我无法体验谷歌ar眼镜,所以我必须自己修复一个

首先需要(也许不止)一台报废的 HoloLeNS

大概五六年前,朋友借给我一台首发版的 HoloLens,那种体验至今念念不忘。

HoloLens

HoloLens 是微软公司开发的一种 MR 头显。眼镜将会追踪你的移动和视线,进而生成适当的虚拟对象,通过光线投射到你的眼中。因为设备知道你的方位,你可以通过手势,比如半空中抬起,放下手指点击与虚拟 3D 对象交互。

我记得开启 RoboRaid 后,没等反应过来,奇形怪状的外星机器人接连“穿破”我家墙壁,对我发起攻击。跟着游戏声音提示,我不断改变攻击方向,然后像灭霸一样,“打个响指”。

HoloLens 游戏体验丨作者供图

这些机器人“建模”并不精致,不过重在“真实感”。我清楚记得游戏结束后,我去摸了摸墙,检查是不是真的炸开了洞。即便是几年前的游戏体验视频,拿到今天翻看时,依然觉得毫不逊色。

比起当时的 Google Glass 等有一个用来显示的“虚拟屏幕”,HoloLens 创造一种融合于真实环境的 3D 全息影像,而且双目成像,比单目(Google Glass 2D 画面)的融合程度更高。根据真实环境,生成游戏场景,“真实”到近大远小,相互遮挡,人与场景产生交互。不过国内一度炒到 7 万的高价,彻底斩断我的念头。

两年之后,我偶然在闲鱼上看到 HoloLens 的“报废机”,大概在 400 元左右。灵机一动,便买了一台回来,“搓搓手”准备对其修复。

算是运气好,拆解下来发现核心部件(cpu,内存颗粒等主要的几个芯片)并未损坏,内部破损位置主要是电路,可以通过飞线修复(将电路板上的两个断点直接用电线接通的一种方法)。

可惜镜片碎了,但因为 HoloLens 光机镜片是“模块化设计”,我只需要替换光机镜片即可(是的,我又买了一台镜片完好的报废 HoloLens,也差不多 400 元)。

屏幕,和“模块化”的光学模组丨作者供图

起初我以为镜片装上就了事,第一次装上去画面是虚的,拆下来,第二次装上去双眼画面一边高一边低,拆下来……不断校准调试的过程中,那副好的镜片因为反复拆卸也出现了损伤,我差点放弃。

修复好的HoloLens,没装外壳丨作者供图

好在开机的一瞬间,初玩 HoloLens 的感觉又回来了。更为珍贵的是,我在修复的过程中,对于光波导镜片的成像机制有了一定了解,为后来起了铺垫。

既然叫眼镜,光学元件是关键

智能眼镜被普遍认为是“下一代计算平台”,应该作为一款提升效率的工具,满足翻译、导航等日常需求(这也是很多厂商近来努力的方向)。“日常”意味着不能太大、便携,这也是我做智能眼镜的初衷。

构成一款 AR 设备主要由两部分构成,处理芯片和光机模组。后者往往是区别不同 AR 眼镜产品的关键。市面上 AR 眼镜的光机模组结构主要分三部分,直白一点,他们分别起到的作用是,画面投射、放大、画面反射

画面投射是指需要一个成像的屏幕本体。放大是指放大画面尺寸。所谓画面反射,就是利用不同的光学技术(例如 Google 的棱镜、HoloLens 的光波导镜片),进行反射,折射或衍射,最终在视网膜上成像

比如 Google Glass 通过投影到带有切割反射面的小棱镜上成像。光波导在尺寸和视角上有很大的改进。要想提高“光学效率”,光在传输的过程中减小损失,“全反射”是关键,即光在波导中通过来回反射前进(像只游蛇一样)而并不会透射出来。

不同光学技术原理丨华创证券

第一次尝试,用 HoloLens 拆卸下来的光波导镜片进行制作。另外符合前两者的设备,大家想必也能猜出来,就是常见的投影机。随后我买了现成迷你投影机,处理终端采用的是树莓派,做成第一台样机。缺点是投影机体积大,费电,满足不了作为移动设备的需求。

做出的第一版体积很大丨作者供图

以我当时的个人能力,自制一台足够小的投影光机不大现实。不过我的思路逐渐清晰——为了控制制作难度,我选取的“原材料”尽可能多覆盖上述三个功能,HoloLens 的光波导镜片,与传统光学器件无异,仅起到“改变光线传播方向”的作用

于是我放弃用 HoloLens 镜片来做一台的想法,采用更加合适且能缩小体积的配件。

我找来一台报废的“爱普生 BT200”的光学组件(老规矩——拆!),它的画面反射结构和光学放大结构是做在一起的,拿来改装只需要更换内部的成像(说白了换个屏幕)。BT200 用自由曲面的光学技术,规避了光波导采用的那种结构复杂的光机,相对容易改装。

我把 BT200 的屏幕拆出,替换成 HDMI(可输入信号成像)的 OLED 屏幕,连接树莓派终端机做成了第一个“智能眼镜”。

BT200 版的眼镜,后来我在下面加了 3.5mm 的耳机接口丨作者供图

第三次尝试,我打算开发一个更好的版本,花了 4500 买了商用的阵列光波导模组。接下来的日子,我尝试用它看《动物世界》,打《动物森友会》…… 通过 HDMI,将游戏画面“投”到我的眼前,坐着玩,躺着玩,不再担心 NS 砸到脸上

用眼镜看视频,抛除拍摄因素,画面质量不错丨作者供图

带上自制的炫酷“眼镜”,看流浪猫

总的来说,画面质量让我满意。然后我就想“单纯屏幕”外,能不能实现更多?

我增加 USB 作为扩展口,兼容之后设计的模组。基于树莓派 Linux 系统,我写了一些应用程序,对应应用程序外接不同模组。现实问题很快出现了。起初我并没有设想好,将眼镜最终做成什么样,当我想中途加减(功能),改动就不容易。功能多,意味着配件和关联性多,眼镜本身就没多少空间可容纳

以至于最后我只做了一个用于“识别探测(生命体)”的应用程序,结果当时采用的树莓派只有 USB2.0 接口导致配件供电不足,设备带不动探测器的头。延伸眼镜功能的想法几乎失败。

但我不想中断这一过程。既然做不了“超级赛亚人”,我准备将“识别探测”功能,单拎出来做成“瞄具”。(因为这一功能在眼镜上出现很多问题,无法进一步完善。涉及到后续“瞄具”申请专利,不多讲。)

改成瞄具丨作者供图

简单来说,“瞄具”基于热成像结合图像算法实现对环境增强,具备一定的夜视性能,热成像功能比如穿透烟雾、对带有特定热源的物体进行探测(可用于快速搜索有生目标)

我最开始用普通摄像头,但是基于可见光的摄像头在低光照环境下效果非常不理想,增加额外照明就背离便携和低功耗的初衷。后来尝试热成像,因为不依赖可见光成像,且具备一定的画面抗干扰能力,强光爆闪对热成像完全“无效”。

做成瞄具的一个原因在于我也算半个军事爱好者。基本设计延续了之前眼镜的理念,想为眼镜版本暴露出的诸多问题寻找解决办法。

其中最大的一个问题是功耗。改进的眼镜相比初代“HoloLens 版本”已经低了一大截,但树莓派工艺一般,功耗控制并不算优秀,使用内置电池的话,2000 毫安预计能撑 30 多分钟。能想象“小玩意”挂一个 1-2 万毫安的充电宝吗?

其次是树莓派带来的高温问题,会影响长时间佩戴的体验。外加这一次改进的(瞄具)版本,个人并不需要视频等多媒体功能,降低功耗、发热是首要目标。所以替换了原以树莓派为主的驱动方案,采用 STM32 的低功耗方案,还升级了配件性能,持续运行时间增加到了 7 小时左右。

疫情期间不常出门,无聊时我就用瞄具看看窗外,“探测”流浪猫。顺带科普一下,长波热成像是看不到气体的,所以我看不到来往的行人是否放屁

穿透烟雾实验丨作者供图

AR 不是某种“特定设备”,而是一种增强现实环境的技术。HoloLens 的“环境扫描”是基于 SLAM(即使定位与地图构建),扫描环境,并把结果与现实重叠。这台机器目前还做不到。

但它开始履行我对于 AR 眼镜最初的“幻想”——与环境交互。

做到这里,算了算账,我停下了

虽然我试图为 AR 眼镜寻找问题的解决方案,但迭代已经停滞了。原因是制作成本远远超出一个 DIY 范畴,当时一片光波导镜片价格要四千五,而我前前后后更换配件也花了上万块。

厂商开发 AR 眼镜也暴露出一些很难解决的麻烦。第一是待机时长。将 AR 眼镜是下一代计算平台来看,待机时长远达不到手机。待机时长等于使用价值。第二是屏幕亮度,目前只有单色屏幕能在室外使用,彩色屏幕做不到

OPPO Air Glass 发布,有人会问,为什么不是彩色的?答案就是这个。红色、蓝色亮度做不上去,绿色在“三色”同亮度下,功耗是最低的。而且彩色数据量多,占内存更大,耗电量多。由于 OPPO 用的光学技术方案,镜片显示的内容会被别人看得一清二楚。

OPPO Air Glass 显示效果丨图片来自网络

这让我想起,虽然之前 Google Glass 也是彩色屏幕,但是利用低分辨率(640*480),窄视角,小画面的方案解决功耗和待机问题。即便如此,连续使用时长也不超过四小时。相比之下,HoloLens 虽然足够震撼(画面大小赶上电视了),但是为了给大幅画面提升亮度,要用功耗代偿。

我个人认为 Google 当时有好好思考做一款 AR 眼镜,是综合了各种因素的产物。某种程度上,让我对这次 Google I/O 的概念机有了一丝期待。那么,“消费级AR”离我们还有多远呢?也许要看厂商追求 HoloLens 般的“酷炫”,还是做一款“Google Glass”类的产品了。

作者:肖鑫杰

编辑:沈知涵

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