你看到的可能都是假“全息”來看看真的全息顯
2020-10-12 10:58

  喜歡科幻電影的人,對全息顯示這項炫酷的技術一定不會感到陌生。在電影《星球大戰》中,航天機器人R2-D2發射出一種藍色的光,萊婭公主的形象栩栩如生地出現在藍光中,向在場的人們發出呼救信號。這一經典橋段隱含了全息顯示技術的特別之處——無論觀眾站在哪個方位,都可以看到所顯示內容的立體形象。

  在現實世界中,從事光學顯示領域研究的專業人士也為這項技術深深著迷。在9月中旬舉辦的2020騰訊全球數字生態大會5G專場上,騰訊多媒體實驗室標准總監、5G專家斯蒂芬·溫格指出,基於光場技術的全息顯示將會是顯示技術的未來。中國工程院院士許祖彥也表示:“人們對美好視覺效果的追求,是推進顯示技術發展的關鍵,而自然真實、三維立體的視覺效果是人們最終的目標。下一代顯示技術將有可能是全息。”

  全息,顧名思義即全部信息。眾所周知,光作為一種電磁波的形式存在,包括振幅和相位兩個參數,其中振幅反映的是光的強弱,而相位則指的是光波在前進時,光子振動呈現出交替的波形變化。全息顯示就是要記錄下振幅和相位兩個參數,還原出物體的三維影像。

  上海理工大學人工智能納米光子學實驗室的張啟明教授告訴記者:“振幅的強弱可以通過膠片等手段被記錄下來,相位卻很難被記錄下來。”1947年,英國物理學家丹尼斯·蓋伯發明了全息術,利用光干涉技術記錄光的相位,即利用光與光之間相互干涉形成的有規律條紋,來記錄光的相位並還原光。丹尼斯·蓋伯因此獲得1971年諾貝爾物理學獎。

  簡單來說,兩列或幾列光波在空間相遇時,波峰與波峰疊加處會出現亮條紋,波峰與波谷疊加處會出現暗條紋,這種相互作用最終會呈現出穩定的明暗相間的條紋分布,這就是光的干涉現象。

  而全息顯示就是利用光波的干涉原理,在物波場(物體光波波動所涉及的空間)中引入一個參考光波,使其與物光波(光源發出的光波經物體反射后形成的光波,其相位和振幅會發生改變)在記錄平面疊加產生干涉條紋,將干涉條紋記錄下來,即“全息圖”。

  當用特定的再現光波照射全息圖時,就可以重現出原始物光波,從而形成原物體逼真的三維像。

  張啟明強調說,全息術所形成的三維圖像不需要借助特制的眼鏡等工具,直接用肉眼就可以看到。

  2010年日本虛擬歌姬初音未來舉辦“全息”演唱會,2015年春晚上運用“全息投影”技術實現4個“李宇春”同唱《蜀繡》,今年電視新聞媒體出現利用“5G+4K全息”技術,實現主持人與訪談對象的跨屏互動……

  可能有人會覺得,全息顯示技術離我們並不遙遠。但專家認為,深究其技術實現方法就會發現,這些所謂的“全息”其實與真正的全息顯示技術相去甚遠。目前除了博物館已經出現的靜態全息顯示,其他人們熟知的所謂“全息”技術名場面,大部分都是一種“偽全息”。

  “偽全息”可以稱得上是全息顯示界的“六耳獼猴”。它有著幾乎可以以假亂真的本領,在視覺效果上,“偽全息”同樣可以讓人用肉眼看到三維立體圖像懸浮在空中。但仔細觀察就會發現,這些“偽全息”技術並不能實現立體影像360度可視,例如虛擬偶像演唱會雖然給我們呈現出了栩栩如生的立體影像,但是其必須在特制的舞台上,且要在黑暗當中才能實現,觀眾也必須要從特定的角度進行觀看。

  它實際上是一種叫做“佩珀爾幻象”的光學錯覺技術,實質上是在各類介質(如全息投影膜、水霧、透明玻璃、牆體等)的輔助下,利用人眼視覺的偏差對大腦進行欺騙。其原理並不復雜,就是利用一張在保持清晰顯像的同時,能讓觀眾看見背后景物的全息投影膜,首先使物體在膜中形成虛像,再加上半透明投影膜背后的景象,視覺上就會給人一種立體的錯覺,再加上CG(計算機動畫)技術以及高亮度的燈光,這種立體影像就會給觀眾一種惟妙惟肖的真實感。

  同樣,基於光場的顯示技術也能達到類似的3D視覺效果,但該技術採用的顯示方法,實際上是與全息完全不一樣的技術。

  所謂光場,指的是一束光在傳播過程中所包含的信息,涵蓋光線強度、位置、方向等信息。在一個具備厘米級定位精度的光場空間中,通過設置一個用光來定位的坐標系,就能實現現實環境和虛擬世界的精准疊加。例如在谷歌今年發布的沉浸式光場視頻方案中,首先要從大量的攝像頭陣列中捕獲信號,通過大型神經網絡創建出顯示內容的光場表現,並將其存儲﹔然后使用一個直徑92厘米、由46個攝像頭組成的球形結構,從不同角度捕捉周圍場景,並將多方向視角合並為一個視角,呈現出的圖像空間立體感更強,用戶可以隨著視角轉變看到不同角度的、具有動態效果的圖像。

  張啟明表示,以光場為基礎的顯示技術,其本質是記錄與顯示物體在不同方向的光線來實現三維的視覺效果,但這種技術難以把光的全部信息還原出來,存在可視角度與顯示分辨率無法同時滿足的困難。

  據張啟明介紹,全息技術路線可以分為激光全息和計算全息。目前利用激光技術的靜態全息顯示已經成熟,例如在一些博物館就可以看到靜態的展品三維圖像,基於激光全息技術發展而來的無損檢測技術、激光照相顯微術、全息照相存儲技術等,在工業生產和科學研究中已發揮了重要作用。

  但是要進一步還原動態的影像,並且與三維圖像產生交互,技術上還是非常困難的。

  “因為動態的光波相位震動非常強烈,而干涉技術需要震動范圍尺度在納米級別,從技術角度來說,實現這種震動范圍尺度還很難。”張啟明解釋說,動態全息顯示存在一定的技術瓶頸,主要表現為全息圖片的還原速度。“假如要達到人眼看圖像呈現出的動態效果,需要讓圖像還原速度達到每秒24幀,而目前隻能做到每秒1幀。”他進一步解釋說,決定全息圖片還原速度的是激光打印技術,即如何在同一時間在全息圖片上進行多點打印。激光打印技術越先進,全息圖片所包含的信息就越豐富、越全面,還原出的立體圖像就越完整。現階段,激光打印技術還有很大的提升空間。

  據介紹,激光全息是借助參考光記錄物光波的振幅和相位,而計算全息則是將全息記錄與再現過程的一部分用計算機來完成,在確定物光波的數學描述后,可以利用計算機控制繪圖儀或其他記錄裝置(例如陰極射線管、電子束掃描器等),用模擬的干涉圖樣合成全息圖片。利用計算全息技術,還能夠通過建立數學模型來合成現實中存在的實物,許多產品的防偽標識都使用這種方式來實現的。

  全息顯示技術從靜態到動態,相當於從固定膠片曝光單張照片,跨越到視頻通話中圖像實時編碼解碼,這其中涉及到大量的計算。如今,人工智能深度學習算法也為計算全息運算速度的提升提供了有力工具。

  暢想一下,未來的某一天,人們足不出戶,秀麗山河盡在眼前﹔醫生通過全息虛擬圖像精准指導醫療儀器開展手術﹔通過遠程視頻會議,可以清晰感受到對方的神態語氣……全息顯示技術一旦獲得重大突破,將會給顯示技術領域帶來翻天覆地的變革,甚至它還有希望成為一種遠距離傳輸工具。“這種就不是通過電腦設計出一個模型來展示,而是採集現場的人或場景數據復刻一個模型在另外的場景還原,這種現場採集三維立體數據快速建模的技術目前正在逐漸成熟。”張啟明說。