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你知道Hololens 的全息影像成像原理是什么吗?

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发表于 2017-7-10 16:50:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

  用的是DLP,对,就是投影机里的那个DLP。   (2014年12月5日)——德州仪器(TI)(纳斯纳克交易代码:TXN)今日宣布,其用于视频和数据显示应用的0.47英寸TRP全高清1080p芯片组已出货提供给第三方开发人员进行测试。该芯片组采用了已在全世界80%以上数字剧院应用和验证的DLP Cinema®技术...

  用的是DLP,对,就是投影机里的那个DLP。
  (2014年12月5日)——德州仪器(TI)(纳斯纳克交易代码:TXN)今日宣布,其用于视频和数据显示应用的0.47英寸TRP全高清1080p芯片组已出货提供给第三方开发人员进行测试。该芯片组采用了已在全世界80%以上数字剧院应用和验证的DLP Cinema®技术,是目前德州仪器旗下能使小型电子设备实现更亮、更高效的全高清成像的最小芯片组。适用电子设备包括:便携式投影机(电池和交流电源)、无屏电视、控制面板、交互式显示器及可穿戴式设备(如近眼显示器)等。
  0.47英寸TRP全高清1080p显示器芯片组的关键特性:
  · 全高清分辨率,画面清晰,紧凑型结构适用于各种尺寸的用户终端设备
  · 低功耗,适用于电池供电设备,例如便携式投影机和可穿戴式设备等
  · 与此前的DLP Pico™芯片组架构相比,德州仪器DLP®专利TRP架构和灵活的DLP IntelliBright™整套算法能将亮度提高100%或将功耗降低50%。与现有同尺寸的架构相比,DLP TRP架构的分辨率提高了一倍
  上一代的DLP要大出不少:
  小的是新一代的,大的是老的

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  小的有什么新特性呢?
  小的有什么新特性呢?
  0.47英寸TRP全高清1080p显示芯片组的主要特性及优势:
  全高清分辨率,画面清晰,紧凑型结构适用于各种尺寸的用户终端设备
  低功耗,适用于电池供电设备,例如便携式投影机和可穿戴式设备等
  与此前的DLP Pico芯片组架构相比,DLP专利TRP架构和灵活的DLP IntelliBright整套算法能将亮度提高100%或将功耗降低50%。与现有同尺寸的架构相比,DLP TRP架构的分辨率提高了一倍。HOLO LENS为啥会用DLP?
  也许HMD应用的使用者都有这样的经历,那就是有时会被影像周围的“灰框”所干扰,这种现象在透视增强现实类设备中尤其明显。而这个破坏用户体验的“灰框”是由显示器背景的黑度水平所引起的,也就是那些没有显示任何内容的区域。从技术角度讲,这种情况与所用显示技术的固有对比度有关。
  TI方面称,相较于其他同类技术,TI的DLP技术具有较高的对比度,能够达到2000:1的全黑全白对比度(FOFO),通过高级信号处理技术,其能够为增强现实显示提供具有极高透明度的背景。DLP技术的另一个关键优势便是高速数据处理,在利用图像追踪用户动作的视频游戏等应用中,其产生的图像延迟性极低在输入帧率为120hz的情况下显示延迟仅为8.33ms。此外,市面上有很多应用能够依靠电池供电运行,这也是得益于DLP芯片组的低功耗、专有算法以及对于非极性LED照明的高效利用等特点。
  为了使DLP技术能够用于更小体积的电子设备中,TI不断缩小芯片尺寸,0.47英寸的DLP Pico 1080p显示芯片组是TI迄今为止能使小型电子设备实现更亮、更高效的全高清成像的最小芯片组。
  ------------------------------------------------休息一下的分割线------------------------------------------------------
  那什么是DLP捏?
  DLP的技术核心是DMD芯r片,是由USALarry Hornback博士于1977年发明的。最开始,主要是为了开发印刷技术的成像机制,先以模拟技术开发微型机械控制,1981年才改用数字式的控制技术,正式命名为Digital 微软-mirror Devices,并开始分成印刷技术与数字成像两个方向来研发。到了1991年德州仪器决定将数字成像的开发独立成一个事业部,并于1996年开发出第一个数字图像产品,1997年正式终止印刷技术的研发,全力进行数字图像的研发。
  DMD器件是DLP的基础,一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关,50~130万个微镜片聚集在CMOS硅基片上。一片微镜片表示一个像素,变换速率为1000次/秒,或更快。每一镜片的尺寸为14μm×14μm(或16μm×16μm),为便于调节其方向与角度,在其下方均设有类似铰链作用的转动装置。微镜片的转动受控于来自CMOS RAM的数字驱动信号。当数字信号被写入SRAM时,静电会激活地址电极、镜片和轭板(YOKE)以促使铰链装置转动。一旦接收到相应信号,镜片倾斜10°,并随来自SRAM的数字信号而倾斜+12°;如显微镜片处于非投影状态,则被示为“关”,并倾斜-12°。简而言之,DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光,同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影,而其光照方向则是借助静电作用,通过控制微镜片角度来实现的。
  通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行寻址,DMD阵列上的每个镜片以静电方式倾斜为开或关状态。决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。镜片可以在一秒内开关1000多次,在这一点上,DLP成为一个简单的光学系统。通过聚光透镜以及颜色滤波系统后,来自投影灯的光线被直接照射在DMD上。当镜片在开的位置上时,它们通过投影透镜将光反射到屏幕上形成一个数字的方形像素投影图像。当 DMD 座板、投影灯、色轮和投影镜头协同工作时,这些翻动的镜面就能够一同将图像反射到演示墙面、电影屏幕上。如果仔细看还没明白的话,原理图如下:

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  看明白了吗?我给你通俗的解释一下:
  简而言之就是你想象一下这样的场景:
  你手里有一个手电筒,你对面的墙上装了很多的镜子。这些镜子和普通的镜子不同的地方在于每个镜子后边有个小支架,可以自由的在两个自由度内做旋转。
  有人去掰镜子的角度,有的向左,有的向右,有的向上,有的向下,所以当你打开手电筒照向镜子墙的时候,这些镜子反射的光线到处都是,有些打在黑黝黝的墙上消失不见了,还有一些镜子的角度恰好射入了旁边放着的一个镜头组,经过镜头组的对焦调节,最后清晰的射在房间另外一边的墙上了。所以说你需要在另外那个墙上照射怎样的图案,那是跟你掰镜子的角度有关的,明白了吧!
  DLP比这个稍微复杂一点,因为还有个色轮把白光分成三原色分别投射了,也就多了这一步而已。
  --------------------------------------你说的我都懂可是鸽子为什么那么大的分割线--------------------------
  回到题主的问题,为啥你能看清楚?
  题主能想到这里还是认真思考过的。
  HoloLens你能看到清晰的图像一半是因为类似初音未来的东西:
  全息投影可以用到电影前期拍摄中以取代部分后期特效制作吗?
  - HEAVEN CG 的回答
  HOLOLEN里边有块半透镜片就是起到了春晚李宇春的斜拉膜的作用。

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  你看到了么?
  那两个斜面半透镜片就是。
  至于题主所担心的人眼对焦问题(真实世界都在较远的距离,而HOLOLEN所成的像却在眼前一厘米处,怎么对焦哇?,题主你担心的就是这个意思对吧)。
  其实这根本不是什么新的技术。已经用了好几十年了。
  战斗机平显的工作原理:机载计算机设备把参数信息反映到显控计算机,然后通过点划方式显示在平显玻璃上(注意,这不是通过激光照上去的),使显示信息在飞行员眼前成像,这个像是个虚像,在普通人看来,这个像的像位是在玻璃上,其实不然,如果是投影在纸上(漫反射)那么像位必须在纸面上才能看到清晰的显示,但玻璃不同,因为是镜面反射,平显的像投在了正前方无穷远处!且平显玻璃不是普通玻璃,而且在玻璃的反面刷了一层反射膜,类似于眼镜前面的增透膜,不同在于平显反射膜的厚度为绿光波长的一半,而眼镜增透膜为绿光波长的1/4,之所以用绿光是因为绿色光谱在可见光光谱正中间!飞机用航炮空中格斗时用的不是三点一线,而且一种叫作热线瞄准的瞄准方式,因为航炮是固定的,且射速高,所以平显显示的是航炮的射击轨迹,不是光圈,这个轨迹叫作热线!而这个热线的像是在飞机正前方无穷远处成的,而敌机在空中与载机的距离相对光学成像而言可以看作无穷远处,因此用热线压目标,其实就是用像压目标,所以当飞行员不管从哪个角度看目标与热线,都不会影响射击精度,因为虚像与目标在空间上是重合的!而且现代战斗机会自动对目标测距,并结合大气参数对热线进行修正,炮弹的弹道轨迹能够保证最大概率的命中目标!也就是这样

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  最后效果是这样的

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  对,你没看错。。。。和淘宝15元包邮的就是一码事
  淘宝上搜    HUD     车       这组关键词就可以了...........
  当然啦当然啦,汽车上也有不是这么LOW的反射式,也有高大上的衍射式,这个后文再议。
  这回你懂了??
  HOLOLENS只是一个特别贴近的平显而已。因为光路的原因,虚拟场景所成像距在无穷远处,和你透过这块半透玻璃看到外界物理世界的光路是重合的,所以你看到的就是叠加好的像,如果叠加的不清楚,请调节那个来自于DLP方向的镜头组的焦距

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  -----------------------------------------------其实还没完的分割线---------------------------------------------------
  上边讲初音未来的膜其实是为了简化咱们今天所说的事。事实上早期的平显也的确是这样的反射式的,是靠镀膜玻璃来完成的。这个很简单谁都能看明白也很好做,就是亮度低且视角狭窄。
  所以其实后来战斗机就不用这个了反射式的了,改用衍射式的了。
现在主流战机都用这个了,
  而且主要的制造国家也就没几个。
  效果当然是刚刚的

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  衍射型平显
  根据平显的准直光学系统的不同,平显分折射、反射、衍射式。所谓衍射式就是平显的组合玻璃不再是平板镀膜玻璃,而是带小刻蚀线的(双)曲面玻璃制成的全息透镜,光线不是反射,而是衍射到飞行员的眼睛里(所以衍射式平显也叫全息平显)。同时这个全息透镜还过滤了非可见光。衍射式的优点是图象更明亮瞬时视场更大。
  衍射光学平显通过CRT成象。衍射平显中的一个光学元件使用了全息加工技术,组合玻璃不象准直式那样是平板镀膜玻璃,而是曲面(一般为双曲面)玻璃,上面有非常复杂有意思的微小刻蚀线,所以,衍射平显的组合玻璃其实是全息透镜,而不是直观的凸透镜。
  衍射平显的全息透镜是用激光刻蚀的,曲面也是非连续的,主要是根据座舱风挡和人眼进行光学修正。
  目前在役的F-15E,EFA、F-22、阵风、F-2等飞机均是衍射平显的使用者。由GEC-马可尼公司研制,是光栅笔划兼容的衍射平显,光栅的功能是为满足红外导航和瞄准吊舱的红外夜视图象整个的镜片是一个光波导,里边的微小刻蚀线是用来做衍射用的,详细原理在这个论文里有通俗解释
  全息波导头盔显示技术

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  帮你复习一下啥是光的衍射
  光的衍射光的衍射概念、规律
  实际上平显的衍射器件结构还是复杂的很,不然我国军工界不会一做好几十年才做出来。
  各种分析在这个论文里说的已经很清楚了,这里就不大段的引用了
  衍射平显光学系统方案分析

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  而在另外一个论文里
  衍射光学平视显示器及其工作原理
  我们看到一段很有趣的描述



  (F16好老啦  当时可是黑科技,现在国内的衍射平显视场角度45度的也有)
  (F16好老啦  当时可是黑科技,现在国内的衍射平显视场角度45度的也有)
  其实HOLO LENS 和战斗机一样,用的是衍射式平显的原理。
  其实HOLO LENS 和战斗机一样,用的是衍射式平显的原理。
  其实HOLO LENS 和战斗机一样,用的是衍射式平显的原理。
  这应了我在知乎上常说的一句话: 太阳底下没有新鲜事。
  你看到了么,几十年前最先进的F16战机的平显, 视角也就是35度啊。
  这从另外一个侧面验证了为什么HOLOLENS可视角度如此之小。
  呵呵呵呵呵,毕竟这种手段几十年了,虽然刚刚民用,但也廉颇老矣。
  虽然MAGIC LEAP更像是个虚无缥缈的幻影,我看大家还是寄希望于它吧。
  毕竟ML的光场从原理上来说视场角度不会有这么大的限制了。

HoloLens的色彩——光的混合

我们都知道AR是虚拟物体 叠加(superimpose over在现实物体上,现实空间的光子已经打在了你视网膜上,再显示虚拟物体则是在这些光子之上增加光子。(所以,这里埋个伏笔:它显示出的颜色受到现实环境颜色或光照的影响~)
而这个superimpose 表现在『显示』上,就是添加显示(Additive Display)

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你隔着玻璃看这个世界,看到的是这个世界吧?

但如果想在这上面显示不存在的东西,所谓『holographic』,它上面的光来自于现实世界中外界环境的光和显示器的光,两个光混合。
请想象PS 或者AE上的混合模式『screen』,或者三原光,当所有颜色的光相混,就只剩白光了。(你回忆你以前看过的科幻片,里面的全息图像是不是都亮闪闪的?)

这也就是为什么Holo 这种现实被称为全息投影的原因,它和投影仪一样,都是投射『光』。
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在现实场景的光照情况下增加光。随着光叠加的越多,颜色越丰富,画面也就越亮。
如下图,黑色为全透明,白色为全不透明。同理,一个颜色越黑则越透明,越白则越不透明。
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HoloLens的色彩显示技术和普通的投影仪一样,叫做色顺序投影显示(color sequential projection displays)。(你可以试试用60FPS的手机录制投影仪的成像过程→ →,如果投影仪差的话,你能看见色彩的闪烁)

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它就是将四块分离的色彩区域(separate color fields),按先后顺序显示出来。所以,要把240帧每秒的刷新率分给着四个色彩区域,所以最终重叠后只有60帧每秒。

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当显示的颜色越亮时,越有可能观察到这种显示特有的现象——

色彩分离(color-separation),大概是因为白色中含有大量的RBD三种颜色。而且,当一个全息物体快速地移动时,这种色彩分离感觉更明显!
咦,亮度高的?移动快的?那不是cursor吗?对!你记得我在《如何评价 Hololens 使用『gaze』定位cursor的交互?》提到过高亮的cursor要做成模糊的亮点,因为亮色容易色彩分离。


另外,当物体扭曲变形(warping/deformation)、高对比度(high contrast)或者纯色时,可能有一部分会色彩分离。

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—————————————————————————————————————

黑?透明?

你听过『黑』光吗?没有对吧?

宇宙中没有黑光,宇宙中越黑的地方,温度越低,辐射越少,最低也就是绝对零度。

如果你要问我,为什么你现在手机电脑的显示器可以显示『黑色』,我会告诉你『黑色』是不存在的,那只是因为屏幕本身是黑色,所以当降低透明度时,你感觉变黑了。(正所谓,为什么在太阳下看不清手机?为什么电影院看电影要全黑?)

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而现在还没有光学显示技术能显示黑,或者说『移走你眼里的光线』……

所以如果要用hololens 显示黑色,它只能降低透明度。后果是你看到的最『黑』的物体,就是最透明的。

Hololens 要做成墨镜,不是为了Cool,同志们……

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正因此,holodesk 在演示demo 的时候都会找块黑布。

(下图为 holodesk)
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论坛(HoloLens全息现实网): http://hololens8.cn

VR/AR/HoloLens开发者QQ群:220104582
VR/AR资源分享QQ群:281921834
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发表于 2017-7-10 16:56:35 | 显示全部楼层
引发联想,很不错哦!
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