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科幻作品里的显示技术离我们有多远?——全息显示器
发布时间:2021/12/09 14:26:00
 
 
   刘慈欣在科幻作品《流浪地球》一书中几次提到全息显示器:“她挥手在空中画了一下,手腕上的计算机甩出一幅全息景象,显示出一个落日下的海滩”、“小星老师按了一下手腕上的全息显示器,我们面前的空中立刻显示出一幅全息影像,孩子们的注意力立刻被它吸引过去,暂时安静下来,那是一个晶莹透明的密封玻璃球”等。书中向我们描绘了一幅幅神奇的景象,带我们走入了科幻的世界。
 
   全息(holography)一词来自希腊语,意思是全部图像信息。全息技术是利用了光的干涉原理,完整地记录并重现了物体反射的光波。光波携带了物体形状、表面纹理和位置等信息,我们就是通过物体反射的光波来观察世界的。全息技术首先记录光波信息,然后通过一个空间光调制器(用于信号转换),来「读出」光波信息,最后将处理过的光波传送给人眼。这种光波「回放」方式,和我们观察物体本身具有相同的效果,因此是最“真实”的立体显示效果。

   上述过程中,需要记录大量的信息,同时空间光调制器设计起来也相当复杂,再加上光波所需的计算量和存储空间都很大,使大场景全息三维显示暂时还无法实现。
 
   2010年日本虚拟歌姬初音未来举办“全息”演唱会,2015年春晚上运用“全息投影”技术实现4个“李宇春”同唱《蜀绣》,2020年电视新闻媒体出现利用“5G+4K全息”技术,实现主持人与访谈对象的跨屏互动……似乎全息显示已经实现,但这些所谓的“全息”其实与真正的全息显示技术相去甚远。目前除了博物馆已经出现的静态全息显示,其他人们熟知的所谓“全息”技术名场面,大部分都是一种“伪全息”。

   “伪全息”可以称得上是全息显示界的“六耳猕猴”。它有着几乎可以以假乱真的本领,在视觉效果上,“伪全息”同样可以让人用肉眼看到三维立体图像悬浮在空中。但仔细观察就会发现,这些“伪全息”技术并不能实现立体影像360度可视,例如虚拟偶像演唱会虽然给我们呈现出了栩栩如生的立体影像,但是其必须在特制的舞台上,且要在黑暗当中才能实现,观众也必须要从特定的角度进行观看。
   它实际上是一种叫做“佩珀尔幻象”的光学错觉技术,实质上是在各类介质(如全息投影膜、水雾、透明玻璃、墙体等)的辅助下,利用人眼视觉的偏差对大脑进行欺骗。其原理并不复杂,就是利用一张在保持清晰显像的同时,能让观众看见背后景物的全息投影膜,首先使物体在膜中形成虚像,再加上半透明投影膜背后的景象,视觉上就会给人一种立体的错觉,再加上CG(计算机动画)技术以及高亮度的灯光,这种立体影像就会给观众一种惟妙惟肖的真实感。
   同样,基于光场的显示技术也能达到类似的3D视觉效果,但该技术采用的显示方法,实际上是与全息完全不一样的技术。所谓光场,指的是一束光在传播过程中所包含的信息,涵盖光线强度、位置、方向等信息。在一个具备厘米级定位精度的光场空间中,通过设置一个用光来定位的坐标系,就能实现现实环境和虚拟世界的精准叠加。
 
   以光场为基础的显示技术,其本质是记录与显示物体在不同方向的光线来实现三维的视觉效果,但这种技术难以把光的全部信息还原出来,存在可视角度与显示分辨率无法同时满足的困难。
   而真正的全息还在发展道路上摸索前行。全息技术路线可以分为激光全息和计算全息。目前利用激光技术的静态全息显示已经成熟,例如在一些博物馆就可以看到静态的展品三维图像。但是要进一步还原动态的影像,并且与三维图像产生交互,技术上还是非常困难的。
 
   因为动态的光波相位震动非常强烈,而干涉技术需要震动范围尺度在纳米级别,从技术角度来说,实现这种震动范围尺度还很难。动态全息显示存在一定的技术瓶颈,主要表现为全息图片的还原速度。假如要达到人眼看图像呈现出的动态效果,需要让图像还原速度达到每秒24帧,而目前只能做到每秒1帧。决定全息图片还原速度的是激光打印技术,即如何在同一时间在全息图片上进行多点打印。激光打印技术越先进,全息图片所包含的信息就越丰富、越全面,还原出的立体图像就越完整。现阶段,激光打印技术还有很大的提升空间。
   激光全息是借助参考光记录物光波的振幅和相位,而计算全息则是将全息记录与再现过程的一部分用计算机来完成,在确定物光波的数学描述后,可以利用计算机控制绘图仪或其他记录装置(例如阴极射线管、电子束扫描器等),用模拟的干涉图样合成全息图片。
 
   畅想一下,未来的某一天,人们足不出户,秀丽山河尽在眼前;医生通过全息虚拟图像精准指导医疗仪器开展手术;通过远程视频会议,可以清晰感受到对方的神态语气……全息显示技术一旦获得重大突破,将会给显示技术领域带来翻天覆地的变革,甚至它还有希望成为一种远距离传输工具。
   人们对美好视觉效果的追求,是推进显示技术发展的关键,而自然真实、三维立体的视觉效果是人们最终的目标,作为下一代显示技术的重要选项,全息技术必将不断发展成熟,书中场景一定会实现。
 
 
   (部分资料来源于网络,侵权必删)
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