マジックリープのコア技術が明らかに

図 12. スタンフォードのライトフィールド カメラ: 16x8 マルチカメラ アレイ。

デジタルカメラ技術が成熟するにつれて、ピンホールカメラはますます小型化され、高密度に統合できるようになり、ライトフィールドカメラのサイズも縮小しています。ただし、図 13 に示すように、レンズのサイズを小さくすることはできません。

図 13. スタンフォード ライト フィールド カメラ: カメラ アレイ。

本当のブレークスルーはバイオミミクリーから生まれました。多くの昆虫は光場情報を取得する複眼を持っています。

図14. 昆虫の複眼：ライトフィールドカメラ。

人間は昆虫を模倣して、図 15 に示すように、大きなレンズの上に数十個の小さなレンズを統合した複眼に似たレンズを作成しました。光学技術の向上により、プラスチックフィルム上に何千もの小さなレンズが組み込まれました。このアイデアに基づいて、スタンフォード大学の博士課程の学生である Wu Ren 氏がライトフィールドカメラ会社 Lytro を設立しました。

図 15. Adob​​e が作成した人工複眼のプロトタイプ。

従来のカメラでは、写真を撮る前に焦点を合わせる必要があります。 Lytro カメラのスローガンは、「まず写真を撮り、後でフォーカスする」です。 Lytro カメラで取得されたライト フィールド情報により、ユーザーは 4D ライト フィールドからさまざまな角度と深さの 4D 写真を合成できます。

図16. Lytro カメラ。

図 17 に示すような結婚式の写真: 同じライト フィールド写真で、カメラに近い新郎に焦点を合わせることができます。カメラから遠く離れた花嫁にも焦点を合わせることができます。

図 17. Lytro の結婚式の写真: 同じライト フィールド写真でも、さまざまな領域に焦点を合わせることができます。左のフレーム、新郎に焦点を合わせます。右のフレームでは、花嫁に焦点を合わせます。

ライトフィールドディスプレイ、スクリーン、LCD/LED の従来の表示方法では、光線がスクリーンを通過する交差点の幾何学情報と色情報のみが保持され、光線の方向情報は保持されません。スクリーンは拡散反射性であり、スクリーン上の特定の点から放射されるすべての光線は同じ色であるが、ライトフィールドディスプレイでは、図18に示すように、同じ点から放射される異なる光線は異なる色を有する必要がある。ライトフィールドディスプレイは、Magic Leap のコアテクノロジーです。

図 18. 表示モードの比較: 左の画像は従来の画面で、1 つの点を通過するすべての光線が同じ色です。右の写真はライトフィールド表示で、ある点を通過する異なる光線は異なる色になります。

USC のライト フィールド ディスプレイ 南カリフォルニア大学は、図 19 および 20 に示すように、ライト フィールド ディスプレイ デバイスを提案し、製造しました。4 つの光透過面を持つガラス キャビネットがあります。キャビネットの中央には、水平面に対して 45 度の角度の鏡があります。キャビネット上部に高速プロジェクターを搭載。プロジェクターは垂直下向きに投影し、光はミラーで反射されて水平に放射されます。同時にミラーも高速回転します。幽霊のような透明な頭が空中に浮かんでいた。私たちがキャビネットの周りを歩いていると、頭のすべての側面が見え、頭が私たちにウインクしました。

図 19. USC ライト フィールド ディスプレイ、浮遊する人間の頭部。

図 20. テレビ会議システム用の USC ライトフィールドディスプレイ。

図 21. USC ライト フィールド ディスプレイの特許図。

図21はこの光場表示機器の原理を示しています。 ４５度傾斜ミラー（１１４）はモータ（１１５）によって回転駆動され、グラフィックプロセッサ（１３０）は画像を生成して高速プロジェクタ（１２０）に送信する。プロジェクターは鏡に画像を投影し、その画像は反射されて全方向に水平に投影されます。このようにして、厳密な同期制御を経て、3次元の光場を表示します。この装置は大きくて高価であり、高速回転ミラーによりシステムの安定性が低下します。機械的な振動はライトフィールドの表示効果に影響を与えます。

Magic Leap ライト フィールド ディスプレイ - 懐中電灯の説明 Magic Leap のコア技術は、特殊なライト フィールド ディスプレイ デバイスであるファイバー オプティック プロジェクターです。レーザーは光ファイバー内を伝播し、ファイバーポートから放射され、出力方向はファイバーに対して接線方向になります。 3次元空間でファイバーの形状を変えることで、特にファイバー端の接線方向を変えることで、レーザーの放射方向を制御することができます。これは、懐中電灯を持ち、懐中電灯の位置と方向を変えることで出力される光線の方向を変えるのと同じです。手首を素早く振ると、懐中電灯の光線が空中に円錐を描き、この円錐が壁に当たって円を形成します。手首の振動の振幅を素早く変化させることで、円の半径を制御し、ディスクを覆う一連の同心円を得ることができます。懐中電灯の光線の色が変わると、壁に色付きの円盤が描かれます。したがって、懐中電灯を素早く振ることで、画像、つまり光線のオーバーレイが得られます。多くの人がさまざまな空間位置に立っていて、それぞれが懐中電灯を振ると、ライトフィールドが生成されます。 Magic Leap のライト フィールド ディスプレイ デバイス (光ファイバー プロジェクター) はこのように動作します。

図 22. Magic Leap の懐中電灯。

図22はMagic Leapの懐中電灯を示しています。アクチュエータ（２０６）は人間の手首に相当し、光ファイバ（２０８）は懐中電灯に相当する。アクチュエータはファイバーの先端を周期的に振動させ、ファイバーの先端は螺旋状に一連の同心円を描きます。レーザーはレンズシステムを通して出力され、空気中に光線のクラスターを描きます。平面への投影によりディスクが照らされます。図 23 に示すように、ファイバーの色と強度を同期的に変更することで、タイムシェアリング技術を使用して画像が取得されます。

図 23. タイムシェアリング技術を使用して 1 本のファイバーが 1 つの画像を生成します。

Magic Leap のファイバー光プロジェクターには、2 次元アレイに組み立てられた多数の光ファイバーがあります。各ファイバーはピンホールカメラに相当し、2 次元カメラアレイは光場を生成します。

ライト フィールド ディスプレイの利点 両眼立体視と比較して、ライト フィールド ディスプレイには多くの利点があります。人間が3次元の奥行き情報を取得する方法は、「ステレオからの形状」と「フォーカスからの形状」の2つがあります。私たちは同じ物体を見るために 2 つの目を使い、3 次元空間内の同じ点が左と右の網膜の異なるピクセルに投影されます。人間の脳は網膜上のピクセルを使用して対応する空間光線を逆算し、2 つの光線の交差を取得して深度情報を取得できます。このプロセスは「ステレオからの形状」と呼ばれます。私たちの目が物体を見ると、脳は自動的に目の水晶体の曲率を調整し、その物体が網膜上に鮮明に映し出されるようにします。水晶体の筋肉の緊張を調整することで、脳は物体の奥行き、いわゆる「焦点からの形状」を計算できるようになります。 『アバター』の3D版を観る時は「立体からの形状」のみ使用しました。目からスクリーンまでの距離は変化しないため、目の焦点距離は常に固定されており、「焦点から形状」のプロセスはありませんでした。しかし、人類の長い進化の過程を経て、これら 2 つのプロセスは自然に密接に結びつくようになりました。人工的に分離すると、人々はめまいを起こします。逆に、ライトフィールドディスプレイ技術を使用する場合、「立体からの形状」と「焦点からの形状」の両方が同時に必要になるため、視聴時にめまいを感じることはありません。ライトフィールドディスプレイ技術はより自然で健康的です。

ライト フィールド ディスプレイの課題 革命の始まりとして、Magic Leap のテクノロジーは多くの課題に直面しています。最も直接的なのは、従来のディスプレイ技術では 4 次元ライトフィールド内の 2 次元スライスを計算するだけで済むのに対し、ライトフィールドディスプレイでは 4 次元ライトフィールド全体を計算する必要があり、計算の複雑さが数桁増加することです。これは技術的なボトルネックの 1 つです。同時に、各ファイバーが安定して自然に振動し、振動パターンがデータ伝送と同期し、振動が外部ノイズの影響を受けないように機械部品を精密に制御することも、驚くべき技術を必要とします。

デジタルホログラフィックライトフィールドの概念がMagic Leapの投資熱に提案されてから20年が経ち、デジタルホログラフィック技術の開発の歴史はさらに長い。ライトフィールドは本質的に幾何光学ですが、デジタルホログラフィーは波動光学です。現在、デジタルホログラフィック技術はますます成熟しつつあります。青色レーザーの発明により、カラーデジタルホログラフィック技術が可能になりました。現在の開発におけるボトルネックとしては、まず計算量が膨大で、ライトフィールド計算をはるかに超えていることです。第二に、デジタルホログラフィックディスプレイには特殊な種類の結晶が必要であり、各ピクセルの屈折率は電圧によって制御できます。現時点では、このような光学系は依然として高価で、サイズも小さいです。ライトフィールド技術がより広く受け入れられるようになるにつれて、デジタルホログラフィーも急速に発展すると考えています。

ライトフィールド技術からのインスピレーション ライトフィールド技術の歴史的発展は、破壊的な技術革命が基礎科学や非営利の学術界から生まれることが多いことを示しています。製品が学術界で成熟し、ビジネスの世界で一目置かれる存在になるまでには、数十年かかることがよくあります。 Magic Leap の技術的ブレークスルーは内視鏡技術の活用によるもので、国境を越えた科学研究の重要性を示しています。

テレビ映画がライトフィールドカメラで撮影され、視聴者が自由に視聴角度を動的に選択できるようになる日を楽しみにしています。この日が来るまであと20年待たなければならないかもしれないし、3～5年で済むかもしれない。近い将来、Taobao 上のすべての写真がライトフィールド写真に置き換えられ、Magic Leap ヘルメットがすべてのオンライン ショッピングの標準装備になると思います。 （この記事は「Lao Gu Talks Geometry」に最初に掲載され、著者の許可を得て転載されています。）

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。