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雷鋒網按：作者艾韜，易瞳科技CTO，多倫多大學計算機工程專業畢業。多年跟隨“世界穿戴電腦之父”Steve Mann教授，專注于智能眼鏡的基礎研究。最近，易瞳的核心產品VMG-PROV宣布對極客們開源，這款視頻透視的介導現實眼鏡，為何還沒有正式面世就開源？又為何選擇了視頻透視？作者以他做產品的親身經歷來回答這個問題——“當我們把VMG-PROV開源后，我們希望盡快地暴露出現有產品的所有問題。”除卻談及產品本身的優劣，這是一篇認真探討的文章。
以下為作者自述，雷鋒網做了不調整原意的編輯。
我今天寫一篇小文章說明一下VMG-PROV（所謂開源極客版）到底是一個什么東西，希望看完這篇東西的朋友們對自己即將要拿在手里的“玩具”有一定認識。當然，土豪隨意，我覺得VMG-RPOV擱家里放著也蠻帥的。
| 一身開源的血液
記得我到導師Steve Mann的實驗室時，看到一個個裝束的怪異的工程師們（包括一個不穿上衣的長發男子）被一堆堆“破舊”的電子儀器、顯示器和各種電子元器件團團包圍住，而此時的他們正用著界面相當另類的程序做著一些不明覺厲的事情。那一剎那感到莫名興奮的同時，也為自己的無知而感到有些尷尬。
“Hi Steve, what software are they using?”我懷著好奇不禁問道，感覺這個問題弱爆了。
“Oh Arkin, I can't answer that if it's not the right question.”教授沒穿鞋，手里拿著個烙鐵，頭也沒有回地對我說道。也許他不知道此刻的我早已石化。
“You know, Arkin, we don't use any software in this Lab.”教授放下烙鐵，朝我這邊看過來。
“Software are programs that you need to pay. Paying for software that you can't hack or share is ridiculous.”教授突然嚴肅了起來。而我也明白了為什么這些程序都長得這么奇怪。
我點了點頭，若有所思地說：“So everything here is open-source? Like everything?”
教授笑了，也點了點頭說，“Yes，Everything.”
在實驗室做事的這段時間，我接觸到了各種各樣的開源工具。教授說的是真的，在實驗室里，我們的操作系統是Ubuntu而不是Windows或MacOS；圖像編輯也不用Photoshop而是用GIMP；就連Word和Excel這樣的程序，我們都用LibreOffice來代替。更夸張的是，作為研究人員，我們連Matlab都不用，而是用一個叫Octave的東西。
Steve曾經做過一件藝術品，現在收藏在奧斯汀藝術博物館中。下圖中的Installation叫“License To Sit”，是一個需要付費買License才可以使用的椅子。就像付費軟件一樣，這個椅子會在快到期時提醒你付費，否則，一旦過期，彈出鋼針，強行終止椅子能提供給你的“坐”的服務。這個藝術品很好玩，可以使我們思考當數字世界里的規則被運用到物理世界時的一些搞笑的情況。
看著這把椅子，回憶起第一次遇見教授的那段對話，我突然意識到自己一個考量已久的決定其實早有淵源，潛移默化中渾身已經淌滿了開源的血液。
| 送到極客手中
最近，我們決定把自己還不完善的工程機VMG-PROV作為一款開源硬件投到市場中來。
這一舉動，我認為，有奉獻性的因素也有自私的原因。
我們確實解決了一些智能眼鏡上的問題。開源的目的在于，希望同行和有志向的極客通過對VMG-PROV的拆解和研究，可以不再重復地去解決這些問題。輪子就在這里，不需要重新發明它了。另外，我們做的智能眼鏡不同于VR/AR，稍微超前了一點。為了盡快做出理想的產品，我們這個二十人的小團隊還需要更多能人的幫助。當我們把VMG-PROV開源后，我們希望盡快地暴露出現有產品的所有問題。同時讓有共同指向的極客們可以一起和我們站在同一起跑線完善這個產品。開源一定是未來科技的發展方向，一個小有成就的極客不應該總想著如何用那不完善的“小秘密”去賺錢，而應該思考怎樣讓大家參與進來盡快把東西做好。
我們希望把VMG-PROV交付到正確的極客手中，這意味著這代產品不是消費者級的，甚至不是開發者級的，我們把它稱之為“極客版”。我們希望把他賣給有開源血液，想探索數字視覺，并且具備相應能力的極客。看到這里，我想各位讀者對于該不該買VMG-PROV已經有了一些小小的判斷了。
| 為什么選擇視頻透視？
VMG（包括預售中的PROV和研發中的MARK兩個版本）是一款開源的頭顯，是一個探索介導現實（和數字視覺）的工具。我們認為虛擬現實（VR）和增強現實（AR）都是數字視覺的一種體現。因此，VMG首先要能將VR/AR通過視頻透視技術同時兼容在一個頭顯上。之前寫了一篇關于智能眼鏡的小文章里面也提到，從AR往后發展，到混合現實（Mixed Reality）或是介導現實（Mediated Reality），視頻透視是必須跨過的一個坎。
常常有人問我，市面上光學透視方案這么多，而且大家都在做光學透視，為什么你們要選擇視頻透視？我說，不是我選擇了視頻透視，是視頻透視選擇了我。
在進實驗室之前我是學FPGA的，因為這個，Steve讓我用FPGA去攻克智能眼鏡上一些GPU跑不動的算法，出成果后，我和一個學長去SIGGRAPH展會上展示我們的研究成果。在這個讓人腦洞爆炸的展會上，我和學長在聊天中各自認定了今后的研究方向。回到實驗室后，我主要搞視頻透視和相關的軟件，而他就開始研究光學透視的東西了。視頻透視（Video See-Through，或VST）和像HoloLens這樣的光學透視（Optical See-Through，或OST）各有優缺點。下面，我以AR應用為例，大概歸納一下兩者主要問題的比較。（學術界里關于兩者的比較很透徹，大家有興趣可以去查閱相關論文。）
視頻透視（Video See-Through，或VST）和像HoloLens這樣的光學透視（Optical See-Through，或OST）的比較——
1、關于疊加效果和顯示視角（VST完勝）
光學透視通過特殊的設計將數字畫面投射到半透明的顯示裝置上，因此呈現出來的遮擋效果（Occlusion）不夠完美。看過Magic Leap年初發出的眼鏡大專利的各位知道，他們花了至少7大頁的內容來描述他們復雜的光路設計來減緩這個遮擋問題。光學透視的光路設計很復雜，想做出小型的大視角效果基本沒戲。試過HoloLens的人（約40度）就能感受到我說的視角小是一種什么感覺。
同時，由于設計復雜加工困難，OST的成本會很高。然而，半透明就是半透明，任你減緩，也不可能解決。在這一點上，VST完勝OST。由于現實畫面是通過攝像頭采集的，在顯示到屏幕之前已被數字化，遮擋的效果可以輕輕松松以低成本做到完美。在這方面，VST可以通過算法做到實時P圖，讓現實變成你的畫板。
2、關于現實畫面延時和畸變（OST完勝）
由于使用到了攝像頭，加上電腦需要同時處理顯示畫面和數字內容，VST的延時比OST要大很多。
VST頭顯硬件上更像VR，攝像頭和顯示器的刷新延時是先天性的。在OST頭顯上，現實畫面是外部世界的光是通過光學設備穿透進來的，先天零延時零畸變。而視頻透視除了刷新延時，還需要矯正因為攝像頭的位置和光學與人眼不一樣而產生的畫面差距，先天會有延時。我們花很多時間，通過硬件和軟件的優化去降低延時。但這個延時不可能為零，在這一點上，OST完爆VST。
3、關于VAC問題（平手）
不管是OST和VST，都存在VAC問題。這是我們在使用頭顯時，深度感知機制在雙眼（Vergence）和單眼（Accommodation）上有沖突時造成暈眩的問題。
有興趣的讀者可以自行查閱Vergence Accommodation Conflict或“輻輳沖突”。
（雷鋒網注：關于VAC現象，可查看這篇解析文《一直困擾虛擬現實的VAC現象，真的無解么？》）
Magic Leap的大專利里，也有大量描述過通過光場減緩這個問題的技術。在他們出貨前，在這個問題上，目前OST和VST，打成平手。
| 極客們請繼續閱讀
VMG-PROV作為一款視頻透視的探索工具，性能有限。我希望通過接下來的描述讓各位極客認識到購買PROV的風險。
延時問題在VMG-MARK的架構上有大幅度提升，文末我會把細節告訴大家。下圖是從我們將要開源放出的Demo工程截圖的，可以將一個數字模型疊加到沒有預設Marker的桌面上。
在這個開源的Demo中，VMG-PROV通過雙目攝像頭將現實畫面捕獲進來，經過頭顯上FPGA的處理后，通過USB3. 0接口傳輸到所連接的PC上。現實畫面通過軟件校準后，Visual SLAM算法開始運算，將預設的數字模型疊加到正確的位置。之后，再通過HDMI將畫面傳輸到頭顯上的屏幕中。這個開源的工程中包含：
1.VMG-PROV的硬件細節和原理圖
如下圖所示，VMG-PROV的硬件參數已標注并在下表列出。攝像頭采集到的視頻畫面經過FPGA的處理再傳入所連接的PC中，最后通過SLAM把疊加了數字模型的畫面在傳回人眼。所以在用于AR上，VMG-PROV需要PC完成較大的視頻吞吐，因此建議使用高配臺式機。
作為一個MR頭顯，VMG-PROV的參數只能達到VR的入門水平。我覺得要在MR上做出驚艷的應用，這一代是遠遠不夠的。這也是為什么我希望大家把這個產品作為一個學習與探索的工具，同時也通過大家給我們反饋更多的改進意見。為了讓這一切成為可能，我們會提供VMG-PROV的硬件原理圖。
2. FPGA上處理圖像的硬件描述語言
VST優于OST的關鍵一點是對現實畫面的修改，簡單來說，就是通過算法實時P圖。
在軟件上測試出來的算法如果能通過FPGA實現或加速，對于延時的減少是有很大幫助的。在我們開源的工程中，包含了一個MR的Demo，即實時高動態范圍圖像合成和映射（Real-Time HDR Composition & Tonal Mapping），完全通過邏輯寫進FPGA里面了。
如下圖，FPGA控制Sensor高速變換曝光，然后通過合成電路選擇出由暗到亮每張圖中最好的部分。
FPGA是一種很神奇的芯片，是芯片中的變形金剛。做過FPGA的工程師都知道，FPGA不是普通人搞得定的。
下圖給出了我們將要開源的工程中FPGA內硬件描述語言的部分。從Sensor進來的原始數據將完全在FPGA上進行ISP處理，之后合成的HDR將通過USB3.0傳到PC中。我相信把上述工程的Verilog HDL開源，可以吸引到各位有勇氣的高手加入到芯片級的MR探索中來。通過FPGA配合PC端的需求，進一步減少VST的延時問題。
3. 基于PTAM的雙目SLAM源代碼
VMG-PROV所用的SLAM是基于雙目RGB攝像頭的，是由大名鼎鼎的PTAM改成的。這個工程就將上文視頻中的Miku疊加到了我們的眼鏡畫面中。PTAM之后，我們還將把傳感器數據融合進來，并使用不同的方法（像ORB-SLAM，或LSD-SLAM）實現更穩定的疊加。SLAM這一塊我就不畫圖了，大致的開源內容包括，雙目相機的標定矯正，FAST特征點提取，RANSAC & Bundle Adjustment，和Miku的模型。需要用到Unity3D的各位朋友，工程中也有將這套SLAM導入的方法。同時，大家去看源代碼的時候可以參照PTAM的相關資料對其進行修改。
| 普通開發者請再等等
講到這里，我覺得大家對需不需要購買這個“極客版”有了一定的判斷。由于VMG-PROV還沒有達到應用級別，想在VMG做應用的各位需要等待一下VMG-MARK（開發者版本）。按照目前的進度來說，我們的研發團隊已經解決了VMG-MARK的大部分技術問題。我們把VMG-MARK的軟硬件架構稱為VLLV（Very Low Latency Video See-Through），它將把視頻透視的延時難題大幅度的減緩（是減緩不是解決，解決就是Zero Latency了）。所以，希望有落地應用的開發者們最好使用MARK這一款產品，而不是VMG-PROV極客版。
下圖是VMG-MARK的架構，起初的設計是為了減少視頻吞吐對PC的計算量需求，將高清高幀的現實畫面視頻流直接從Sensor傳入屏幕中，不經過電腦。之后，慢慢演化成了四個模式。
我們把這個架構叫做VT Architecture，它的四個運行模式分別是：
1.Hard模式
現實畫面的視頻信號只通過FPGA和ASIC進行處理，然后馬上打到屏幕中。這條路徑延時最低，但開發難度最大。寫FPGA不難，要的是勇氣。
2.Hybrid模式
這條路徑最適合用于AR應用的開發。
如圖所示，頭顯上的FPGA將根據需求把視頻分流到連接的PC上，然后，再通過FPGA把有姿態信息的數字模型融合到原始高清畫面中。這樣，我們能大幅度減少現實畫面的延時，同時也可以把原本需要的大部分運算資源節省下來，從而減小電腦的配置需求。
3.Soft模式
有心的讀者已經發現，這條路徑就是VMG-PROV的路徑。這條路徑功能最強大，但延時最高。視頻流經過FPGA/ASIC然后傳入電腦，最后經過屏幕顯示出來。Soft模式適用于早期驗證和實驗，通過Soft寫出來的工程要按照應用需求進行優化，并在其他模式上來實現。
4.Light模式
Light模式很好理解，就是帶Visual SLAM的VR頭顯。前端的相機雖然不成像，但是在無時無刻地檢測頭顯的平移運動，這和Lighthouse由外至內的檢測方法不一樣。我們后續開發出更好的SLAM，也會開源，希望大家再等待一下。
寫到這，也差不多了。作為一個小團隊，我們希望成為自己理想中的極客。我相信我們的身邊有很多有分享精神，探索精神，有心靈，有能力，并且會支持我們的人。我們希望把自己的成果分享給這樣的人，這也是我們打算開源的最重要的原因。
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