们同样可以在其他媒介中进行展示。
 

史密斯热衷于将体显示内容变成一种社交活动,例如“数字篝火”。他有谈到潜在的酒吧桌面应用,在他的想象中,这些酒吧桌可以将现场体育赛事或音乐表演直接传送并显示在桌上。他告诉我们:“捕捉技术(Technology to Capture)早已经存在,英特尔已经在使用运动捕捉设备-摄影测量技术,这种技术可以将场景网格化成体数据。美国各地的公司都在对音乐视频进行3D捕捉。他们正在考虑应用VR和AR技术,我们也可以做一些同样的事情,比如结合这些数据,将VX1技术应用到酒吧桌面上。


科幻变现实!Voxon公司推出裸眼全息桌面,售价1万美元

图4. 如果有一只3D蜘蛛晚上突然出现在卧室,我肯定需要一张新的床单(图片来自Voxon Photonics)
 
史密斯认为广告也是这种技术的一个重要应用。借助这种显示技术,广告投放者可以在歌曲播放的间隙从该桌面弹出汽车、手表或其他产品的交互式3D模型。他还认为,经过进一步定制,这种体显示技术还可以成为一件非常酷的教学工具,它可以为高中生提供可视化的分子、原子、昆虫解剖图或地形图。史密斯说:“学校和大学的确非常有兴趣,对于教师而言,这种展示方式非常简单,不需要太多技巧就可以传达一些概念。要知道现在的教师还有很多其他需要处理的事务。他们需要制定课程计划,还需要为他们做更多的准备。”在大学里,这种显示系统可以方便地演示许多复杂的概念,以便一群人可以一起观看并以有意义的方式进行讨论。
 
现在已经有面对面的全息可视电话了,这种应用使用XBOX的Kinect摄像头来捕捉用户面部的3D信息,并将其在伦敦和阿德莱德之间实时传输。当然,在赌场、军事应用以及概念车等领域还有其他很多机会激发人们去思考。


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图5. 该旋转显示器可以以更高的帧频提供更大的投影(图片来自Voxon Photonics)


如何扩大显示区域

如前述,限于可刷新频率,Voxon的背投玻璃振动设备可能无法很好地按比例放大,因为如果不提升振动设备的振动频率,简单的放大显示区域会造成显示效果的恶化。不过,该公司还有另外几个窍门,他们使用看起来有点像钻头的旋转屏幕,这种屏幕带有倾斜和下垂面。这种旋转屏幕的使用可以制作更大尺寸的体显示效果,不过此时还要依赖从上方落下的投影仪。
 
史密斯向我展示了一个很小的原型设备,所显示画面在旋转屏幕上非常引人注目,甚至在Skype上也是如此——除了中间的死角,该死角表面的移动速度不足以维持旋转速度。
 
实施旋转显示器方案给Silverton和Voxon团队还带来了其他挑战和复杂性。“这时我们需要使用螺旋切片算法而不是之前所用的线性切片算法,”史密斯说,“而且我们还需要将三个投影仪(红色,绿色和蓝色)排列在同一空间中。此时的梯形校正非常复杂,现在用户可以在这些图标周围看到一些粉红色条纹,不过我们正在解决这些问题。
 
每种版本都有其特定的缺点,但两者都可以创建引人注目的体显示效果,只不过旋转显示版本可以提供更高的帧频。
 
视频真假

视频肯定是真实的。老实说,VR和AR系统以及基于智能眼镜的显示系统(例如Euclideon的全息桌面)都需要CGI(Computer-generated Imagery)将虚拟图像分层显示在真实镜头上,但是VX1全息桌面的实际工作方式意味着用户可以用普通相机对其进行拍摄并体验效果,这里所有的拍摄图像和镜头都不需要额外编辑。
 
史密斯说:“用户观看视频时觉得视频内容是假的,从某种角度上来看是对我们工作的夸奖,因为这意味着他们认为这些效果是目前技术不可能实现的,他们认为这是电脑生成的动画。但是作为一家公司,我们从未使用过任何CGI或合成技术,我们展示了实际的硬件。我们使用的唯一技巧是使用Panasonic GH5进行拍摄,该设备可以以每秒15帧的速度进行拍摄,因此没有滚动快门问题,而且看起来也非常清晰。如果有人用iPhone来拍摄,画面看起来会给人一种癫痫发作的感觉,不过这仅仅是因为帧速率不够。


科幻变现实!Voxon公司推出裸眼全息桌面,售价1万美元

图6. Voxon VX1的体显示视频效果(图片来自Voxon Photonics)

VX1 全息桌面

随着Voxon在其他系列产品上研发投入的进行,VX1全息桌面已经全面生产,并以每台10,000美元的价格对外出售。史密斯说,经过研发团队几代产品的设计完善,VX1目前已经具有防弹水平的性能。
 
他还说道:“像谐振弹簧这样具有磨损特征的零件,我们都已经进行了有限元分析,并模拟了它们的破损状况,模拟结果与实际破损情况非常吻合。现在,人们在五到十分钟内就可以更换这些零件,而且更换的技术要求也很低。
 
目前,该公司还没有准备进行大规模生产,他们还在评估选择一些早期的产品用户,目的是确保VX1全息桌面产品掌握在可以有效使用它的用户的手中。



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