厉害了!这群95后正在用三维成像技术让科幻变成现实

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摘要:2049年我们能拥有一个“虚拟朋友”么? 未来尚不可知,但是现在,我们已经拥有了空中三维成像技术。

《银冀杀手2049》中,虚拟女友乔伊获得了大家的青睐,她美丽、贴心、善解人意,关心着男主的点滴,总能在适当的时候给予鼓励与帮助,陨落前冲上去说我爱你,一个从投影中透射出来的人工智能产品有了灵魂,这也许是未来科技想要到达的。

2049年我们能拥有这样一个“虚拟朋友”么? 未来尚不可知,但是现在,我们已经拥有了空中三维成像技术。 这意味着,我们的视觉方式很快就会发生翻天覆地的变化。打开手机,不管是网购、玩游戏还是刷视频,呈现在我们眼前的图像不再只是手机屏幕上的二维扁平图像,而是有空间感的三维立体图。

听他们自己说

有一群来自北京邮电大学的年轻人经过6年的时间,终于实现了无介质空中成像。观众不需要佩戴任何仪器、眼镜,仅通过裸眼就可看到脱离物理屏幕40厘米以上的三维画面,极具悬浮感、立体感,由教育部组织、权威专家组成的专业委员会评价该技术为全球首创,且核心指标达到国际领先水平。并在第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中拿到了全国总决赛银奖的好成绩。 北京邮电大学的95后团队是如何实现无介质空中成像的?一起来看看他们怎么说吧!

点击查看视频:这群95后,正用三维世界让科幻照进现实!

文可敲代码,武可住工厂

这支平均年龄只有26岁的团队,由北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室的十余位博士、硕士生组成。在本科期间,第一次接触到三维显示,这些年轻人就被眼前的成像效果吸引了,科幻电影中想象的场景与实际生活有了连接,那种视觉所带来的震撼感让他们热血澎湃。

超凡幻境——未来全息光场显示的定义者”这个名字继承自往届前辈们。人们习惯把这项技术和“3D”做对比,但其实两者是完全不同的概念。“全息”在物理上我们把它叫物体的全部信息,比如给一个苹果拍照,普通照片我们能看到它的颜色、亮度等信息,而全息影像可以从手机上、平板电脑上“跳”出来,看到一个特别逼真的苹果浮现在眼前,前后左右能看到各个维度的立体影像,就是物体的全部信息。全息可以不借助任何VR眼镜、3D眼镜等辅助设备,仅靠技术呈现,将图像飞离显示屏幕,裸眼就能看见悬浮在空中的物体。

从2010年开始,导师就带领着学生们研究裸眼显示领域。课题在一代代年轻人的热血中延续,他们一路读研、读博,在三维显示领域花了大量的时间、精力,每天都在研究到底如何能够提高视觉效果,哪怕只是一丁点的进步都能让他们欢呼雀跃很久。 但这群痴迷其中的年轻人们,并没有意识领域的未来性,会导致他们无法找到可以相匹配的硬软件条件,有时只是一个光学元件都能让他们崩溃许久。

为了能够让成像效果更好,每个光学元件都会经过团队反反复复设计、但由于他们技术的前沿性,导致在市场上找不到相应的硬件支持,辛辛苦苦做的设计,往往并不能如愿生产,厂家看过设计后,要么直接拒绝说太难;要么就是加工后,拿到手里发现货不对板。

设备问题不解决,哪怕技术再牛也毫无意义,既然工厂没有办法直接按照设计生产出来,那么他们就与工人一起去打磨,“既然没有人能去做,那我们就跟那些人去联系,我们一起去学。”

为了找到合适的厂家,原本在实验室里搞技术、搞研发的人都跑去了工厂,与工人们一起讨论如何加工,连续找了三十多家工厂后才终于找到了深圳一家工厂。

工厂位于深圳郊区,周边都没有什么其他设施,这群从小没有吃过什么苦头的年轻人,拖着行李开始跟工人同吃同住,与工人一起讨论、研发,将自己的专业理论知识与工人的实操经验相结合。 工厂条件很艰苦,但每次一有新的方案,团队就立马火急火燎赶过去,一待就是20多天。原本陌生的工厂变成了他们的第二个大本营,曾经不熟悉的工人们也打成了一片,还常常互开玩笑,他们说工人个个都身怀绝技,工人感慨他们的发量太过浓密。

每一个光学元件都经过了这般打磨,每一件产品也都是这样慢慢拼接加工出来的,每当看到产品一点点成形,这群年轻人早已忘记在工厂里所吃过的苦头。

正是这般一头扎进行业里的执拗,设备才能落地。

▲设备外观

当前项目取得了阶段性胜利,但仍面临一些挑战——成像设备太大,不够轻巧便携。但相信靠他们这股死磕劲,这一问题终究会被解决,毕竟,在74年前世界上第一台通用计算机“埃尼亚克”,也曾是占地170平方米、重达30吨的庞然大物。‘

万事俱备,巧遇华为

用现在定义未来,这个研发过程远比想象中难,除了设备的生产、打磨之外,还有当前软件局限性带来的重重挑战。 全息光场景课题从2010年开始着手研究,到2016年快速发展,之后保持着每年一次的迭代速度,在分辨率、视角和出屏距离三个重要参数上得到两到三倍的提升。2018年,在技术方案引进的过程中与华为结下了不解之缘,缘分一直延续到现在。在产品更新迭代中,华为提供了很大的帮助。

首先,华为解决了海量数据存储问题。图像要实现三维立体,从采集过程开始,就要比二维图像更加复杂。一个三维物体在图片采集阶段,至少需要五六十台相机全方位的拍摄,这些高清图片叠加在一起就是一个不小的储存量,图片在传输、渲染时也会造成非常大的运算量。

将三维成像与普通电影做对比,大概会在一千倍左右。三维显示展现一张8K图片,需要7680×4320的像素,每个像素有3个子像素,每个子像素分开编码,一共有7680×4320×3,大概是1亿个子像素需要计算。在实验阶段,团队往往要耗费大量的时间来等待程序运行完毕,有时只是渲染一帧图像,就需要一天一夜。

而目前正在研究的3D全息通信技术,需要上传视频或者实时直播,单张图片就有1亿子的运算,而每一秒的视频大概有30帧左右,这样每秒的计算量就是30×1亿,目前团队使用的光线追踪技术,需要发射1亿的光线合成一张图像,速度慢,消耗时间长。

基于华为的海量存储、海量运算的技术,团队开发了一个平台,将它命名为“海量光场数据集成并行渲染平台”,通过平台将8K图片进行区域的拆分,拆成几百个小区域,每一个区域同步计算,这样一来,整个运算效果得到了显著提升,而且每一个区域同步的计算量也比之前使用CPU计算的速度快很多,同时降低渲染时间,达到实拍实时传输,实时显示的状态。相比于自行购买硬件,市面上高性能显卡都极其昂贵,如RTX3090价格超过一万元,使用华为云在经济上也更节省。

分布式光场图像渲染软件平台结合华为云弹性计算的特性,避免了前期的硬件投入,解决高质量光场图像渲染效率低下的难题。通过REST接口对模型数据进行管理和使用,结合华为提供的SQS点对点服务完成了此分布式系统中异步消息的构建,实现了多渲染任务的并行执行。

另外,华为解决了实时动态的问题。比如空气中浮现了一个苹果的三维影像,我们用手去触碰,它能展现出触碰后的形态,旋转或者变形,这个就要求三维数据实时发生变化,引入华为技术之后,帮助团队实现实时数据转化,完全实现实时的交互。

▲人体器官全息再现

2018年,团队与华为共同合作研究全息通信领域。我们目前的通信方式都是二维层面的,脸、身体禁锢在屏幕中,虽然解决了大多数通话需求但未来肯定不仅局限于此,一位远方的母亲是否想要看见孩子立体的脸庞,并触碰到他呢?除了日常通信,会议也逐渐成为人们工作沟通的方式,即使远隔千里,利用技术将对方一颦一笑清晰的呈现在眼前,就像科幻电影里的场景一样,听听就很兴奋。

而不论是全息视频还是全息会议都需要两个基本技术来支撑。第一个技术就是通信,2019年世界进入5G商用元年,华为将5G技术推向了全世界,它带来的不仅仅是速度上的提升,还有万物互联的构建。华为提出了“智能体”概念,以AI为核心,以云为基础,云网边端协同。通过联接、人工智能、云、计算及行业应用的有机协同,构建一个立体感知、全域协同、精准判断、持续进化的开放的智能系统。而5G的发展正好是实现网络无缝覆盖和万物互联的基础。未来将是一个物理世界和数字世界的融合。另外一个就是显示终端,华为在技术上帮助团队传输数据再实时转化成空间的真实人物浮现。目前项目第一期已经结束,团队和华为正在为第二期的研究做准备。

科幻现实化,还远吗

如今,超凡幻境项目成果已经申请国家发明专利21项、授权11项,成功应用到了国家20多个重要单位和企业中,涉及展览、通信、金融等多个领域,用颠覆三维显示的技术同时也颠覆了其他领域的传统应用方式。

北京天文馆里,使用全息光场显示技术展示宇宙中八大行星绕着太阳转的场景,不再是依靠屏幕中的二维图像或3D动画来展示,而是能够用真正的三维图像让人身临其境。

同时,在教育部举办的全球首届世界慕课大会中,超凡幻境项目组被邀请到现场,全球直播展示未来互联网+线上教育的可能性。

对于学习几何、空间的孩子来说,不用再惧怕缺乏想象力而感觉学习吃力、困难。

相信不久的未来,孩子们都能够在学习中直接看到呈现出的几何图像,无须想象,就能看到书本中描绘的物体全貌,这就意味着,未来关于立体、空间等等需要想象的知识,都可以变成我们能够看到的三维立体图像。

而这只是超凡幻境项目未来场景的一个缩影,这群年轻人所做的事情,就是要颠覆大众习以为常的二维视觉方式,用全新的三维视觉改变我们生活的方方面面。目前团队正在与华为联合研发下一代交互式全息视频通信系统,已经取得重大进展。

▲华为将本产品应用到宽带通信业务

这世界终究是靠有追求、有热爱的年轻人在推动,当越来越多的年轻人能把心血都投入到定义未来领域里,那么这个社会定将会飞速发展。

作为一家拥有高端技术和人才的企业,华为一直都在为这样的年轻人提供技术支持、项目帮扶。但从去年开始,华为将不再只限于此,与高校联合培养更多能够定义未来的高端人才。

华为联合教育部,在有关高校建设“智能基座”产教融合协同育人基地,现已在北京大学、清华大学、上海复旦大学、上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等72所高校,把鲲鹏、昇腾系列课程融入计算机专业、软件工程专业、人工智能专业、电子信息专业进行首批试点。

中国的未来看高端技术的发展,高端技术的发展看各大高校的年轻人,现如今,华为带着技术走进了各大高校,相信不久的未来会有越来越多有技术、有想法、有热情的年轻人喷涌而出,到那时智能化还会远吗?

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