微软HoloLens技术解谜（上）：如何还原三维场景-阿里云资讯网
微软HoloLens技术解谜（上）：如何还原三维场景
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摘要： HoloLens 是什么？ HoloLens 是微软发布的可穿戴式增强现实计算设备，它拥有这么几个关键要素： 它是增强现实产品，即 Augmented Reality（AR），AR 技术将计算机生成的图像与真实的世界相叠
HoloLens 是什么？
HoloLens 是微软发布的可穿戴式增强现实计算设备，它拥有这么几个关键要素： 它是增强现实产品，即 Augmented Reality（AR），AR 技术将计算机生成的图像与真实的世界相叠加。类似的产品有图像投射到视网膜上的 Google Glass，以及叠加在手机摄像头画面上的手机 AR 应用。 它拥有是独立的计算单元，自带 CPU ＋ GPU ＋HPU，不需要外接计算机。它的 CPU 和 GPU 基于英特尔的 14纳米工艺的 Cherry Trail 芯片，HPU 是微软发明的缩写，全称是 Holographic Processing Unit，即全息处理单元。按照知乎匿名用户的回答，HPU 是一块 ASIC（Application-specific integrated circuit），是微软为 HoloLens定制的集成电路，对此，我只能说“有钱任性”。
HoloLens 不是什么？
看完微软栩栩如生的宣传视频后，如果你的反应是
卧槽，Matrix 要来了。
那么你要好好看这一段，因为 Matrix 是 Virtual Reality / VR / 虚拟现实，VR 的特点是让参与者置身于计算机生成的三维图像世界中，淡化真实的世界。VR 近期的代表产品是 Oculus Rift，戴上 Rift 后你是看不到真实世界的。在我看来 VR 最大的问题是：这个虚拟世界很真实很精彩，但是有什么用呢？也就是说 VR 只能做到更逼真的三维世界，它无法帮助人们更好地理解真实的世界。
HoloLens 也不是 Google Glass（以下简称GG），它比 GG 多了： 三维感知能力，可以对身边的三维场景进行建模。而 GG 只能看到 RGB 像素值。 三维渲染能力。 人机交互能力，可以用手势来进行控制。
HoloLens 也不是市场上常见的的 AR，常见的基于摄像头的 AR 应用基于摄像头有： 基于丑陋的黑白标记图片的 AR
以及基于任意图片的 AR。
很炫是吗，但是它们只能检测到图片所在的那个平面。HoloLens 比它们都牛，它能检测到各个角度的三维场景！
HoloLens 的 AR 是如何得到三维场景深度信息的？
我们回到 AR 的定义，想要实现增强现实，必须先理解现实，那么对于 HoloLens 而言现实是什么呢？是的数据。
传感器是啥？是摄像头。
同样是摄像头，为什么 HoloLens 就可以感知深度呢？微软的 Kinect 在这方面很成功，那么是不是 HoloLens 上放了一台嵌入式的 Kinect 呢？
答案在下面的原型图片中：
HoloLens 拥有有四台摄像头，左右两边各两台。通过对这四台摄像头的实时画面进行分析，HoloLens 可覆盖的水平视角和垂直视角都达到 120 度。
也就是说它采用的是立体视觉 / Stereo Vision 技术来获取类似下图的深度图 （depth map）。
立体视觉是计算机视觉学科的一个子学科，专注于从两个摄像头的图像数据中得到真实场景中的物体离摄像头的距离。示意图如下：
下面是基本的步骤，查阅 OpenCV 文档可以了解具体到函数用法 ： 摄像头校正，undistortion。由于摄像头的镜片出厂时都存在扭曲，为了得到精确的数据需要在使用前进行较正。常用的方法是基于棋盘的各个姿态拍几次，然后计算相机的矩阵参赛。下图便是常见的标定界面。
图像对齐，rectification。因为两个摄像头的位置不同，因此它们各自看到的场景是有偏差的，左边的摄像头能看到最左的场景，右边的看到最右的场景。图像对齐的目的是得到相同的场景部分。 左右图像匹配，correspondence。可以使用 OpenCV ，得到 disparity map。 通过重映射函数，比如 OpenCV 中的 cv::reprojectImageTo3D，得到一张深度图。
只有一张深度图是不够的，它只是某一时刻真实的场景在摄像头中的映射。要想得到完整的三维场景，我们需要分析一系列的深度图。
HoloLens 如何从多张深度图重建三维场景？
答案是 SLAM，Simultaneous Localization And Mapping，即同步定位与建图系统。这个技术被用于机器人、无人汽车、无人飞行器的定位与寻路系统。解决的是非常哲学的问题： 我现在在哪里？ 我可以去哪里？
SLAM 有很多实现的方式，有一个开源的方式，实现了很多深度图的处理和匹配算法，可以认为是三维版本的 OpenCV。
而微软围绕着 Kinect 的深度图数据发明了 Kinect Fushion 算法，并发表了两篇论文： KinectFusion: Real-time 3D Reconstruction and Interaction Using a Moving Depth Camera； KinectFusion: Real-Time Dense Surface Mapping and Tracking。
为什么我认为 HoloLens 与 Kinect Fushion 有关？答案在这个页面中 。 Shahram Izadi 是微软剑桥研究院的 principal researcher 及 research manager。他所领导的互动3D技术组 / interactive 3D technologies 为微软的多项产品提供了研究力量，包括 Kinect for Windows, Kinect Fusion 以及 HoloLens。顺便说一句，他们组在招人：）
Kinect Fushion，通过在室内移动 Kinect 设备，获取不同角度的深度图，实时迭代，对不同对深度图进行累积，计算出精确的房间以及房间内物体的三维模型。
它分四个阶段： 深度图格式转换，转化后的深度的单位是米，用浮点数保存。并计算顶点坐标和表面的法向量。 计算世界坐标系下的相机姿态（包含位置和朝向），通过迭代的对齐算法跟踪这两个值，这样系统总是知道当前的相机与最初的姿态相比变了多少。 第三阶段将姿态已知情况下的深度数据融合到单个三维乐高空间里，你也可以叫它为 MineCraft 空间，因为这个空间的基本元素不是三角形，而是方格子。演示视频中频频出现 MineCraft 场景估计也和这个阶段有关。 基于 Raycasting 的三维渲染，Raycasting 需要从当前的相机位置发出射线，与三维空间求交集。乐高空间特别适合Raycasting，可以用八叉树来加速射线的求交运算。Raycasting、Raytracing 以及 Rasterization 是三种常见的渲染方式，这里就不展开了。
在 HoloLens 的应用中我们运行到第三步，即获取三维乐高模型就可以了，第四步并不是必需的。因为 HoloLens 的屏幕是透明的，不需要再把房屋的模型渲染一遍，我们自带的眼睛已经渲染了一遍了：）
HoloLens 炫酷的 demo 都是怎么制作的？
还剩下三个难点，留待后续文章叙说： 手势识别怎么做的？ 眼球跟踪怎么做的？ 非常贴合的三维渲染是怎么做的？
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International微软Windows10的发布会上，微软发布了一款增强现实设备HoloLens，它是微软近十年来推出最黑科技的一款产品，没有之一!它看起来更像是进化版的Google Glass。Hololens是第一款以消费者为导向的增强现实设备，与其他增强现实设备不同的是，微软通过HoloLens为用户带来了全息式生活体验服务，并且形成了一整套的解决方案。它可以理解用户的手势、语音和周围的空间环境。HoloLens能够让你进入一个未来的世界，给你一种叹为观止的。它不同于三星之前发布的虚拟现实眼镜，必须配备Galaxy Note4才能够使用，它是一台完全独立的计算设备，内置了包括CPU、GPU和一颗专门的全息处理器。这款头戴装置在黑色的镜片上包含了透明显示屏，并且立体音效系统让用户不仅看到、同时也能听到来自周围全息景象中的声音，同时HoloLens也内置了一整套的传感器用来实现各种功能。目前，它能够追踪人的手势和眼部活动，那么屏幕和投影都会随着人的活动而移动。对于 Hololens 项目来说，最成功之处可能就是增强现实全息投影是如何欺骗大脑的：它让大脑将看到的光当成实物。在这支黑科技团队的理解里，他们的终极目标就是让人感知光的世界，它既存在，也不存在，重要的是，让大脑认为它待在一个实体的世界里。HoloLens所采用的人机交互形态：SLAM建模与叠加：使用HoloLens智能眼镜，需要先使用SLAM对场景进行预先建模，然后才能将3D模型、视频、窗口等内容叠加在该真实场景模型之上。微软之前发布了与google的projecttango相似的技专利，SLAM这块相对简单。但这种方式不适于在户外开阔空间内和未知空间内使用，只能在限定空间(一般为室内)和近距离的基本固定的场景或目标使用。景深自适应：由于使用SLAM方法，可以对建模场景和建模内容利用视差原理实现AR叠加时的景深自适应，这样才能在双目透视时让人眼同时观看到目标和AR信息，但对于未建模的未知目标，无法实现景深自适应;手势识别：基于结构光传感器，类似LeapMotion和Kinect。HoloLens的技术难点：1、透视效果：即户外强光、光线干扰等条件下的视透率问题，这点他们暂未解决，如果这点未能解决的话，很显然HoloLens是无法拿到大街上去使用。2、实际条件下的目标识别：目标识别在此类用途的智能眼镜上是必备的基础功能，在大尺度变化、倾斜、遮蔽、反光、简单特征与复杂背景这些实际条件下的目标识别。3、 普适条件下的目标AR：不一定能有条件和时间对每一个未知场景和目标进行建模，这时的AR其尚未解决;4、普适条件下的景深自适应：对未预先建模的目标和场景，HoloLens的方法无法做到景深自适应。要么限定应用目标和场景，要么随时建模，要么随时用激光测距仪测量，要么用双目摄像头测距。5、其他：全息波导的制造成本较高，成像的光学质量目前还较差，用了这么多摄像头和传感器的视觉计算，对CPU和GPU的处理能力有着极高的要求，需要采用Asic和一些专业级的芯片，成本和续航能力是个问题Hololens与Google Glass的不同点如果要谈到HoloLens，那么必然需要拿它与2012年Google发布的Google Glass作对比。2012年布林在纽约时装周带领一群模特戴上Google Glass走了一场时装Show，企图告诉消费者，Google Glass是一款引领时尚潮流的产品，Google Glass当时所展现的AR技术，同样令人感到震撼。受到媒体的普遍追捧，Google Glass可谓是2012年万众瞩目的明星产品!它就像一个潘多拉魔盒，人们一旦打开，就向人们开启一把通向未来世界的钥匙。HoloLens与Glass两款产品的最终目的都是为了让科技全方位的融入人们生活里的每个角落。而从设备的外形来看，Glass和HoloLens为了达到科技和日常无缝对接的目的采取了两个路线。Glass的选择，是极富野心的，他从一开始就不希望阻碍人正常的生活。没错我们是要让科技与日常对接，但还要无缝啊!所以Glass从一开始就选择压缩机身，选择了小屏幕，于是所能提供的功能并不多。但这是Glass的信念，那就是无论如何这款设备不能喧宾夺主，我们可以日后科技进步一点一点把功能加起来，但我们不希望把一个大家伙摁到你脸上让你天天带着。Glass选择了做加法。所以Glass在强调这个东西我们可以跑步的时候带，做饭的时候带，和孩子的时候带。而HoloLens显然不一样，微软的野心显然是希望HoloLens成为一款像智能手机那样每天陪伴在人们生活中的消费品，HoloLens并不是要替代智能手机，而是要去抢占人们去使用手机的时间精力，就像当年的iPad一样，也并不是要去取代PC。那么问题来了，戴着像护目镜一样的HoloLens走在大街上，会不会显得酷炫又白痴。佩戴前沿科技产品人群的穿戴心理是特别奇怪的，既想要人们知道这是最酷炫的一款科技产品，但又不想倍受瞩目，令别人感觉到自己很奇怪。Google在研发Google的时候，是把它当做人们日常佩戴的眼镜去做，所以当你在日常生活里佩戴Glass是不会感到突兀感的，想用的时候就用一下。Glass最大缺点是可供人们使用的实际场景太少，Glass上也并没有诞生几款真正影响人们生活的AR App，它只是普及了AR设备，但它在实际生活里，只是一款可有可无的鸡肋产品。微软在研发HoloLens的时候，是把它当做一款室内产品来设计，当你戴上HoloLens的时候，你可以看到近乎投影仪的虚拟场景。比如说为HoloLens专门研发了一款App，那么当你佩戴上HoloLens的时候，通过手势来选择进入优酷App，你在里面所看到的每一个视频，都是以投影的效果展现在你的面前，但是它实际上虚拟的，不可触摸，你只能看到，仿佛生活在一个即现实又虚拟的平行空间里。这样的观影效果其实与索尼的那款头戴显示器所展现的是同样的效果。HoloLens目前的体型偏大，是微软为了保持机器性能，不得不做出的折中方法，有足够的性能，才能在HoloLens上产生各种炫酷的应用。但科技产品往往是可以迭代的，通过不断的技术发展，HoloLens将来的体积是可以缩小，直至小到可以方便人们随身携带。微软与Google在研发增强现实设备时所做出的想法，无疑微软是更加现实的，更容易制造爆点，也更容易被人们所接受。毕竟大家现在都有安卓或者苹果，Glass只能查收邮件拍照片还动不动就会过热重启，显然是令人们无法接受的。而回顾历史，我们会发现电子设备都是一点一点变小的，电视，电脑，手机等等，都是从笨重的大家伙变成了能够让人接受的小灵巧。因为毕竟带来技术变革的是实用有效的功能本身，而不是设备和生活的关系。很多科技产品，理想是美好的，但现实却是令人残忍的。HoloLens同样也面临许许多多的挑战，甚至是相比Google Glass，它未来所要面临的挑战更多。如果未来的某一天，它成功了，无疑它将会是iPhone之后，下一个个跨时代影响千千万人的科技产品。
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Hololens会是下一个Google Glass吗？
来源： 作者： 百略网
Hololens是第一款以消费者为导向的增强现实设备，与其他增强现实设备不同的是，微软通过HoloLens为用户带来了全息式生活体验服务，并且形成了一整套的解决方案。它可以理解用户的手势、语音和周围的空间环境。
　　昨天微软Windows10的发布会上，微软发布了一款增强现实设备HoloLens，它是微软近十年来推出最黑科技的一款产品，没有之一！它看起来更像是进化版的Google Glass。
　　Hololens是第一款以消费者为导向的增强现实设备，与其他增强现实设备不同的是，微软通过HoloLens为用户带来了全息式生活体验服务，并且形成了一整套的解决方案。它可以理解用户的手势、语音和周围的空间环境。
　　HoloLens能够让你进入一个未来的世界，给你一种叹为观止的用户体验。它不同于三星之前发布的虚拟现实眼镜，必须配备Galaxy Note4才能够使用，它是一台完全独立的计算设备，内置了包括CPU、GPU和一颗专门的全息处理器。这款头戴装置在黑色的镜片上包含了透明显示屏，并且立体音效系统让用户不仅看到、同时也能听到来自周围全息景象中的声音，同时HoloLens也内置了一整套的传感器用来实现各种功能。
　　目前，它能够追踪人的手势和眼部活动，那么屏幕和投影都会随着人的活动而移动。对于 Hololens 项目来说，最成功之处可能就是增强现实全息投影是如何欺骗大脑的：它让大脑将看到的光当成实物。在这支黑科技团队的理解里，他们的终极目标就是让人感知光的世界，它既存在，也不存在，重要的是，让大脑认为它待在一个实体的世界里。
　　HoloLens所采用的人机交互形态：
　　SLAM建模与叠加：使用HoloLens智能眼镜，需要先使用SLAM对场景进行预先建模，然后才能将3D模型、视频、窗口等内容叠加在该真实场景模型之上。微软之前发布了与google的projecttango相似的技专利，SLAM这块相对简单。但这种方式不适于在户外开阔空间内和未知空间内使用，只能在限定空间(一般为室内)和近距离的基本固定的场景或目标使用。
　　景深自适应：由于使用SLAM方法，可以对建模场景和建模内容利用视差原理实现AR叠加时的景深自适应，这样才能在双目透视时让人眼同时观看到目标和AR信息，但对于未建模的未知目标，无法实现景深自适应；
　　手势识别：基于结构光传感器，类似LeapMotion和Kinect。
　　HoloLens的技术难点：
　　1、透视效果：即户外强光、光线干扰等条件下的视透率问题，这点他们暂未解决，如果这点未能解决的话，很显然HoloLens是无法拿到大街上去使用。
　　2、实际条件下的目标识别：目标识别在此类用途的智能眼镜上是必备的基础功能，在大尺度变化、倾斜、遮蔽、反光、简单特征与复杂背景这些实际条件下的目标识别。
　　3、 普适条件下的目标AR：不一定能有条件和时间对每一个未知场景和目标进行建模，这时的AR其尚未解决；
　　4、普适条件下的景深自适应：对未预先建模的目标和场景，HoloLens的方法无法做到景深自适应。要么限定应用目标和场景，要么随时建模，要么随时用激光测距仪测量，要么用双目摄像头测距。
　　5、其他：全息波导的制造成本较高，成像的光学质量目前还较差，用了这么多摄像头和传感器的视觉计算，对CPU和GPU的处理能力有着极高的要求，需要采用Asic和一些专业级的芯片，成本和续航能力是个问题
　　Hololens与Google Glass的不同点
　　如果要谈到HoloLens，那么必然需要拿它与2012年Google发布的Google Glass作对比。
　　2012年布林在纽约时装周带领一群模特戴上Google Glass走了一场时装Show，企图告诉消费者，Google Glass是一款引领时尚潮流的产品，Google Glass当时所展现的AR技术，同样令人感到震撼。受到媒体的普遍追捧，Google Glass可谓是2012年万众瞩目的明星产品！它就像一个潘多拉魔盒，人们一旦打开，就向人们开启一把通向未来世界的钥匙。
　　HoloLens与Glass两款产品的最终目的都是为了让科技全方位的融入人们生活里的每个角落。而从设备的外形来看，Glass和HoloLens为了达到科技和日常无缝对接的目的采取了两个路线。
　　Glass的选择，是极富野心的，他从一开始就不希望阻碍人正常的生活。没错我们是要让科技与日常对接，但还要无缝啊！所以Glass从一开始就选择压缩机身，选择了小屏幕，于是所能提供的功能并不多。但这是Glass的信念，那就是无论如何这款设备不能喧宾夺主，我们可以日后科技进步一点一点把功能加起来，但我们不希望把一个大家伙摁到你脸上让你天天带着。Glass选择了做加法。所以Glass在强调这个东西我们可以跑步的时候带，做饭的时候带，和孩子一起玩耍的时候带。
　　而HoloLens显然不一样，微软的野心显然是希望HoloLens成为一款像智能手机那样每天陪伴在人们生活中的消费品，HoloLens并不是要替代智能手机，而是要去抢占人们去使用手机的时间精力，就像当年的iPad一样，也并不是要去取代PC。
　　那么问题来了，戴着像护目镜一样的HoloLens走在大街上，会不会显得酷炫又白痴。佩戴前沿科技产品人群的穿戴心理是特别奇怪的，既想要人们知道这是最酷炫的一款科技产品，但又不想倍受瞩目，令别人感觉到自己很奇怪。
　　Google在研发Google的时候，是把它当做人们日常佩戴的眼镜去做，所以当你在日常生活里佩戴Glass是不会感到突兀感的，想用的时候就用一下。Glass最大缺点是可供人们使用的实际场景太少，Glass上也并没有诞生几款真正影响人们生活的AR App，它只是普及了AR设备，但它在实际生活里，只是一款可有可无的鸡肋产品。
　　微软在研发HoloLens的时候，是把它当做一款室内产品来设计，当你戴上HoloLens的时候，你可以看到近乎投影仪的虚拟场景。
　　比如说优酷为HoloLens专门研发了一款App，那么当你佩戴上HoloLens的时候，通过手势来选择进入优酷App，你在里面所看到的每一个视频，都是以投影的效果展现在你的面前，但是它实际上虚拟的，不可触摸，你只能看到，仿佛生活在一个即现实又虚拟的平行空间里。这样的观影效果其实与索尼的那款头戴显示器所展现的是同样的效果。
　　HoloLens目前的体型偏大，是微软为了保持机器性能，不得不做出的折中方法，有足够的性能，才能在HoloLens上产生各种炫酷的应用。但科技产品往往是可以迭代的，通过不断的技术发展，HoloLens将来的体积是可以缩小，直至小到可以方便人们随身携带。
　　微软与Google在研发增强现实设备时所做出的想法，无疑微软是更加现实的，更容易制造爆点，也更容易被人们所接受。毕竟大家现在都有安卓或者苹果，Glass只能查收邮件拍照片还动不动就会过热重启，显然是令人们无法接受的。而回顾历史，我们会发现电子设备都是一点一点变小的，电视，电脑，手机等等，都是从笨重的大家伙变成了能够让人接受的小灵巧。因为毕竟带来技术变革的是实用有效的功能本身，而不是设备和生活的关系。
　　很多科技产品，理想是美好的，但现实却是令人残忍的。HoloLens同样也面临许许多多的挑战，甚至是相比Google Glass，它未来所要面临的挑战更多。如果未来的某一天，它成功了，无疑它将会是iPhone之后，下一个个跨时代影响千千万人的科技产品。
来源：新浪科技
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编辑： 王如
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为进一步推动广东省大学生深入学习《习近平总书记系列重要讲话读本》（2016年版），增强中国特色社会主义的道路自信、理论自信、制度自信，为实现中华民族伟大复兴的"中国梦"贡献智慧和力量，广东省委宣传部、南方网决定在全省普通高等学校大学生中开展"党中央治国理政新理念新思想新战略知识竞赛"活动。}