喜歡科幻電影的人，對全息顯示這項(xiàng)炫酷的技術(shù)一定不會感到陌生。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，向在場的人們發(fā)出呼救信號,。這一經(jīng)典橋段隱含了全息顯示技術(shù)的特別之處——無論觀眾站在哪個方位,，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5G專場上，騰訊多媒體實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān),、5G專家斯蒂芬·溫格指出,，基于光場技術(shù)的全息顯示將會是顯示技術(shù)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(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,光子振動呈現(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)弱可以通過膠片等手段被記錄下來，相位卻很難被記錄下來,?！?947年，英國物理學(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,。
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(xiàn)亮條紋,，波峰與波谷疊加處會出現(xiàn)暗條紋,，這種相互作用最終會呈現(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(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(fā)出的光波經(jīng)物體反射后形成的光波,，其相位和振幅會發(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，即“全息圖”,。
當(dāng)用特定的再現(xiàn)光波照射全息圖時,，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,，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,。
我們熟知的名場面可能是“偽全息”
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(yùn)用“全息投影”技術(shù)實(shí)現(xiàn)4個“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)主持人與訪談對象的跨屏互動……
可能有人會覺得，全息顯示技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn),。但專家認(rèn)為,，深究其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法就會發(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(lǐng)，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(xì)觀察就會發(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)際上是一種叫做“佩珀?duì)柣孟蟆钡墓鈱W(xué)錯覺技術(shù),，實(shí)質(zhì)上是在各類介質(zhì)(如全息投影膜、水霧,、透明玻璃,、墻體等)的輔助下，利用人眼視覺的偏差對大腦進(jìn)行欺騙,。其原理并不復(fù)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(jī)動畫)技術(shù)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(shí)感。
同樣,，基于光場的顯示技術(shù)也能達(dá)到類似的3D視覺效果,，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,，指的是一束光在傳播過程中所包含的信息，涵蓋光線強(qiáng)度,、位置,、方向等信息。在一個具備厘米級定位精度的光場空間中,，通過設(shè)置一個用光來定位的坐標(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(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建出顯示內(nèi)容的光場表現(xiàn)，并將其存儲,；然后使用一個直徑92厘米,、由46個攝像頭組成的球形結(jié)構(gòu)，從不同角度捕捉周圍場景,，并將多方向視角合并為一個視角,，呈現(xiàn)出的圖像空間立體感更強(qiáng)，用戶可以隨著視角轉(zhuǎn)變看到不同角度的,、具有動態(tài)效果的圖像,。
張啟明表示，以光場為基礎(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實(shí)現(xiàn)三維的視覺效果,，但這種技術(shù)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。
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)展而來的無損檢測技術(shù),、激光照相顯微術(shù)、全息照相存儲技術(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)閯討B(tài)的光波相位震動非常強(qiáng)烈，而干涉技術(shù)需要震動范圍尺度在納米級別,，從技術(shù)角度來說,，實(shí)現(xiàn)這種震動范圍尺度還很難?！睆垎⒚鹘忉屨f,，動態(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,，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，而計算全息則是將全息記錄與再現(xiàn)過程的一部分用計算機(jī)來完成,，在確定物光波的數(shù)學(xué)描述后,，可以利用計算機(jī)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(shù),，還能夠通過建立數(shù)學(xué)模型來合成現(xiàn)實(shí)中存在的實(shí)物，許多產(chǎn)品的防偽標(biāo)識都使用這種方式來實(shí)現(xiàn)的,。
全息顯示技術(shù)從靜態(tài)到動態(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)時編碼解碼,，這其中涉及到大量的計算,。如今，人工智能深度學(xué)習(xí)算法也為計算全息運(yùn)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(yī)生通過全息虛擬圖像精準(zhǔn)指導(dǎo)醫(yī)療儀器開展手術(shù)；通過遠(yuǎn)程視頻會議,，可以清晰感受到對方的神態(tài)語氣……全息顯示技術(shù)一旦獲得重大突破,，將會給顯示技術(shù)領(lǐng)域帶來翻天覆地的變革，甚至它還有希望成為一種遠(yuǎn)距離傳輸工具,?！斑@種就不是通過電腦設(shè)計出一個模型來展示，而是采集現(xiàn)場的人或場景數(shù)據(jù)復(fù)刻一個模型在另外的場景還原,，這種現(xiàn)場采集三維立體數(shù)據(jù)快速建模的技術(shù)目前正在逐漸成熟,。”張啟明說,。
