一個高階程式設計師對「智能眼鏡」的冷門科普

這是一篇關於 AR 眼鏡的科普文。

編者註：

本文為易瞳科技 CTO 艾韜投稿。

艾韜畢業於多倫多大學計算機工程專業。多年跟隨「世界穿戴電腦之父」Steve Mann 教授，專注於智能眼鏡的基礎研究。在讀期間獲全額獎學金，其研究領域涉及半制定晶片和計算攝影學，研究成果多次發表在 IEEE 和 ACM 的國際知名研討會上，並通過實驗室對相關行業多個公司提供技術支持。作為推動智能眼鏡行業的核心研究員，曾為加拿大國防研究部（DRDC）部長 Dr. Guy Vezina 做軍用智能眼鏡的學術研究報告。其歸國創業獲得導師 Steve Mann 和其實驗室全力支持。

如果你也對 VR/AR 感興趣，歡迎投稿至：[e-mail]

智能眼鏡的崛起是必然的趨勢。大約在四年前，我認識 Steve Mann 教授時，就毅然決然地去研究智能眼鏡了。Steve Mann，世界穿戴電腦之父，是一個瘋狂的全才，號稱「當代達文西」。沒事作個小曲，有空印個電路，搞搞服裝設計，解個微分方程，閒時寫個劇本，熬夜擼個代碼在他那兒完全不是事兒。

穿戴電腦是個大交叉學科。在他的實驗室裡忙碌的這三年，不但學到了各種奇葩技能，更重要的，是讓我系統地了解到一個從事穿戴電腦研究長達四十年之久的教授的思想體系，讓我了解到智能眼鏡的方方面面。從今年年初畢業回國到現在也快一年了，在國內看到了智能眼鏡越來越旺的發展勢頭，內心非常激動。在這裡，我想把自己所學到的關於智能眼鏡的淺薄知識分享給大家。同時也歡迎大家抱著純潔的心態與我討論接下來會提到的一些觀點。有不當之處，請讀者諒解指正。

認識複雜事物，先從概念開始

首先，虛擬實境（Virtual Reality, 或 VR），增強現實（Augmented Reality, 或 AR）和介導現實（Mediated Reality, 或 MR）不是技術而是概念。在智能眼鏡硬體上實現這些概念的方法才是技術。拋開各個公司各種越來越多的營銷名詞，我們需要來系統地理解一些基礎知識。

智能眼鏡的這些核心概念是一個連續體，像愛因斯坦提出的由時間和空間共同組成的時空連續體（Space-Time Continuum）一樣, 真實的物理世界和虛擬的數字世界也共同組成了一個叫介導現實連續體（Mediated-Reality Continuum）的東西。在這個連續體中，我們可以清楚地理解虛擬實境，增強現實和介導現實的區別和聯繫。

需要指出的是，在論文中的這個連續體是一個龐大的體系。為了增加閱讀性，從而讓大家簡單地了解最近聽到的這些名詞，我會用自己的理解把它暴力地做一個非學術性的簡化。

VR/AR—虛擬實境和增強現實的關係

讓我們先從一個點 R0 開始聊，這個點叫做原生感知現實。這是正常人類的視覺系統能看到並理解的世界。簡單點來說，這就是一對叫「人眼」的相機拍到的一組照片，就是裸眼畫面。

以此為原點，向右延伸，我們就有了一根數軸。數軸上的標度代表了我們往裸眼畫面上投放數字信息的多少（Amount of Augmentation）。投放後呈現在我們眼中的畫面就是增強現實。

當數軸上的標度不斷增加，我們會離 R0 越來越遠。最終，我們會得到一個極端情形，即虛擬實境。在這個離 R0 無窮遠的點上，我們的裸眼畫面完全被數字內容覆蓋。現實中的事物，也和我們的雙眼毫不相關。因此，VR 是 AR 軸上的一個點，是 AR 的一個極端情形。我們說 VR 是 AR 的一個真子集。如下圖。

根據增強現實量的多少，我們可以標出各個主流智能眼鏡在數軸上的位置。接下來，我們來看幾個眼鏡形態例子，並對它們進行標註：

1. 輕量級 AR—類似 Google Glass 的智能眼鏡

輕量級 AR 只可以小範圍的顯示數字信息。由於不需要生成電腦圖像，通常是單眼稜鏡光學透視的設計方案。我們把這類眼鏡稱為 Notification System（提示型系統）。這類眼鏡的市場是在於拍照，裡面有個指導思想叫做 Equivalence，大概講的是如何通過分布在每個人身上的相機來構建和諧社會。這個有機會我以後再跟大家分享。

2. 中量級 AR—類似 Microsoft Hololens 的智能眼鏡

這類眼鏡視角最大達到 50 度，是中量級 AR，可以在視野裡疊加 3D 數字模型。為了立體效果，通常是雙目稜鏡光學透視。微軟也把這類眼鏡叫 Mixed Reality（混合現實）。但這是他們做 AR 眼鏡的商用名稱，有別於學術上的概念。為了防止大家混淆，真正的混合現實涉及的範圍在我們的文中沒有提及，以後有機會再聊。在國內，有一家做中度 AR 的公司叫亮風臺，創始人和我一樣都是雲南人，也是巧得一逼。

3. 重量級 AR—類似 HTC 和 The Void 的所謂動態 VR 眼鏡

戴上 VR 頭顯，背上電腦，在一個布滿標記和外置相機的體驗館裡進行遊戲。大家把這種體驗叫做動態 VR（真實環境會被渲染成遊戲場景）。在我們的圖上，大家可以看到它離 VR 很近，但已經不屬於純 VR 了。理論上來講，它實際上是重量級 AR 體驗。雖然用的是 VR 頭顯，但形態不能決定本質，所以大家要認識清楚。我相信動態 VR 是虛擬實境行業下一步的發展方向，也可以看出 VR 在從一個點慢慢往左延伸。

4. 純 VR 眼鏡

純 VR 頭顯大家就見得比較多了。今年在國內湧現出了大批的 VR 頭顯設備。個人覺得頭顯硬體做的不錯的公司是樂相科技。純 VR 體驗設備一般是固定式的，打個遊戲、坐個過山車啊什麼的，這種體驗做得好的公司很多，大家碰到的時候可以花個幾十塊錢去體驗一下。

從以上例子不難看出 VR 和 AR 的融合趨勢，一方面輕量級 AR 開始在視角擴大的進程中向著中量級 AR 靠攏；另一方面，像 The Void 一樣的體驗館，將現實環境的幾何結構融入 VR 體驗中，使得 VR 向重量級 AR 轉變。那 AR 之後的 MR 如何實現呢？要實現 MR，只需要在頭戴顯示器中加入一對特殊的相機。剛才理清楚了 VR 和 AR 的關係，我們就開始聊聊 MR 了。

MR—數位化的視覺感知

讓我們再回到 R0，並開始另一個維度的延伸。之前說 R0 是裸眼畫面，不同的人甚至是不同的物種，各自的裸眼畫面是不一樣的。有的人高，有的人矮，老鷹看得遠，馴鹿看得暗。因此，在對現實本身的感知能力上我們還有另一條線。這條數軸從 R0 往豎直方向延伸，標度代表視覺感知能力的大小。這條線和原先的 AR 軸相交構成一個平面，這個平面就是之前提到的叫 MR Continuum 的東西。

在我看來，智能眼鏡終極理想不是變成遊戲機，而是革新人類視覺感知。智能眼鏡不但要讓人們看到比裸眼更多或更少的現實畫面，還要在這畫面上任意疊加數字內容。因此，可以修改的眼前畫面就包括了現實畫面和要疊加的數字畫面。在下圖中，裸眼無法直視的燒焊場景在 MR 眼鏡中變得清晰柔和，眼鏡使得佩戴者在看清場景的同時通過數字內容的指導去完成正在進行的工作。

我還在實驗室時，曾經幫助一家美國的醫療成像公司做膚下血管成像的相關算法。這也是 MR 的一種應用。眼鏡佩戴者就像有了 X 射線般的超級視力，即使是在具有挑戰性的臨床環境，也能快速容易地確定血管位置。

腦洞如果開大點，基於可以被數位化的現實，我們可以試著去做一些很神奇的事情。像下圖這種立體街頭藝術可以做到眼鏡中來。

甚至，我們可以通過各種濾鏡把雙眼看到的景物以某種畫風重新渲染。讓你身處在一片花園中看到梵谷或達利眼中的世界。

實現了 MR 概念的智能眼鏡，就是給你一雙神奇的眼睛，然後根據你的需要再讓你看增強現實。因此，AR 比 MR 少了一個維度，是 MR 的一個真子集。這樣我們在 MR 連續體中就衍生出下圖關係。

看到這裡，有心人可能已經發現易瞳科技設計師的匠心了。除了像大眼套小眼外，它表示的就是 MR 連續體。實際上 Logo 有四個圈，那少了的一個圈（虛線部分）包含的部分是什麼呢，今後會繼續提到。

較之 VR 和 AR，MR 的概念範圍更大，不僅要身兼 AR 和 VR，還需要在協調的基礎上，開創新的技術，鑽研新的算法。以這些概念為核心的智能眼鏡的出現將使人們對計算機的認識產生觀念上的變化。這是一個哲理，也是人類史上計算機發展的一個潮流。接下來，我會陸續發文，講一些關於智能眼鏡其他方面的知識。有興趣聊天的人，發郵件給我（[e-mail]）。如果文中有誤，歡迎指正。

點擊圖片，閱讀更多

▼