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预见AR技术里程碑 低功耗设计与演算法见真章
奠基科技的海市蜃楼有??坐实

【作者: 吳雅婷】2020年10月08日 星期四

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21世纪低头族一词问世,写实描绘了最新科技带给大众生活模式的改变。随着智慧型手机的技术发展与电子制造步入成熟阶段,更为融入现实生活的科技应用也成了众所瞩目的发展重点,而延展实境(extended reality;XR)的概念便巧妙地投射了这项需求。


尤其历经2020年全球遭受新冠肺炎疫情的重创,城市与国家间的边境封锁更加速催化了虚拟与现实交流界线的淡化,线上与远距操作成了新生活的预设模式,助长了能够实现XR愿景的虚拟实境(virtual reality;VR)、扩增实境(augmented reality;AR)与混合实境(mixed reality;MR)三大技术发展。


其中,AR与VR、MR相比,着重在撷取现实环境的资讯,并透过先进处理器与智慧演算法,提供科技用户更快速操作且融入周围环境的使用者介面,进而创造出即时、虚实整合且融合视、听、触觉等多元感官的沉浸式科技体验,因而成为最有可能领先达到普及的XR关键技术。这也是为什麽国际科技龙头Microsoft、Google以及手机大厂Apple等皆纷纷将AR列为研发要点,并已经相继推出AR或MR眼镜。



图一 : 对穿戴者而言,AR技术可以跳脱萤幕框架,将虚拟讯息融合至现实环境,提供空间资讯与更写实的运算体验,视场角(field of view)可以用来表述装置涵盖的成像角度范围,呼应肉眼的视域,是XR眼镜的重要规格之一。(制图/CTIMES 2020)
图一 : 对穿戴者而言,AR技术可以跳脱萤幕框架,将虚拟讯息融合至现实环境,提供空间资讯与更写实的运算体验,视场角(field of view)可以用来表述装置涵盖的成像角度范围,呼应肉眼的视域,是XR眼镜的重要规格之一。(制图/CTIMES 2020)

就使用经验而言,AR技术可以跳脱电脑甚至是手机的萤幕框架,对应虚拟与现实世界中搜集而来的资讯并进行更深入的分析,进而扩增使用者认知与判断的准确度与时效性,再借助云端与边缘运算平台、人工智慧与机器学习的技术优势,实现环境感测、影像与语音辨识或校正、资讯HD/3D可视化等新兴科技应用。


装置篇

不同於云端或边缘概念针对运算系统优化架构,或是物联网以将万物智慧化视为目标,AR技术是站在终端用户的观点理解使用需求并开发应用,强化环境、物件与使用者间的互动关系,因此对感测、运算与显示这三项技术的需求更高,除了各自精进三者的性能与能耗效率,高度整合三者技术优势的机构与处理架构也会是关键。


就现阶段发展而言,AR技术正处於开发专用装置例如头戴式眼镜或抬头显示器(head up display;HUD)的起步阶段,锁定的应用市场则是高度专业化的垂直产业,像是工业4.0、军事、教育或医疗场域的产品操作展示、远端连线维修等应用。这些场域由於对工作场域的安全性与操作即时性有较严苛的要求,因此借助AR眼镜这类轻便且智慧化的穿戴式处理器,就能有效提升工作效率或产量、减省人力并确保工作安全。


相较来说,嵌入式的AR晶片是目前导入AR技术的主流商用产品选择,一来,借助其他消费性电子像是智慧型手机或PC硬体中发展成熟的感测与处理能力,导入AR技术的门槛会相对较低,二来,这些装置已经累积庞大用户群体,更有利於推广AR应用。


因此,AR晶片的目标市场多半还是以连接智慧型手机或PC的消费性应用为主,藉由导入AR处理器扩充其他消费性电子的空间感知与显示效能,相关功能开发包括例如智慧零售服务、电竞、导航或翻译等。


成长动能最强劲的尤其是行动AR市场,根据市调机构Report Linker今年7月公布的数据,2020年全球行动AR市场市值将达107亿美元,历经疫情刺激,估计至2027年将以55%的年复合成长率(CAGR),达到2306亿美元,其中电竞应用的成长幅度惊人,达到59.6%,随後则是行销应用,CAGR为49.7%。


针对行动AR应用的开发需求,不少科技大厂与新创公司也纷纷推出AR软体开发套件(SDK)、应用程式介面(API),像是Google ARCore、米菲多媒体MAKAR、Apple ARKit,甚至还有更早就问世的开源开发工具ARToolKit。


AR晶片

支援AR应用的晶片可依功能区分为处理晶片、电源管理晶片、Wi-Fi或蓝牙晶片等。其中,最受瞩目的就是处理晶片了。目前用於AR应用采用的处理器多半以行动处理器为主,像是高通Snapdragon系列、英特尔Atom系列、德州仪器OMAP,市面上仅有少数晶片开发商推出XR专用开发平台,像是高通XR设计平台,去年更推出支援5G的XR2平台。


其中,低功耗会是首要的设计考量,尤其是AR眼镜,在无线连接状态下进行视讯通话、自然语言处理等即时高速运算应用时,电池运作多半只能支援3小时,因此对整天户外配戴的应用情境来说,低功耗成了装置规格的基本要求。


AR眼镜


图二 : 作为独立式AR装置,开发系统输入输出、显示与操作模式成为设计首要难题。图为主打轻量设计的AR智慧眼镜新创公司Magic Leap产品应用的情境图,除了AR眼镜,六自由度(6 DoF)遥控器也是重要的控制设备。(source;magicleap.com)
图二 : 作为独立式AR装置,开发系统输入输出、显示与操作模式成为设计首要难题。图为主打轻量设计的AR智慧眼镜新创公司Magic Leap产品应用的情境图,除了AR眼镜,六自由度(6 DoF)遥控器也是重要的控制设备。(source;magicleap.com)

目前市场选用的独立式AR专用装置采用眼镜的外型,但也因此在硬体设计、操作模式与应用开发上面临了不少设计难题,毕竟要跳脱电脑或手机的观看与操作模式,又要建立与智慧穿戴式装置不同的市场定位,就必须从输入输出、功能定义、作业系统(OS)到系统设计逐一着手,建构出一套异於以往的完整系统,牵涉的开发工作相当复杂,据传科技大厂Facebook、手机大厂三星、LG以及游戏大厂Sony也有可能投入战局,但是产品仍待开发中。


奠基於军用显示科技的美国Vuzix、深耕无线模组开发的台湾佐臻,以及电脑列印与影像设备大厂的日本Epson,分别专攻光波导显示、无线连接与视觉感测元件,这些技术恰巧在AR开发蓝图上构成鼎立的重要节点。


简言之,处於初期研发阶段的AR眼镜仍在寻找最适化的硬体规格,且顾及消费者的使用偏好与多元的应用情境,还必须考量美观、低功耗与IP防护设计,甚至就眼镜的结构设计来说,还必须考量不同使用者配戴的尺寸差异与舒适度,客制化或可调性框架,以及轻量化设计也会是开发要素之一。


技术开发篇

AR技术最大的难题在於将虚拟融入至现实,尽管一方面AR眼镜也能实现先进显示器的功能,提供更方便进行资料查找、影音浏览与即时通讯的使用者介面,但AR不只是让资料凭空出现的滤镜而已,在另一方面,AR技术带来的革命契机在於其具备扩增使用者在现实感知空间的能力,这也是AR眼镜与其他智慧穿戴装置在市场定位方面的差距所在。


AR技术也可以说是视觉资料在虚实环境中重叠的技术,因此以往惯用手机或PC等平面浏览模式来获取的2D或3D资料,在AR装置上浏览都能加上空间维度的可调性与自适性,进一步执行更写实且快速的模拟、测量、定位或设计等功能。因此,善用机器学习技术来开发图像与语音识别与模拟的演算法,会是研发AR技术不可或缺的环节。


空间定位

要让虚拟物件与现实环境融合,判断的首要关键在於空间定位的准确度。以操作物件模型的应用为例,就需要利用平面测定(plane finding)技术来让观者目睹物件「落地」,才算是把物件放到现实环境当中。另一方面,室内外导航与定位应用,也需要透过同步定位与建图(SLAM)技术,才能以装置内建感测元件来快速整合空间资讯,并运算出装置使用者在该空间内的位置。


人脸识别


图三 : 利用机器学习技术,Google开发的AR SDKGoogle ARCore可以3D网格准确撷取人脸特徵点。(source:ai.googleblog.com)
图三 : 利用机器学习技术,Google开发的AR SDKGoogle ARCore可以3D网格准确撷取人脸特徵点。(source:ai.googleblog.com)

AR技术除了增加空间资讯的呈现并融合至现实环境外,人机互动也是增强虚拟物件真实性的要点,透过感测表情甚至是视线变化,互动性导向的应用就能更进一步增加使用者的叁与感与临场感,曾经风靡一时的AR相机软体就是活脱脱的例子。而人脸识别技术就是增强互动性的一大利器。图形处理技术龙头Nvidia便针对AR应用推出强化人脸辨识的SDK,同样推出AR SDK的科技大厂Google也在Google ARCore最新版本中提供Augmented Faces设计资源,支援前镜头,并以3D网格撷取特徵点。


光线与色彩校正

现实中的人或物件在光学、位置、动作或外观上展现各自的独特性,但又彼此交互影响,因此在AR应用中感测与识别环境,就必须处理高动态性与差异性。结合机器学习的演算法能够考量环境光线、周遭物件阴影、遮蔽物等变因,校正虚拟物件成像的色温、光影,进而融入至投射地点的环境中。


结语

AR技术以现实环境的空间架构为人机介面运作的基础,将智慧感测、高速运算与无线连接技术整合至AR专用装置或其他科技产品,展现了开创全新科技应用的革命性潜能,带领低头族以更「直观」的操作方式演变成为「前瞻族」。


除了实现3D显示与在实体空间中自由配置虚拟视窗位置与大小的功能外,AR技术更能和使用者周围的环境相互对应并互动。开发智慧演算法就能驱动AR这项革命性技术,完成多元感测资讯的整合并进行精密分析,这也是监别AR技术的重要指标。


此外,专用的处理器设计也将成为在市场独占头筹的制胜武器。尽管就终端产品市场竞合而言,AR装置是否能够取代手机、电脑或电视仍旧未达共识,但可以肯定的是,AR技术将空间资讯整合至人机操作模式,开拓了先进运算体验的全新思维,未来将掀起的使用者介面革命不禁令人拭目以待。


**刊头图(source:immersive-technology.com)


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