Svelata la tecnologia di base di Magic Leap

Figura 12. Fotocamera a campo luminoso di Stanford: array multi-camera 16x8.

Con l'avanzare della tecnologia delle fotocamere digitali, le fotocamere stenopeiche stanno diventando sempre più piccole e possono essere integrate tra loro, riducendo così le dimensioni delle fotocamere a campo luminoso. Tuttavia, le dimensioni della lente non possono essere ridotte, come mostrato nella Figura 13.

Fig. 13. Stanford Light Field Camera: serie di telecamere.

La vera svolta è arrivata dalla biomimetica. Molti insetti hanno occhi composti, che acquisiscono informazioni sul campo luminoso.

Fig. 14. Occhi composti di insetti: telecamere a campo luminoso.

Gli esseri umani imitarono gli insetti e crearono delle lenti simili agli occhi composti, come mostrato nella Figura 15, che integra decine di piccole lenti su una lente più grande. Grazie al miglioramento della tecnologia ottica, sono state create migliaia di minuscole lenti integrate su una pellicola di plastica. Basandosi su questa idea, Wu Ren, dottorando di Stanford, ha fondato l'azienda di fotocamere a campo luminoso Lytro.

Figura 15. Prototipo di occhio composto artificiale realizzato da Adobe.

Le fotocamere tradizionali richiedono la messa a fuoco prima di scattare una foto. Lo slogan della fotocamera Lytro è "prima scatta la foto, poi metti a fuoco". Grazie alle informazioni sul campo luminoso ottenute dalla fotocamera Lytro, gli utenti possono sintetizzare foto 4D da diverse angolazioni e profondità a partire dal campo luminoso 4D.

Figura 16. Fotocamera Lytro.

Fotografia di matrimonio come mostrato nella Figura 17: Nella stessa foto con campo luminoso, possiamo mettere a fuoco lo sposo che è vicino alla macchina fotografica; possiamo anche concentrarci sulla sposa che è lontana dalla telecamera.

Figura 17. Foto di matrimonio realizzata con Lytro: la stessa foto con campo luminoso può essere messa a fuoco su aree diverse. Riquadro a sinistra, messa a fuoco sullo sposo; inquadratura a destra, messa a fuoco sulla sposa.

Il metodo di visualizzazione tradizionale del display a campo luminoso, schermo LCD/LED, conserva solo le informazioni geometriche e le informazioni sul colore del punto di intersezione in cui il raggio attraversa lo schermo, ma non conserva le informazioni sulla direzione del raggio. Lo schermo è diffusamente riflettente e tutti i raggi emessi da un certo punto sullo schermo sono dello stesso colore, mentre la visualizzazione a campo luminoso richiede che i diversi raggi che partono dallo stesso punto abbiano colori diversi, come mostrato nella FIG18. La tecnologia alla base di Magic Leap è la visualizzazione a campo luminoso.

Figura 18. Confronto delle modalità di visualizzazione: l'immagine a sinistra è uno schermo tradizionale, in cui tutti i raggi che passano attraverso un punto sono dello stesso colore; l'immagine a destra è un display a campo luminoso, in cui i diversi raggi che attraversano un punto hanno colori diversi.

Display a campo luminoso della USC La University of Southern California ha proposto e prodotto un dispositivo di visualizzazione a campo luminoso, come mostrato nelle Figure 19 e 20. C'è una vetrina con quattro lati che trasmettono la luce. Al centro del mobile c'è uno specchio con un angolo di 45 gradi rispetto al piano orizzontale. Nella parte superiore del mobile è installato un proiettore ad alta velocità. Il proiettore proietta verticalmente verso il basso e la luce viene riflessa dallo specchio e poi emessa orizzontalmente. Contemporaneamente lo specchio ruota ad alta velocità. Una testa trasparente e spettrale era sospesa nell'aria. Mentre camminavamo intorno alla credenza, potevamo vedere tutti i lati della testa, che ci ammiccava.

Figura 19. Display luminoso dell'USC, una testa umana fluttuante.

Figura 20. Display USC Light Field per sistema di teleconferenza.

Figura 21. Disegno del brevetto del display USC Light Field.

La FIG21 mostra il principio di questo strumento di visualizzazione del campo luminoso. Lo specchio inclinato di 45 gradi (114) viene azionato per ruotare dal motore (115) e il processore grafico (130) genera un'immagine e la trasmette al proiettore ad alta velocità (120). Il proiettore proietta l'immagine sullo specchio, che viene poi riflessa e proiettata orizzontalmente in tutte le direzioni. In questo modo, dopo un rigoroso controllo di sincronizzazione, visualizziamo un campo luminoso tridimensionale. Il dispositivo è ingombrante e costoso e lo specchio rotante ad alta velocità rende il sistema meno stabile. Qualsiasi vibrazione meccanica influirà sull'effetto di visualizzazione del campo luminoso.

Magic Leap Light Field Display - Spiegazione della torcia elettrica La tecnologia di base di Magic Leap è uno speciale dispositivo di visualizzazione del campo luminoso: il proiettore a fibra ottica. Il laser si propaga nella fibra ottica e viene emesso dalla porta in fibra, con la direzione di uscita tangente alla fibra. Modificando la forma della fibra nello spazio tridimensionale, in particolare modificando la direzione tangente all'estremità della fibra, possiamo controllare la direzione dell'emissione laser. È come se tenessimo in mano una torcia e cambiassimo la direzione del fascio luminoso in uscita cambiando la posizione e la direzione della torcia. Se scuotiamo rapidamente i polsi, il raggio di luce della torcia disegna un cono nell'aria, che a sua volta colpisce un muro formando un cerchio. Modificando rapidamente l'ampiezza del movimento del polso, possiamo controllare il raggio del cerchio, ottenendo così una serie di cerchi concentrici che ricoprono un disco. Se il colore del fascio luminoso della torcia cambia, abbiamo disegnato un disco colorato sul muro. Quindi, agitando rapidamente una torcia elettrica, otteniamo un'immagine, o sovrapposizione di raggi. Supponiamo che ci siano molte persone in piedi in diverse posizioni nello spazio e che ognuna di loro agiti una torcia: in questo caso otteniamo un campo luminoso. Ecco come funziona il dispositivo di visualizzazione del campo luminoso di Magic Leap: un proiettore a fibra ottica.

Figura 22. La torcia di Magic Leap.

FIG22 mostra la torcia di Magic Leap. L'attuatore (206) è equivalente al polso umano e la fibra ottica (208) è equivalente alla torcia elettrica. L'attuatore fa vibrare periodicamente la punta della fibra, che disegna a spirale una serie di cerchi concentrici. Il laser viene emesso attraverso il sistema di lenti, disegnando un gruppo di raggi nell'aria. La proiezione sul piano illumina un disco. Modificando in modo sincrono il colore e l'intensità di una fibra, si ottiene un'immagine utilizzando la tecnologia time-sharing, come mostrato nella Figura 23.

Figura 23. Una fibra produce un'immagine utilizzando la tecnologia time-sharing.

Nel proiettore di luce a fibre ottiche di Magic Leap ci sono molte fibre ottiche assemblate in una matrice bidimensionale. Ogni fibra equivale a una macchina fotografica a foro stenopeico e la matrice bidimensionale della telecamera genera un campo luminoso.

Vantaggi della visualizzazione a campo luminoso Rispetto alla visione stereo binoculare, la visualizzazione a campo luminoso presenta numerosi vantaggi. Gli esseri umani possono ottenere informazioni tridimensionali sulla profondità in due modi: "forma da stereo" e "forma da messa a fuoco". Utilizziamo due occhi per vedere lo stesso oggetto e lo stesso punto nello spazio tridimensionale viene proiettato su pixel diversi sulla retina sinistra e destra. Il nostro cervello umano può utilizzare i pixel sulla retina per calcolare inversamente i raggi spaziali corrispondenti, ottenendo così l'intersezione dei due raggi e ricavando informazioni sulla profondità. Questo processo è chiamato "forma da stereo". Quando ciascuno dei nostri occhi guarda un oggetto, il cervello regola automaticamente la curvatura del cristallino in modo che l'oggetto venga visualizzato chiaramente sulla retina. Regolando la tensione dei muscoli del cristallino, il cervello riesce a calcolare la profondità degli oggetti, la cosiddetta "forma a partire dalla messa a fuoco". Quando abbiamo guardato la versione 3D di "Avatar", abbiamo utilizzato solo "forma da stereo". La lunghezza focale degli occhi era sempre fissa perché la distanza tra gli occhi e lo schermo non cambiava, quindi non c'era alcun processo di "forma dalla messa a fuoco". Tuttavia, dopo un lungo periodo di evoluzione umana, questi due processi sono diventati naturalmente strettamente collegati. Se li separi artificialmente, la gente sarà frastornata. Al contrario, se utilizziamo la tecnologia di visualizzazione a campo luminoso, abbiamo bisogno sia della "forma da stereo" che della "forma da messa a fuoco" allo stesso tempo, quindi non ti sentirai stordito durante la visione. La tecnologia di visualizzazione a campo luminoso è più naturale e salutare.

Le sfide dei display a campo luminoso Essendo l'inizio di una rivoluzione, la tecnologia di Magic Leap deve affrontare numerose sfide. La spiegazione più diretta è questa: la tecnologia di visualizzazione tradizionale deve calcolare solo una fetta bidimensionale nel campo luminoso quadridimensionale, mentre la visualizzazione del campo luminoso deve calcolare l'intero campo luminoso quadridimensionale e la sua complessità computazionale aumenta di diversi ordini di grandezza. Questo è uno dei colli di bottiglia tecnici. Allo stesso tempo, è necessaria una tecnologia incredibile anche per un controllo preciso dei componenti meccanici, in modo che ogni fibra vibri in modo stabile e naturale, che il modello di vibrazione sia sincronizzato con la trasmissione dei dati e che la vibrazione non sia influenzata da rumori esterni.

Sono trascorsi vent'anni da quando il concetto di campo luminoso olografico digitale è stato proposto alla frenesia di investimenti di Magic Leap, e la storia dello sviluppo della tecnologia olografica digitale è ancora più lunga. Il campo luminoso è essenzialmente ottica geometrica, mentre l'olografia digitale è ottica ondulatoria. Attualmente la tecnologia olografica digitale sta diventando sempre più matura. Con l'invenzione del laser blu, è diventata possibile la tecnologia olografica digitale a colori. Gli attuali colli di bottiglia nello sviluppo sono: innanzitutto, la quantità di calcoli è enorme e supera di gran lunga il calcolo del campo luminoso; in secondo luogo, il display olografico digitale richiede un tipo speciale di cristallo e l'indice di rifrazione di ciascun pixel può essere controllato dalla tensione. Attualmente, tali ottiche sono ancora costose e di piccole dimensioni. Riteniamo che, man mano che la tecnologia basata sui campi luminosi verrà ampiamente accettata, anche l'olografia digitale si svilupperà rapidamente.

Ispirazione dalla tecnologia dei campi luminosi Lo sviluppo storico della tecnologia dei campi luminosi ci mostra che le rivoluzioni tecnologiche dirompenti spesso hanno origine dalla scienza di base e dal mondo accademico non commerciale. Spesso ci vogliono decenni prima che un prodotto maturi in ambito accademico e diventi una forza da non sottovalutare nel mondo degli affari. La svolta tecnologica di Magic Leap deriva dall'impiego della tecnologia endoscopica, che dimostra l'importanza della ricerca scientifica transfrontaliera.

Non vedo l'ora che arrivi il giorno in cui i film per la TV saranno girati con telecamere a campo luminoso e gli spettatori potranno scegliere dinamicamente l'angolazione di visione a loro piacimento. Forse dovremo aspettare altri vent'anni per arrivare a questo giorno, o forse ci vorranno solo tre o cinque anni. Credo che nel prossimo futuro tutte le foto su Taobao saranno sostituite da foto a campo luminoso e il casco Magic Leap diventerà l'equipaggiamento standard di ogni acquirente online. ( Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta in "Lao Gu Talks Geometry" ed è riprodotto con il permesso dell'autore.)

Vincitore del Qingyun Plan di Toutiao e del Bai+ Plan di Baijiahao, del Baidu Digital Author of the Year 2019, del Baijiahao's Most Popular Author in the Technology Field, del Sogou Technology and Culture Author 2019 e del Baijiahao Quarterly Influential Creator 2021, ha vinto numerosi premi, tra cui il Sohu Best Industry Media Person 2013, il China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, il Guangmang Experience Award 2015, il China New Media Entrepreneurship Competition Finals 2015 e il Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.