全息显示原型。学分:斯坦福计算成像实验室虚拟和增强现实耳机旨在将佩戴者直接置于其他环境、世界和体验中。虽然这项技术因其身临其境的质量已经在消费者中受到欢迎，但未来全息显示器可能会看起来更像现实生活。在他们自己对这些更好的显示器的追求中，斯坦福计算成像实验室结合了他们在光学和人工智能方面的专业知识。他们在这一领域的最新进展详见11月12日在科学进展发表的一篇论文，以及将于12月在SIGGRAPH ASIA 2021上发表的工作。这项研究的核心是面对这样一个事实，即当前的增强现实和虚拟现实显示器只向每个观众的眼睛显示2D图像，而不是像我们在现实世界中看到的3D(或全息)图像。
“它们在感知上并不现实，”电气工程副教授、斯坦福计算成像实验室负责人戈登·威茨斯坦解释道。Wetzstein和他的同事们正致力于提供解决方案来弥合模拟和现实之间的差距，同时创造更具视觉吸引力和更容易观看的显示器。
发表在《科学进展》上的这项研究详细介绍了一种减少常规激光全息显示器中常见的斑点失真的技术，而SIGGRAPH Asia论文提出了一种更真实地表现物理的技术，如果3D场景存在于现实世界中，该技术将适用于3D场景。
模拟和现实之间的桥梁
几十年来，现有全息显示器的图像质量一直受到限制。正如Wetzstein解释的那样，研究人员一直面临着让全息显示器看起来像液晶显示器一样好的挑战。
一个问题是很难在全息图的分辨率下控制光波的形状。阻碍高质量全息显示器创造的另一个主要挑战是克服模拟中发生的情况与真实环境中相同场景的情况之间的差距。
此前，科学家们试图创建算法来解决这两个问题。Wetzstein和他的同事们也开发了算法，但是是通过神经网络实现的，神经网络是一种人工智能，试图模仿人脑学习信息的方式。他们称之为“神经全息术”
“人工智能已经彻底改变了工程和其他领域的几乎所有方面，”威茨斯坦说。“但在全息显示或计算机生成全息术这一特定领域，人们才刚刚开始探索AI技术。”
斯坦福计算成像实验室博士后彭一帆正在利用他在光学和计算机科学领域的跨学科背景，帮助设计进入全息显示的光学引擎。
“直到最近，随着新兴的机器智能创新，我们才有机会获得强大的工具和能力来利用计算机技术的进步，”论文的合著者和SIGGRAPH论文的合著者彭说。
这些研究人员创造的神经全息显示器包括训练神经网络来模拟显示器中发生的真实物理现象，并获得实时图像。然后，他们将此与提供近即时反馈的相机在环校准策略配对，以告知调整和改进。通过创建一种算法和校准技术，这些算法和校准技术与看到的图像实时运行，研究人员能够创建更逼真的视觉效果，具有更好的颜色、对比度和清晰度。
新的SIGGRAPH Asia论文强调了实验室首次将他们的神经全息系统应用于3D场景。这个系统产生高质量的，真实的场景表现，包含视觉深度，即使部分场景被故意描绘为远离焦点。
科学进展的工作使用相同的环中相机优化策略，搭配人工智能启发的算法，为全息显示提供了一个改进的系统，该系统使用部分相干光源——发光二极管和发光二极管激光器。这些光源因其成本、尺寸和能量要求而具有吸引力，并且它们还具有避免由依赖相干光源(如激光)的系统产生的图像的斑点外观的潜力。但是，帮助部分相干源系统避免斑点的相同特性往往会导致图像模糊，缺乏对比度。通过构建一种针对部分相干光源物理特性的算法，研究人员利用发光二极管和激光二极管产生了第一个高质量、无斑点的全息2D和三维图像。
变革潜力
Wetzstein和彭认为，在未来几年，新兴人工智能技术与虚拟现实和增强现实的结合将在许多行业变得越来越普遍。
“我非常相信可穿戴计算系统以及AR和VR的未来；我认为它们将对人们的生活产生变革性的影响。他说，未来几年可能不会，但威茨斯坦认为增强现实是“大未来”
虽然增强虚拟现实现在主要与游戏相关，但它和增强现实在包括医学在内的各种领域都有潜在的用途。医学生可以使用增强现实进行培训，也可以将来自计算机断层扫描和核磁共振成像的医学数据直接叠加到病人身上。
“这些类型的技术已经用于每年数以千计的手术，”威茨斯坦说。“我们设想，更小、更轻、视觉上更舒适的头戴式显示器是未来手术规划的一大部分。”
来自英伟达的访问学者、两篇论文的合著者金钟铉说:“看到计算如何在相同的硬件设置下提高显示质量，这非常令人兴奋。”。“更好的计算可以做出更好的显示，这可以成为显示行业的游戏规则改变者。”
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