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现在用的各种技术,到底什么是全息?

2023-03-22 10:337350


全息影像还有一点神奇之处,即使将全息照片剪碎,每张碎片也包含了物体全部光学信息,透过这些碎片,就像透过望远镜看世界,随着观察角度的改变,可以看到不同的部位。普通照片则无法做到这一点,这是由于全息的特殊记录方式,使其每一处都包含了被记录物体所有的光学信息。

通过全息照片的碎片也可以看到全部信息。来源:youtube

那么,我们生活中铺天盖地的“全息裸眼3d体验”是真正意义上的全息吗?《星球大战》中机器人投射出的三维影像、《钢铁侠》炫酷的悬空操作界面是未来全息的样子吗?

作者以为:实际上,静态全息影像的记录和还原技术已经相对成熟,而严格意义上的动态全息影像,需要脱离显示介质,直接在空气中形成360度无死角观看的像,还并未问世。全息概念和理论最初由英国匈牙利裔科学家丹尼斯·盖伯(Gábor Dénes)在20世纪40年代提出,在60年代被实现,应该特指利用激光,以干涉条纹的方式记录并还原立体影像的技术方法。

如今市场上将全息技术与三维影像技术划等号,实则不严谨,全息实际上也可以看做是实现三维影像、立体观感的一种方式,与其他技术相对平行。目前,只有全息技术可以记录还原相位信息,“物理”属性很突出,而要区分市面常见的真伪全息,最简单粗暴的判定方式是:立体观感是否受到观察角度与距离的影响,若有影响,则非真全息。

科幻电影中的全息影像。来源:youtube

全息艺术作品。来源:youtube

接下来,我们介绍几种在市面上经常与“全息”概念混淆,但可以实现立体观感的技术方式。

我们将以下几种技术归为“伪全息”,市面上经常自称“全息”。注意,“伪”并不是贬义词,这些技术大都有较好的视觉效果且受限较少、应用场景广泛、商业化程度高,只是与“全息”的原始概念有较大偏差,作者认为它们也许可以跳出全息的定义框,自立门户。

镜面反射视错觉

3D illusion maker。来源:youtube

这款像飞碟一样的产品,内部都是镜子,当把玩具青蛙放到底部时,在开孔处特定角度观看,会感觉青蛙趴在小孔上面,仿佛触手可及,伸了手却“竹篮打水一场空”,令人火大。这个“恶作具”有很真实的三维立体效果,其实是利用了凹面镜反射成像原理。

实体青蛙的光线经过两个盘子内凹面镜的各种镜面反射,在小孔处形成了一个反向的虚像,观测者从反射光焦点的角度观看到虚像,就看见了“悬浮”的青蛙。

魔术师、布景师对于这种利用镜面反射实现的视错觉效果如数家珍,创造了很多经典、有趣的玩法。

镜面反射装置艺术。来源:wiki

利用视觉错觉,还可以实现更神奇的三维立体效果。想象一下,一块无边屏幕放在面前,全黑背景中悬浮着一只大烟斗,没人会觉得烟斗是漂浮在实际空间中的,因为还有这块屏幕在眼前,那么,如果屏幕就像一块玻璃,只显示一只悬浮的烟斗,透过背景就像通过洁净无暇的玻璃看景色,我们就会产生一种这个烟斗就是悬浮在我们所处空间的错觉,立体感极强。这就是市面上大多数称为“全息”技术的基本盘,其实是我们的眼睛被“骗”了。

这种“伪全息”技术的实现方式则多种多样,利用视错觉、投影、数码技术等方法将影像在有一定透明度的介质上呈现,由于成像介质如若隐形,“影像”仿佛“活”在真实空间中。

3d风扇屏

led风扇屏。来源:youtube

3D风扇屏利用视觉暂留现象,扇叶上装有数控Led灯珠阵列,高速旋转时,显示的画面形成连续的动态效果,在较暗的环境下人眼无法捕捉到高速旋转的扇叶,充当成像介质的扇叶被“隐去”,只能看到前景的影像,给人一种影像在真实空间中漂浮的立体感错觉。当然,这种成像方式从侧面和背面无法观察。

佩珀尔幻象

佩珀尔幻象(Peppers ghost)技术应用广泛,相对成熟,历史悠久,起初为舞台魔术表演而设计,现在多用于游乐场、鬼屋、舞台演出等领域。周杰伦与邓丽君的隔空对唱,麦当娜与虚拟乐队的跨次元同台,Burberry秀场惊艳的“影分身”都是利用了这项技术实现。

邓丽君与周杰伦同台演唱。来源:wiki

将“半透半反”薄膜在舞台上与地板呈45°倾斜放置,黑色背景的影像(例如演员表演影像、特殊视觉效果等)在平行于地面的上空播放,透过薄膜,影像与地面呈垂直角度显现,通过控制室内灯光,台下观众从正面无法看到作为成像介质的这层膜和黑色背景,误以为“影像”中的演员也在舞台地板上表演。

薄膜在舞台上与地板呈45°倾斜放置。来源:youtube

Peppers ghost需要在特定角度观看,一般为舞台前方,越往两侧、越远,三维效果越差。

网络上有丰富的“360度全息”DIY教程,在手机屏幕上倒立放置金字塔形透明塑料板,对应每个透明塑料板面,播放黑色背景的视频,透过金字塔,从正面观看,即可看到立体的影像。

以下的技术我们认为可以归为“类全息”,与“伪全息”相比,其技术门槛更高,与全息的概念更接近,以“数字”或“物理”的方式记录及还原物体光学信息并形成三维立体影像,但并没有脱离显像介质,有些需要需要佩戴设备,有些受观看角度限制,有些暂时无法呈现复杂影像。

光场全息

我们的左右眼接收到的光学信息,反映出的图像都略有不同,大脑根据左右眼对同一物体的信息差异判断距离,进而产生立体空间感。这就是视差(parallax)的概念,利用视差,模拟人眼习惯,即可实现一些立体的效果。

任天堂的3Ds游戏机就是利用了视差原理,在屏幕上同时显现两个影像,使玩家感受到“裸眼3d”效果。

任天堂3ds裸眼3d效果。来源:youtube

“Looking Glass”这款产品同样利用了视差原理,类似于我们小时候在格尺上经常看到的光栅动画,换个角度就会看到不同的图像,“Looking Glass”的开发者编写了一种算法,将2d图像实时转换成50个不同水平观测角度的图像,再通过一块特制的多层合成厚玻璃进行分光、过滤,相当于每一层显示不同的角度,最终呈现可以裸眼观察的三维图像,这种技术目前被称为“光场全息”。

Looking Glass产品图。来源:youtube

XR技术

还记得2021春晚周杰伦表演的《莫吉托》吗?直播中,周杰伦在充满古巴风情和孟菲斯艺术的三维动画空间中起舞漫步,其实这些画面在现场并不存在,而是运用了延展现实XR(Extended reality)技术将这些虚拟元素与表演者和真实空间同步合成,严丝合缝的呈现在屏幕中。随着增强现实、混合现实等技术的发展、应用,我们的真实世界与虚拟世界交相辉映,“庄周梦蝶”也许会成为全人类共同的话题。

春晚周杰伦表演的《莫吉托》。来源:CCTV.COM

XR通过数字计算技术,结合现实情景与虚拟环境,并实现一定的人机互动;其中包含增强现实(AR)、混合现实(MR)、虚拟现实(VR),所有的立体影像、效果都需要佩戴设备或通过屏幕来呈现,虽然数字扫描、建模、影像、交互等技术发展将使各类XR的显像效果越来越接近于真实,其“虚拟”的数字本质则与“全息”的物理本质有一定差别,从最初的概念来看,不应属于传统的真全息。

交互式空气投影

Interactive Aerial Projection。来源:youtube

交互式空气投影(Interactive Aerial Projection)与“海市蜃楼”现象异曲同工,最初由麻省理工大学的研究生Chad Dyne 研究发明。无需佩戴附加装置,用户既可以观察到三维的影像,又可以在其中进行手势交互。

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