全息界的真假美猴王，你分得清吗？
2020-09-28
侯树文 科技日报记者 王春
听说过全息显示技术吗？喜欢看科幻电影的人一定对这项炫酷的技术不陌生。在《星球大战》中，航天机器人R2-D2通过发射一种蓝色的光，将莱娅公主的一段影像播放出来。这可不是简简单单的视频影像播放，其中隐含了全息显示这项未来科技的特别之处。通过不同的机位变换，观众可以从不同视角看到莱娅公主的立体形象。
而在现实世界中，从事光学显示领域研究的专业人士也深深为这项技术着迷。近日腾讯多媒体实验室标准总监、5G专家斯蒂芬·温格就指出，基于光场技术的全息显示将会是显示技术的未来。中国工程院院士许祖彦也对下一代显示技术基于厚望：“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追求。下一代显示技术将有可能是全息。”
你看到的名场面其实是“伪全息”
随着裸眼3D、AR眼镜、3D电影等技术的成熟应用，在很多人眼里，全息显示技术似乎离我们并不遥远。然而事实并非如此。目前除了博物馆已经出现的静态全息显示，其他为众人熟知的所谓“全息”技术名场面，其中的大部分都是一种“伪全息”。
2010年日本虚拟歌姬初音未来“全息”演唱会，2015年春晚节目李宇春独唱《蜀绣》号称运用了全息投影技术，一直到今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……冠以“全息”技术的新闻标题的确抓人眼球。但深究其技术实现方法会发现，这些“全息”其实与真正的全息相去甚远。
“伪全息”可以称得上是全息界的“六耳猕猴”。它有着真猴王的音容面貌，也有七十二般变化的本事。例如在视觉效果上，“伪全息”可以让人用肉眼看到三维立体图像悬浮在空中。但其技术实现路径却与真正的全息技术完全不同。
所谓的“伪”其实是利用人眼视觉的偏差对大脑进行欺骗。这些技术实际上并没有真正把光还原，也不能实现360度看到不同影像，形成“横看成岭侧成峰”的效果。例如有些剧场表演利用投影技术按照特定角度设计，换个角度就无法看到立体的效果。
既然存在“伪全息”，那什么又是真全息呢？真全息发展到哪一步了呢？
这要回到“全息”本身的概念。全息，顾名思义即全部信息。众所周知，光作为一种电磁波的形式存在，包括振幅和相位两个参数。而全息显示就是要记录下振幅和相位两个参数，还原出物体的三维影像。正如照相机的原理，拍摄照片是记录图像的光强信息，洗照片就是还原图像信息的过程。只不过照相机还原的是光的强度，而全息显示则是记录光的振幅和相位信息。也就是说，要实现全息显示需要两个步骤——记录光的全部信息，将信息还原。
“振幅的强弱可以通过胶片等手段被记录下来，而相位却很难被记录下来。”上海理工大学张启明教授向记者介绍。1947年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息术，便是利用干涉这项技术记录了光的相位，即利用光与光之间相互干涉，形成的有规律条纹记录或还原光。丹尼斯·盖伯因此获得1971年诺贝尔物理学奖。
全息术利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像，最终形成不需要借助眼镜，用肉眼就可以看到物体的三维图像。虽然光场技术等方法也能达到类似的裸眼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。
光场技术的本质是记录与显示物体在不同方向的光线实现三维的视觉效果，但是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的相互妥协的关系。
除了光场技术之外，还有一种“佩珀尔幻象”方法也能呈现物体悬浮在空中的影像。在剧场演出中的“全息投影”中，有些是借助佩珀尔幻象实现。佩珀尔幻象是一种在舞台上与某些魔术表演中产生幻觉的技术。这种技术借由使用一面平坦的玻璃与特定的光源技术，使物体可以出现或消失，或是变形成其他物体。
真全息还在路上
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就会非常困难。
“因为动态的光波相位震动会非常强烈，而干涉技术需要物体震动在纳米级别，这在技术上还很难实现。”张启明教授解释说，动态全息显示存在一定的技术瓶颈，主要是在全息片还原速度。“假如要人眼看一幅图像达到动态效果，需要将还原速度达到24帧每秒，而目前只能做到每秒1帧。”他进一步解释说，决定全息片还原速度的是激光打印技术，如何在同一时间在全息片上进行多点打印。
真正显示动态影像的全息技术还在实验室中。尽管如此，科学家们仍在孜孜不倦地朝着这项终极显示技术一点点迈进。近几年的一些基础研究已经出现了令人惊喜的成果。
上海理工大学人工智能纳米光子中心利用计算全息显示技术，用计算机建模的方式做出三维立体动画。先用计算机模拟出干涉的过程，得到全息片。这种全息片是一种激光打印的光刻胶，相当于照相机的底片，表面上像一层透明的玻璃，曝光之后会出现许多凹凸不平的形状，被激光照射后经过一系列反射将三维立体图像还原出来。
2019年上海理工大学人工智能纳米光子中心的一项研究，将轨道角动量引入计算全息，可以让不同的角动量光打到全息片上，显示出不同的图样。简而言之，该研究改变了传统计算全息的传输方式，增强光信息的存储密度，从而增强了图像显示的分辨率，并且增强了信息传输的安全性，不仅颠覆了全息影像的传输方式，更是为传输过程设置了“信息安全”的保护屏障，实现了世界上首个超宽带的光学全息过程，为大数据信息时代提供了大容量全息术。
全息显示技术从静态到动态，相当于照相机从固定胶片曝光单张照片，跨越到视频通话中图像实时编码解码。这其中涉及到大量的计算。如今，人工智能深度学习算法也为计算全息运算速度提供了有力工具。
一系列“伪全息”概念的出现充分印证了人们全息显示这项技术带来全新视觉体验的强烈期待。同时也让我们也看到，真全息技术未来可能应用的领域，如影视娱乐、文化旅游、医疗健康、远程在线视频会议以及军事等，都会带来颠覆式的变革。
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……全息显示技术商业化技术瓶颈一旦获得突破，将会给社会带来翻天覆地的变革，甚至可以成为一种远距离传输工具。“这种就不是电脑设计模型，而是采集现场的人或场景数据在另外一个地方还原，而这种现场采集三维立体数据快速建模的技术目前已经成熟。”张启明说。
责任编辑：郭旭晖 龚丽华
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