剖析与VR/AR相关的黑科技——全息投影技术

1947 年,英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影技术,他因此项工作获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖这项技术从发明开始就一直应用于电子显微技术中,在这个领域中被称为电子全息投影技术,但一直到 1960 年激光的发明后,全息投影才取得了实质性的进展。现在,大家所熟知的微软 Hololens 和 Magic Leap 所谓的神秘黑科技就是运用了这项技术。今天,我们来为大家深入剖析一下全息投影技术。



全息投影是一种显示技术,它需要媒介,而且得实时进行,并且可以与人交互。我们把它的媒介称之为“全息介质”,它不能凭空产生,这就是为什么目前这项技术很难普及的原因。全息投影将影像投射到全息介质上,从而在人们眼前呈现出了3D的效果。这项技术也被人们称为虚拟成像技术,现在非常火热的增强现实(AR)就运用到了这个技术。


全息投影技术本质就是实现三维图像的记录和再现。


第一步:记录,利用干涉原理记录物体光波信息。一般的三维图只是在二维的平面上通过构图及色彩明暗变化实现人眼的三维错觉,而全息影像则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。观众可以通过多角度来观看图像在不同角度的形态变化,就像有个真实的物体在那里一样。当然,现在的技术已经不再局限于记录真实的影像,还可以制作完全虚拟的三维数字影像。记录的难题早在 1947 年就被攻克了。


第二步:再现,利用衍射原理再现物体光波信息。主要归功于全息膜技术的诞生,使三维图像的再现成为了可能。依靠这薄薄的透明膜,无论是T形台上的流光溢彩,还是舞台上虚幻影像,都可以实现。随着全息膜的技术进步,现在一些全息膜里面有许多细细的线路丝。借助这些线路丝,人们通过手指触摸就能与全息影像进行互动。这个技术在 2001 年才取得突破。


为什么说“直到 1960 年激光的发明后,全息投影才取得了实质性的进展”呢?因为真正的全息图像是由激光全息照相技术——使用分光镜形成多路激光,利用激光相干性好的特点形成衍射,所完成的一种特殊照相术。捕捉全息投影需要激光光源,而最常使用的是红色的氦氖激光


激光全息照相技术具体的原理


有人说,全息投影技术(hologram)的原理和用环绕音效录制交响乐十分类似──声音一旦被录下,就算请不到交响乐团来演奏,我们仍能一遍又一遍地重现音乐。


而全息投影技术记录的不是声音,而是光被物体散射所形成的干扰图形。如此我们便可事后重制散射光,制造出该物体实际存在的错觉。先以分光镜将光束分开,接着每道新的光束会循不同路线照射在全息投影记录盘上。第一道光束──物体光束(object beam)会照射在物体本身,第二道则照射在记录盘上,作为制作干扰图形的参考依据。


每道光束在抵达目标之前,都会通过一个镜片。全息投影记录器的镜片有别于照相机镜片,其目的不是要聚光,而是散光。物体光束照射在物体上时,光会反射与折射,部份光束会射往全息相片的方向。物体光束抵达全息相片后,会与参考光束(reference beam)发生碰撞,并形成干扰图形。光敏感化学物质所制造的微粒能忠实记录干扰图形,其原理就如同摄影技术。


曝光的全息相片基本上比较像 CD,而不像摄影负片。储存的资讯无法光靠肉眼阅读,它看起来更像是一连串凹凸不平的波形线条。若想观看全息影像图,我们必须将光源照射在底片上。


全息相片主要分为两种,每种观看的方式都不一样。观看穿透式全息相片时,我们要将单色光照透底片,借此制造出单一颜色(通常为绿色)的浮动 3D 图像。倘若是在钞票上所看到的反射式全相片,其回弹的光线则可能是多彩的。


制造全息相片的过程跟传统摄影一样,要防止其他光线渗入,因此我们通常必须在暗房里方能录制全息相片。由于大部分全息投影激光为红色,传统暗房的红光会破坏全相片,因此必须以绿光或蓝绿光取代。


全息相片对环境因子也比一般摄影敏感得多。由于要将大量资讯装载在如此小的空间里,激光只要出现细微的偏差,就可能会破坏全像。地板振动或身体动作所造成的空气振动,甚至人的呼吸都可能干扰全像制作过程。


全息相片虽然制作困难,但它所能储存的容量却非常不可思议。全息投影图片完全是立体的,从每个角度都能观看。影像可以缩放,而用某波长制造的全息投影也可以用另一波长来观看,所制造出的全息投影与观察光的波长等比例。因此理论上来说,我们只要用X光来制造全息像,然后在可见光下观看,就能做出极度微小,小至分子规模般细致的全息像。尽管理论如此,但此一概念尚未被具体实现。


会移动的全息投影


全息投影技术所面临的最大挑战是制造会移动的全息投影;就跟摄影底片一样,传统全息相片一旦经过曝光,影像就会固定下来。苏格兰公司 Holoxica 研发了可以储存预录全息影片的全息屏幕。这种屏幕的光源在后方,可以向上投射全息像。屏幕允许动态变换预录影像,借此改变可见的投射画面。接着只需透过简易干扰图形的组合,就能制造出较复杂的影像,这有点类似像素在液晶荧幕上形成影像的原理。


虚拟乐团“街头霸王”


真正的移动全息投影也许尚未问世,但 MusionAV Concepts Hologramica 等公司已利用先进的数位媒体技术,创造出拟真的一比一大小 3D 投射影像。这几家公司创造了虚拟乐团“街头霸王”(Gorillaz)、让钢琴家与其全息投影分身四手联弹,甚至让音乐家死而复生。


丽兹.贝瑞(Liz Berry)是 3D 全息投影公司 Hologramica 的主任,我们跟她讨论到佩珀尔幻象(Pepper’s Ghost)这个古老的神奇舞台表演:“佩珀尔幻象原本用于维多利亚剧院,目的是要制造出超自然的效果。他们会在观众眼前放置一个被光打亮的表演者,并在表演者和观众之间架一块玻璃。观众不知道自己正透过玻璃看着舞台,因为玻璃是透明的。而表演者的反射看起来就像是个灵异幻影。如今我们利用的则是高解析度影片,并以特殊研发的金属薄片取代玻璃。影像会投射在地板上的隐藏荧幕,因此你只看得到金属片上的反射,影像就这么变出来了!”


“这种全息幻影基本上就是透过 2D 的高解析影片来投射成像。虽然追根究底来说,我们所制造的并非全息投影,但大众还是会认为它是 3D 全息投影。有时我会想,我们应该要举办个命名大赛,找出比较好的名字,但我猜现在我们只能继续用全息投影来称呼它了!”


全息投影技术的应用



BeagleHolo


英国 Beagle Media 公司将这项技术作了小型应用,该公司研发了最先进的全息投影放映机之一:Holo。他们利用 Mac Mini 电脑和 140 公分的三星屏幕,将 2D 影像投射成看似 3D 的影像。除此之外,动作感应器也让使用者能以手势来即时操作物体。


错觉技术也可用来研发可触碰式全息投影。幻想玩具是经典的错觉技术:只要将物体置于一片朝上的凹面镜片底部,然后再盖上另一面顶部有开口的凹面镜。内室里反射的光线会将影像聚焦在开口,让物体看起来像是凭空立在上头。


任天堂 Wii 遥控器


东京大学的研究人员正利用此项技术,试图研发出可与使用者互动的全息投影。他们利用任天堂 Wii 遥控器上的红外线感测器来追踪手部动作,而空中的超音波讯号则负责制造微小的压力波,借此模拟碰触的感觉。微软公司也正针对 Kinect 感应器研发类似的技术。



微软 Kinect


这类技术的潜力无穷。全息影像不但可用于娱乐、艺术和教育,应用于媒体科学、科技设计和增强现实的潜力也无可限量。以色列的医生已能在手术过程中利用互动式全息投影,即时重制器官的模型,借此协助手术;加拿大安大略省皇后大学的人体媒体实验室(Human Media Lab)也在设计 Skype 通讯的 3D 版本,目前正在研发初期。


真正的移动式全息投影目前看起来可能有点像 1980 年代的液晶屏幕,但看看如今的液晶屏幕已发展到什么地步了。对Hologramica 公司来说,这就仿佛挑战不可能的任务:“我们可以让车子漂浮、把芭蕾舞者变成水晶天鹅、在舞台上做出一些其他方式所无法做到的效果。正所谓眼见为凭,人们只要看着这些影像,就会完全投入其中,视其如同真实。”


死而复生


2012 年,在柯契拉(Coachella)音乐节的舞台上加入了饶舌歌手史奴比狗狗(Snoop Dogg)跟德瑞博士(Dr. Dre)的表演,让现场观众又惊又喜。


如今只需要透过真实影片、电脑合成影像、替身和动作捕捉技术等科技,就能让死去的表演者复活,再次回到舞台上。这种幻象利用 Musion Eyeliner 全息投影技术制造;《How It Works 知识大图解》访问了 Hologramica 公司的主任丽兹.贝瑞,谈谈这些神奇幻象的制造与投影方法。


“要投射某个人像,你必须为该对象拍下连续且完整的全身照,作成高解析度的影片。这个任务可透过拍摄影片来达成,或你运气很好,找到某个你的拍摄对象现有的影片。或者,你也可以运用电脑合成影像。然而,更多时候你得混合多种技术。举例来说,当初创造出法兰克.辛纳屈(Frank Sinatra)的身影,就是混合了新旧影片,以电脑合成为拟真的全息投影。


“表演中的每个元素都必须看起来很逼真。灯光必须正确,这是最重要的元素。不过我认为舞台本身一开始就得谨慎设计,如此方能最有效、最优雅地布置好众多庞大的器材,这些器材所摆设的位置必须非常精准。有些需要考虑的事项完全属于技术性,有些则需要创意,也需要好的影像,最后透过电脑技术将真实影像与虚拟影像毫无瑕疵地融合在一起。”


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VIA  pansci


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