揭秘Magic Leap核心技术

过一版基于光场的游戏，类似孤岛寻宝，所有场景都是从真实自然中采集，非常逼真，但是最后没有引起任何反响，无疾而终。

　　光场采集光场是定义在射线空间上的函数，射线空间是4维的，传统的针孔相机只能采集二维射线簇，因此光场采集具有本质的难度。早期光场采集的方法简单粗暴，就是用大规模相机阵列，如图12所示的二维相机阵列。这种光场相机笨重昂贵，无法普及。

斯坦福的光场相机：16x8多相机阵列

　　依随数字相机技术的成熟，针孔相机愈来愈小，可以密集地集成在一起，从而缩小了光场相机的体积。但是镜头的尺寸无法缩减，如图13所示。

斯坦福的光场相机：相机阵列

　　真正的突破来自于仿生学。许多昆虫都有复眼,复眼获取的就是光场信息。

昆虫的复眼：光场相机

　　人类模仿昆虫，制造了类似复眼的镜头，如图15所示，在一个大镜头上集成了数十个小镜头。依随光学工艺的改进，人们制造出在一张塑料薄膜上集成了数千个微小镜头。斯坦福的博士生吴任基于这种想法，创立了光场相机Lytro公司。

Adobe制造的人造复眼原型

　　传统的相机需要先对焦，再照相。Lytro相机提出的口号是"先照相，再对焦"。因为Lytro相机得到的光场信息，使用者可以由4维光场合成不同角度，深度的二维相片。

Lytro相机

　　如图17所示的婚纱摄影：同一个光场相片，我们既可以聚焦于靠近镜头的新郎；也可以聚焦于远离镜头的新娘。

Lytro婚纱照：同一张光场相片，可以聚焦在不同的区域。左帧，聚焦在新郎上；右帧，聚焦在新娘上

　　光场显示传统的显示方式，屏幕，LCD/LED，只保留了射线穿过屏幕的交点的几何信息和颜色信息，没有保留射线的方向信息。屏幕是漫反射的，从屏幕上某一点发出的所有射线都是相同颜色的，而光场显示要求从同一点出发的不同射线具有不同的颜色，如图18所示。光场显示，正是MagicLeap的核心技术。

显示模式对比：左图是传统屏幕，过一点的所有射线同样颜色；右图是光场显示，过一点的不同射线不同颜色

　　USC的光场显示南加州大学提出并制作了一种光场显示装置，如图19、20所示，有一个四面透光的玻璃柜子，柜子中间是一面和水平面夹角为45度的镜子，柜子顶部安装了一台高速投影仪，投影仪垂直向下投影，光线经过镜子反射后水平射出。同时，镜子高速旋转。一颗幽灵般的透明人头悬浮在空气之中，当我们绕着柜子走的时候，我们可以看到人头的各个侧面，并且这颗人头对你挤眉弄眼。

USC Light field display，一颗漂浮的人头

USC Light field display用于远程会议系统

USC Light Field display 专利图

　　图21展示了这一光场显示仪器的原理。45度倾斜的镜子（114）被电机马达（115）带动旋转，图形处理器（130）生成图像传递给高速投影仪（120），投影仪投射到镜子上，经反射水平射向四周。这样，经过严格同步控制，我们就显示了一个三维的光场。这一装置笨重而昂贵，同时高速旋转的镜子使得系统的稳定性下降。任何机械振动都会影响光场显示效果。

　　MagicLeap光场显示-手电筒解释MagicLeap的核心技术是一种特殊的光场显示设备：光导纤维投影仪。激光在光导纤维中传播，在纤维的端口射出，输出方向和纤维相切。改变纤维在三维空间中的形状，特别是改变纤维端口处的切方向，我们可以控制激光射出的方向。这就犹如我们拿着一个手电筒，通过改变手电筒的位置，和指向改变输出光柱的方向。如果我们快速摇动手腕，手电筒发出的光柱在空中划出了一个圆锥面，这个圆锥面打到一面墙上成为一个圆周。通过快速改变手腕摇动的幅度，我们可以控制这个圆周半径大小，从而得到一系列的同心圆，这一系列同心圆覆盖了一张圆盘。如果，手电筒的光柱颜色会变化，则我们在墙上画出了一个彩色圆盘。这样，通过快速摇动一只手电筒，我们得到了一幅图像，或者覆盖了一簇射线。假设有很多人，站在不同的空间位置，每人都摇动一只手电筒，则我们得到了一个光场。这就是MagicLeap的光场显示设备：光导纤维投影仪的原理。

Magic Leap的手电筒

　　图22显示了MagicLeap的手电筒，促动器(206）相当于人的手腕，光纤（208）相当于手电筒，促动器使得纤维顶端周期性地颤动，纤维顶端螺旋地画出了一些列的同心圆，激光经由透镜系统输出，在空中画出了一簇射线。投射到平面上照亮了一个圆盘。同步地改变经过颜色和强度，一根纤维利用分时技术得到一幅图像，如图23所示。

一根纤维利用分时技术得到一幅图像

在MagicLeap的纤维光投影仪中，有许多根光导纤维