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张量全息术——实现全息化的助推器

来源:西南科技大学 作者:牟珈镜

近年来,伴随计算机相关技术的快速发展,虚拟现实技术(简称VR)逐渐进入大众视野。VR是依靠计算机模拟虚拟环境来营造一个虚拟世界,从而带给人环境沉浸感。但在使用时,VR眼镜因清晰度不足、刷新率不够导致的分辨率不达标,使其不能“骗”过人类的大脑,会让部分用户会产生眩晕、呕吐等不适感。

为了改善VR的清晰度不足、分辨率不达标的问题,研究者们尝试了多种方法,最终全息图成功脱颖而出。全息图是一种三维图像,相比于传统的照片呈现的是真实的物理图像,全息图还包含被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息,能快速且准确地反映出周遭变化,毋庸置疑的是,全息图可以更真实地描绘三维图像的场景差别与景深。但如果使用传统方法生成全息图,则需要一台超级计算机来进行大量的物理模拟,且采用这种方式来生成全息图不仅会耗费大量的时间,全息图的逼真度也不高。

为了解决这一难题,麻省理工研究团队成功研究出张量全息术。张量全息术是通过深度学习来加快计算机生成全息图的速度,从而实现实时全息图的生成。在张量网络下,自然物体的图像由多个标量来描述,这一部分使用卷积神经网络,再将标量化的图像矢量化,采用张量网络最后再输出。这一过程有效避免了早期全息图的弊端——采用光学方法记录,生成图像为静态,无法捕捉运动,且难以复制和分享。

在有关张量全息术的论文中提到,研究小组建立了一个有着4000对计算机生成的深度图像与其对应的全息图的数据库,团队依靠该数据库创建了新的全息图。为了测试张量全息术是否能精确判断出场景变化,捕捉重要信息,研究人员们使用了多组颜色复杂的场景。另外,还使用了一组基于物理的全新计算来处理,这种基于物理的全新计算可理解为:让计算机自学物理。通过这种方法进行的测试最终获取了令人满意的训练数据。在这一测试的基础上,研究人员总结发现张量全息术只需几毫秒就可以制作出全息图。值得注意的是,提取出的信息是由典型的计算机生成图像提供的,并且可以使用普通的计算机与智能手机来进行计算。例如,研究人员的卷积神经网络可以在移动设备和edge设备上实现交互式运行。

研究团队表示,利用张量全息术来进行VR的环境模拟可以增强VR用户的沉浸式体验感,一定程度上也可以消除使用VR带来的眼睛疲劳以及眩晕、呕吐等不适感。不仅仅是VR,张量全息术也可引入3D打印技术领域,从而实现虚拟现实技术(VR)与3D打印技术质的飞跃。

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