寫(xiě)在前面

最近幾年互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，相信大家對(duì)AR也不能并不陌生了，并且國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的AR眼鏡廠商魚(yú)龍混雜，真正成熟的可應(yīng)用于真實(shí)場(chǎng)景的AR眼鏡設(shè)備少之又少；

可能你會(huì)提問(wèn)，為什么可用的AR眼鏡少之又少？

來(lái)來(lái)來(lái)，接下來(lái)讓你像你了解手機(jī)一樣認(rèn)識(shí)下AR眼鏡的技術(shù)構(gòu)造。

在了解AR眼鏡之前，你得先知道什么是“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，用很官方的語(yǔ)言就是：真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間同時(shí)存在。讀完這句話你可能會(huì)想象到之前看到的科幻電影里的情景，其實(shí)差不多是那個(gè)意思。再來(lái)一張草圖你可能會(huì)更清楚。

按照我的官方描述就是：你帶上AR眼鏡不僅能看到虛擬物體，也能看到你周圍的真實(shí)環(huán)境。

好了，了解完什么是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，我們就可以真正去打開(kāi)AR眼鏡的知識(shí)世界了。

先來(lái)個(gè)AR眼鏡的構(gòu)造圖，想必會(huì)讓你從整體上對(duì)AR眼鏡有個(gè)初步的定位。

AR眼鏡的構(gòu)造

AR眼鏡主要分為四大模塊：攝像頭、CPU處理中心、光學(xué)模組、架托；

攝像頭

AR眼鏡上一般會(huì)存在多個(gè)攝像頭，并且每個(gè)攝像頭之間的分工是不一樣的，主要功能有三方面，一是用于提供基于視覺(jué)的跟蹤定位（SLAM）的圖像采集，二是進(jìn)行交互手勢(shì)識(shí)別，三是日常的拍照和錄像；

這里重點(diǎn)講解下什么是SLAM，大家百度之后的官方解說(shuō)是“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位”，SLAM應(yīng)用的場(chǎng)景有很多，比如自動(dòng)駕駛、AR/VR、機(jī)器人、三維重建等；其框架主要分為：

其工作流程大致為：

傳感器讀取數(shù)據(jù)后，視覺(jué)里程計(jì)估計(jì)兩個(gè)時(shí)刻的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（Ego-motion），后端處理視覺(jué)里程計(jì)估計(jì)結(jié)果的累積誤差，建圖則根據(jù)前端與后端得到的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)建立地圖，回環(huán)檢測(cè)考慮了同一場(chǎng)景不同時(shí)刻的圖像，提供了空間上約束來(lái)消除累積誤差。

那么SLAM在AR眼鏡中怎么工作的呢？首先是通過(guò)深度攝像頭將你視角內(nèi)的環(huán)境傳遞給AR眼鏡，SLAM通過(guò)圖像識(shí)別、定位分析與AI計(jì)算，將當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行三維重建，構(gòu)造一個(gè)三維真實(shí)世界，以增強(qiáng)AR眼鏡對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中相互作用的理解能力，為AR眼鏡賦予了復(fù)雜環(huán)境感知力和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景適應(yīng)力。再明白點(diǎn)就是，你知道這個(gè)是堵墻，不能過(guò)去，AR眼鏡也知道這個(gè)物體不能穿透過(guò)去。

關(guān)于SLAM更深層的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，就比較深入了，涉及各種算法，在這里就不詳細(xì)敘述了，大家可以自行百度了解。

核心交互

手勢(shì)交互、語(yǔ)音交互、眼球追蹤等，裸手交互有望成為AR的核心交互方式之一，微軟的HoloLens2，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裸手交互，但是國(guó)內(nèi)AR眼鏡普遍采用的還是隔空敲物的交互方式，通過(guò)識(shí)別指定的手勢(shì)對(duì)眼前的虛擬物體進(jìn)行交互操作，目前市場(chǎng)上AR眼鏡最常用的手勢(shì)為兩種分別是確定和返回兩個(gè)手勢(shì)；這也是AR眼鏡解放雙手的優(yōu)勢(shì)所在。

確定手勢(shì)  

                                                                                                返回手勢(shì)

CPU處理大腦

作為AR眼鏡的大腦所處理的圖像和數(shù)據(jù)分為以下幾個(gè)方面：

（1）AI：從AR的輸入、虛實(shí)融合和輸出，整個(gè)一條鏈都需要AI的支持。

（2）云計(jì)算和大數(shù)據(jù)：由于AR結(jié)合的是現(xiàn)實(shí)，所以它的計(jì)算量和數(shù)據(jù)量會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升，它的發(fā)展也離不開(kāi)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的支持。

（3）計(jì)算機(jī)視覺(jué)：比之于PC和手機(jī)，AR的本質(zhì)是信息呈現(xiàn)方式的升級(jí)，由二維升級(jí)到三維。不管是AR的輸入，還是輸出，都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

（4）核心的交互技術(shù)：包括手勢(shì)交互、語(yǔ)音交互、眼球追蹤等。目前來(lái)看，裸手交互有望成為AR的核心交互方式之一。典型公司：leap motion、科大訊飛等

（5）操作系統(tǒng)：AR要成為下一代計(jì)算平臺(tái)，就必須有自己的操作系統(tǒng)，就像windows之于PC，ios/安卓之于手機(jī)一樣。操作系統(tǒng)的好處就在于給產(chǎn)業(yè)上下游一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利于行業(yè)發(fā)展。典型公司：微軟、谷歌。

光學(xué)模組

主要負(fù)責(zé)AR眼鏡的成像工作，AR不同于VR，雖然它們的近眼顯示系統(tǒng)都是將顯示器上的像素，通過(guò)一系列光學(xué)成像元件形成遠(yuǎn)處的虛像并投射到人眼中。不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實(shí)的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個(gè)或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過(guò)“層疊”的形式， 將虛擬信息和真實(shí)場(chǎng)景融為一體，互相補(bǔ)充，互相“增強(qiáng)”。這也是AR眼鏡的一個(gè)難點(diǎn)所在；

目前市場(chǎng)上主流的AR設(shè)備基本都采用光波導(dǎo)光學(xué)方案，光波導(dǎo)是引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置，又稱介質(zhì)光波導(dǎo)，光波導(dǎo)的材質(zhì)輕薄，中間層薄度可達(dá)1-10微米，并且對(duì)于外界光線的穿透特性極高，因此被認(rèn)為是消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的必選光學(xué)方案，價(jià)格自然而然也就上去 。

目前隨著市場(chǎng)上的主流AR眼鏡HoloLens2、Magic Leap One等對(duì)光波導(dǎo)技術(shù)的采用和設(shè)備量產(chǎn)，以及AR光學(xué)模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等行業(yè)技術(shù)不斷升級(jí)，國(guó)內(nèi)更多的AR眼鏡制造廠紛紛采用了光波導(dǎo)技術(shù)方案。

AR設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成。概括來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)上的AR眼鏡采用的顯示系統(tǒng)就是各種微型顯示屏和棱鏡、自由曲面、BirdBath、光波導(dǎo)等光學(xué)元件的組合，其中光學(xué)組合器的不同，是區(qū)分AR顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

微型顯示屏，用來(lái)為設(shè)備提供顯示內(nèi)容。它可以是自發(fā)光的有源器件，比如發(fā)光二極管面板像micro-OLED和現(xiàn)在很熱門(mén)的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，還有基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的數(shù)字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。

目前市面上的AR光學(xué)顯示系統(tǒng)的分類和產(chǎn)品有：

那么通過(guò)光波導(dǎo)怎么去實(shí)現(xiàn)所謂的既要看到真實(shí)的外部世界，也要看到虛擬信息的這個(gè)需求呢？

在AR眼鏡中，最重要的就是“全反射”，即光無(wú)論通過(guò)任何角度投射進(jìn)來(lái)，都要完全反射，做到光在傳輸?shù)倪^(guò)程中無(wú)損失無(wú)泄漏；那么想完成這個(gè)，需要滿足兩個(gè)條件：

(1) 傳輸介質(zhì)比周圍介質(zhì)高的折射率(如圖2所示n1> n2);

(2) 入射角需要大于臨界角γc。

光機(jī)完成成像過(guò)程后，波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中，通過(guò)“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜?lái)。這個(gè)過(guò)程中波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸圖像，是獨(dú)立于成像系統(tǒng)而存在的一個(gè)單獨(dú)元件。

關(guān)于更多深層次的光波導(dǎo)的技術(shù)原理，在本文就不詳細(xì)解說(shuō)了，想繼續(xù)了解的朋友可以網(wǎng)上搜一下，有很多的。

總結(jié)

目前市場(chǎng)上微軟的HoloLens2無(wú)論在交互、SLAM定位、三維數(shù)據(jù)處理、散熱等表現(xiàn)是非常好的，但是由于操作系統(tǒng)的限制和價(jià)格的高昂，在我了解的工業(yè)行業(yè)使用的不是很多；國(guó)內(nèi)AR眼鏡做的比較好的有聯(lián)想的晨星AR-G2、影創(chuàng)action one、亮風(fēng)臺(tái)的AIARG200等；國(guó)內(nèi)眼鏡的設(shè)計(jì)大多將處理中心與眼鏡分離，以保證處理中心的數(shù)據(jù)處理能力、續(xù)航能力和散熱能力，這樣做的比較好的一點(diǎn)就是減輕頭部的重量；但是缺點(diǎn)就是通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，在工人作業(yè)過(guò)程中避免不了掛到，接頭接觸不良情況發(fā)生。

關(guān)于市面上AR眼鏡的詳細(xì)解析，我們放在下部進(jìn)行詳細(xì)解說(shuō)，歡迎大家及時(shí)關(guān)注了解！