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圖片來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)
喜歡科幻電影的人，對(duì)全息顯示這項(xiàng)炫酷的技術(shù)一定不會(huì)感到陌生。在電影《星球大戰(zhàn)》中，航天機(jī)器人R2-D2發(fā)射出一種藍(lán)色的光，萊婭公主的形象栩栩如生地出現(xiàn)在藍(lán)光中，向在場(chǎng)的人們發(fā)出呼救信號(hào)。這一經(jīng)典橋段隱含了全息顯示技術(shù)的特別之處——無(wú)論觀眾站在哪個(gè)方位，都可以看到所顯示內(nèi)容的立體形象。
在現(xiàn)實(shí)世界中，從事光學(xué)顯示領(lǐng)域研究的專(zhuān)業(yè)人士也為這項(xiàng)技術(shù)深深著迷。在9月中旬舉辦的2020騰訊全球數(shù)字生態(tài)大會(huì)5G專(zhuān)場(chǎng)上，騰訊多媒體實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)、5G專(zhuān)家斯蒂芬·溫格指出，基于光場(chǎng)技術(shù)的全息顯示將會(huì)是顯示技術(shù)的未來(lái)。中國(guó)工程院院士許祖彥也表示：“人們對(duì)美好視覺(jué)效果的追求，是推進(jìn)顯示技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，而自然真實(shí)、三維立體的視覺(jué)效果是人們最終的目標(biāo)。下一代顯示技術(shù)將有可能是全息。”
全息顯示實(shí)質(zhì)上是對(duì)光的記錄和還原
那到底什么是真正的全息顯示技術(shù)？如今又發(fā)展到了哪一步呢？
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(gè)參數(shù)，其中振幅反映的是光的強(qiáng)弱，而相位則指的是光波在前進(jìn)時(shí)，光子振動(dòng)呈現(xiàn)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(gè)參數(shù)，還原出物體的三維影像。
上海理工大學(xué)人工智能納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的張啟明教授告訴記者：“振幅的強(qiáng)弱可以通過(guò)膠片等手段被記錄下來(lái)，相位卻很難被記錄下來(lái)?！?947年，英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯發(fā)明了全息術(shù)，利用光干涉技術(shù)記錄光的相位，即利用光與光之間相互干涉形成的有規(guī)律條紋，來(lái)記錄光的相位并還原光。丹尼斯·蓋伯因此獲得1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)，波峰與波峰疊加處會(huì)出現(xiàn)亮條紋，波峰與波谷疊加處會(huì)出現(xiàn)暗條紋，這種相互作用最終會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的明暗相間的條紋分布，這就是光的干涉現(xiàn)象。
而全息顯示就是利用光波的干涉原理，在物波場(chǎng)（物體光波波動(dòng)所涉及的空間）中引入一個(gè)參考光波，使其與物光波（光源發(fā)出的光波經(jīng)物體反射后形成的光波，其相位和振幅會(huì)發(fā)生改變）在記錄平面疊加產(chǎn)生干涉條紋，將干涉條紋記錄下來(lái)，即“全息圖”。
當(dāng)用特定的再現(xiàn)光波照射全息圖時(shí)，就可以重現(xiàn)出原始物光波，從而形成原物體逼真的三維像。
張啟明強(qiáng)調(diào)說(shuō)，全息術(shù)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。
我們熟知的名場(chǎng)面可能是“偽全息”
2010年日本虛擬歌姬初音未來(lái)舉辦“全息”演唱會(huì)，2015年春晚上運(yùn)用“全息投影”技術(shù)實(shí)現(xiàn)4個(gè)“李宇春”同唱《蜀繡》，今年電視新聞媒體出現(xiàn)利用“5G+4K全息”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主持人與訪談對(duì)象的跨屏互動(dòng)……
可能有人會(huì)覺(jué)得，全息顯示技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn)。但專(zhuān)家認(rèn)為，深究其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些所謂的“全息”其實(shí)與真正的全息顯示技術(shù)相去甚遠(yuǎn)。目前除了博物館已經(jīng)出現(xiàn)的靜態(tài)全息顯示，其他人們熟知的所謂“全息”技術(shù)名場(chǎng)面，大部分都是一種“偽全息”。
“偽全息”可以稱(chēng)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(lǐng)，在視覺(jué)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(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些“偽全息”技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)立體影像360度可視，例如虛擬偶像演唱會(huì)雖然給我們呈現(xiàn)出了栩栩如生的立體影像，但是其必須在特制的舞臺(tái)上，且要在黑暗當(dāng)中才能實(shí)現(xiàn)，觀眾也必須要從特定的角度進(jìn)行觀看。
它實(shí)際上是一種叫作“佩珀?duì)柣孟蟆钡墓鈱W(xué)錯(cuò)覺(jué)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是在各類(lèi)介質(zhì)（如全息投影膜、水霧、透明玻璃、墻體等）的輔助下，利用人眼視覺(jué)的偏差對(duì)大腦進(jìn)行欺騙。其原理并不復(fù)雜，就是利用一張?jiān)诒３智逦@像的同時(shí)，能讓觀眾看見(jiàn)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(jué)上就會(huì)給人一種立體的錯(cuò)覺(jué)，再加上CG（計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)）技術(shù)以及高亮度的燈光，這種立體影像就會(huì)給觀眾一種惟妙惟肖的真實(shí)感。
同樣，基于光場(chǎng)的顯示技術(shù)也能達(dá)到類(lèi)似的3D視覺(jué)效果，但該技術(shù)采用的顯示方法，實(shí)際上是與全息完全不一樣的技術(shù)。
所謂光場(chǎng)，指的是一束光在傳播過(guò)程中所包含的信息，涵蓋光線強(qiáng)度、位置、方向等信息。在一個(gè)具備厘米級(jí)定位精度的光場(chǎng)空間中，通過(guò)設(shè)置一個(gè)用光來(lái)定位的坐標(biāo)系，就能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬世界的精準(zhǔn)疊加。例如，在谷歌今年發(fā)布的沉浸式光場(chǎng)視頻方案中，首先要從大量的攝像頭陣列中捕獲信號(hào)，通過(guò)大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建出顯示內(nèi)容的光場(chǎng)表現(xiàn)，并將其存儲(chǔ)；然后使用一個(gè)直徑92厘米、由46個(gè)攝像頭組成的球形結(jié)構(gòu)，從不同角度捕捉周?chē)鷪?chǎng)景，并將多方向視角合并為一個(gè)視角，呈現(xiàn)出的圖像空間立體感更強(qiáng)，用戶(hù)可以隨著視角轉(zhuǎn)變看到不同角度的、具有動(dòng)態(tài)效果的圖像。
張啟明表示，以光場(chǎng)為基礎(chǔ)的顯示技術(shù)，其本質(zhì)是記錄與顯示物體在不同方向的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)三維的視覺(jué)效果，但這種技術(shù)難以把光的全部信息還原出來(lái)，存在可視角度與顯示分辨率無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足的困難。
真正的全息還在發(fā)展道路上摸索前行
據(jù)張啟明介紹，全息技術(shù)路線可以分為激光全息和計(jì)算全息。目前利用激光技術(shù)的靜態(tài)全息顯示已經(jīng)成熟，例如在一些博物館就可以看到靜態(tài)的展品三維圖像，基于激光全息技術(shù)發(fā)展而來(lái)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、激光照相顯微術(shù)、全息照相存儲(chǔ)技術(shù)等，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已發(fā)揮了重要作用。
但是要進(jìn)一步還原動(dòng)態(tài)的影像，并且與三維圖像產(chǎn)生交互，技術(shù)上還是非常困難的。
“因?yàn)閯?dòng)態(tài)的光波相位振動(dòng)非常強(qiáng)烈，而干涉技術(shù)需要振動(dòng)范圍尺度在納米級(jí)別，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這種振動(dòng)范圍尺度還很難。”張啟明解釋說(shuō)，動(dòng)態(tài)全息顯示存在一定的技術(shù)瓶頸，主要表現(xiàn)為全息圖片的還原速度?！凹偃缫_(dá)到人眼看圖像呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)效果，需要讓圖像還原速度達(dá)到每秒24幀，而目前只能做到每秒1幀。”他進(jìn)一步解釋說(shuō)，決定全息圖片還原速度的是激光打印技術(shù)，即如何在同一時(shí)間在全息圖片上進(jìn)行多點(diǎn)打印。激光打印技術(shù)越先進(jìn)，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?，F(xiàn)階段，激光打印技術(shù)還有很大的提升空間。
據(jù)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(jì)算全息則是將全息記錄與再現(xiàn)過(guò)程的一部分用計(jì)算機(jī)來(lái)完成，在確定物光波的數(shù)學(xué)描述后，可以利用計(jì)算機(jī)控制繪圖儀或其他記錄裝置（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(jì)算全息技術(shù)，還能夠通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)合成現(xiàn)實(shí)中存在的實(shí)物，許多產(chǎn)品的防偽標(biāo)識(shí)都是用這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
全息顯示技術(shù)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，相當(dāng)于從固定膠片曝光單張照片，跨越到視頻通話中圖像實(shí)時(shí)編碼解碼，這其中涉及大量的計(jì)算。如今，人工智能深度學(xué)習(xí)算法也為計(jì)算全息運(yùn)算速度的提升提供了有力工具。
暢想一下，未來(lái)的某一天，人們足不出戶(hù)，秀麗山河盡在眼前；醫(yī)生通過(guò)全息虛擬圖像精準(zhǔn)指導(dǎo)醫(yī)療儀器開(kāi)展手術(shù)；通過(guò)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議，可以清晰感受到對(duì)方的神態(tài)語(yǔ)氣……全息顯示技術(shù)一旦獲得重大突破，將會(huì)給顯示技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)翻天覆地的變革，甚至它還有希望成為一種遠(yuǎn)距離傳輸工具?！斑@種就不是通過(guò)電腦設(shè)計(jì)出一個(gè)模型來(lái)展示，而是采集現(xiàn)場(chǎng)的人或場(chǎng)景數(shù)據(jù)復(fù)刻一個(gè)模型在另外的場(chǎng)景還原，這種現(xiàn)場(chǎng)采集三維立體數(shù)據(jù)快速建模的技術(shù)目前正在逐漸成熟?！睆垎⒚髡f(shuō)。（侯樹(shù)文 科技日?qǐng)?bào)記者王春）
科技日?qǐng)?bào)
