原創(chuàng) as center as科學(xué)藝術(shù)研究中心

文 奇多流口水、猴王八爪燒

as在往期的文章中探討過(guò)，本期我們從“全息”的定義出發(fā)，多角度分析市面上的現(xiàn)有技術(shù)，看看哪些是花拳繡腿，哪些是真才實(shí)學(xué)。（以下均為作者觀(guān)點(diǎn)，歡迎專(zhuān)業(yè)人士指正）

首先，全息（hologram）是一個(gè)合成詞，源自希臘語(yǔ)：holos（全部）+gramma（信息），顧名思義，它是記錄并重現(xiàn)物體全部光學(xué)信息的一種技術(shù)。那么，光學(xué)信息包括什么呢？我們都知道，光可以被看做是一種波，那么波的振幅、波長(zhǎng)、相位等信息都是“全息”的收集對(duì)象。

全息影像與普通影像在視覺(jué)觀(guān)感上最大的區(qū)別就是所謂的“立體感”，而營(yíng)造“立體感”的關(guān)鍵因素則是光所攜帶的相位信息。我們?nèi)搜勰芸吹轿矬w是由于其本身發(fā)光或反光，這些光線(xiàn)就像是連入眼睛的數(shù)據(jù)線(xiàn)，將物體的各種光學(xué)信息傳送到我們眼中，從而認(rèn)知物體。

與人眼工作方式類(lèi)似，普通影像記錄方式接收物體反光的振幅（影響明暗、輪廓）和波長(zhǎng)（決定色彩）信息，并用一定的手段進(jìn)行還原，無(wú)法包含相位（反映深度）信息，而全息的記錄方式則以?xún)墒す庹丈湮矬w產(chǎn)生的干涉條紋將相位信息錄入膠片，再次向膠片照射激光，則可“重放”所有光學(xué)信息，形成具有立體觀(guān)感的圖像。

最基本的全息攝影工作流程：一道激光由分光器分成兩束，一束照射在被拍攝物體上，進(jìn)而反射在膠片上，這時(shí)，它已經(jīng)不只是一束光，而是物體上千千萬(wàn)萬(wàn)的點(diǎn)的漫反射光，我們稱(chēng)之為“物光”；另一束則直接照射膠片，我們稱(chēng)之為“參考光”，“物光”與“參考光”相互疊加、削減，即發(fā)生干涉現(xiàn)象，在膠片上進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)的曝光，形成干涉條紋并記錄在膠片上。

干涉條紋之間的間隔和反差其實(shí)就是物體每一點(diǎn)的光學(xué)信息的“編碼”，這些條紋很小，只有用顯微鏡才能觀(guān)察到，而膠片看起來(lái)就是透明的；用相同的“參考光”照射膠片，“參考光”與膠片上的干涉條紋發(fā)生衍射，相當(dāng)于“物光”的所有點(diǎn)與“參考光”在膠片中再次相遇，還原了當(dāng)時(shí)拍照的狀態(tài)，物體上所有點(diǎn)的“物光”再次被“召喚”出來(lái)，“重組”物體，從而“解碼”了立體圖像。

利用相干光干涉效應(yīng)制造全息圖的過(guò)程。由分光鏡將光分成兩束：打在物體上光線(xiàn)和參考光。共同作用，形成能被膠片記錄的干涉圖樣。實(shí)驗(yàn)室中的激光是能夠滿(mǎn)足相干性的理想光源。兩個(gè)獨(dú)立的普通光源則不能形成相干光，因此無(wú)法形成干涉條紋。來(lái)源：Wikipedia

重建物體的立體像的過(guò)程。來(lái)源：Wikipedia

舉一個(gè)生活中不存在但可以想象的類(lèi)比，將一只杯子急速冷凍，無(wú)數(shù)水分子在其表面凝結(jié)成霜，假設(shè)這些水分子從此可以在任何狀態(tài)下固定不動(dòng)，我們將溫度升高，固態(tài)的水分子變?yōu)闅鈶B(tài)，杯子解凍并移開(kāi)，此刻，再將溫度急速降回一開(kāi)始冷凍的狀態(tài)，水分子再次凝結(jié)成霜，并重現(xiàn)了物體的形狀。這里的一個(gè)個(gè)水分子相當(dāng)于干涉形成的“物光”光點(diǎn)，空氣為膠片，可控的溫度則相當(dāng)于“參考光”，隨著溫度的還原，杯子的“像”也被還原。

全息影像還有一點(diǎn)神奇之處，即使將全息照片剪碎，每張碎片也包含了物體全部光學(xué)信息，透過(guò)這些碎片，就像透過(guò)望遠(yuǎn)鏡看世界，隨著觀(guān)察角度的改變，可以看到不同的部位。普通照片則無(wú)法做到這一點(diǎn)，這是由于全息的特殊記錄方式，使其每一處都包含了被記錄物體所有的光學(xué)信息。

通過(guò)全息照片的碎片也可以看到全部信息。來(lái)源：youtube

那么，我們生活中鋪天蓋地的“全息裸眼3d體驗(yàn)”是真正意義上的全息嗎？《星球大戰(zhàn)》中機(jī)器人投射出的三維影像、《鋼鐵俠》炫酷的懸空操作界面是未來(lái)全息的樣子嗎？

作者以為：實(shí)際上，靜態(tài)全息影像的記錄和還原技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而嚴(yán)格意義上的動(dòng)態(tài)全息影像，需要脫離顯示介質(zhì)，直接在空氣中形成360度無(wú)死角觀(guān)看的像,還并未問(wèn)世。全息概念和理論最初由英國(guó)匈牙利裔科學(xué)家丹尼斯·蓋伯（Gábor Dénes）在20世紀(jì)40年代提出，在60年代被實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該特指利用激光，以干涉條紋的方式記錄并還原立體影像的技術(shù)方法。

如今市場(chǎng)上將全息技術(shù)與三維影像技術(shù)劃等號(hào)，實(shí)則不嚴(yán)謹(jǐn)，全息實(shí)際上也可以看做是實(shí)現(xiàn)三維影像、立體觀(guān)感的一種方式，與其他技術(shù)相對(duì)平行。目前，只有全息技術(shù)可以記錄還原相位信息，“物理”屬性很突出，而要區(qū)分市面常見(jiàn)的真?zhèn)稳ⅲ詈?jiǎn)單粗暴的判定方式是：立體觀(guān)感是否受到觀(guān)察角度與距離的影響，若有影響，則非真全息。

科幻電影中的全息影像。來(lái)源：youtube

全息藝術(shù)作品。來(lái)源：youtube

接下來(lái)，我們介紹幾種在市面上經(jīng)常與“全息”概念混淆，但可以實(shí)現(xiàn)立體觀(guān)感的技術(shù)方式。

我們將以下幾種技術(shù)歸為“偽全息”，市面上經(jīng)常自稱(chēng)“全息”。注意，“偽”并不是貶義詞，這些技術(shù)大都有較好的視覺(jué)效果且受限較少、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、商業(yè)化程度高，只是與“全息”的原始概念有較大偏差，作者認(rèn)為它們也許可以跳出全息的定義框，自立門(mén)戶(hù)。

鏡面反射視錯(cuò)覺(jué)

3D illusion maker。來(lái)源：youtube

這款像飛碟一樣的產(chǎn)品，內(nèi)部都是鏡子，當(dāng)把玩具青蛙放到底部時(shí)，在開(kāi)孔處特定角度觀(guān)看，會(huì)感覺(jué)青蛙趴在小孔上面，仿佛觸手可及，伸了手卻“竹籃打水一場(chǎng)空”，令人火大。這個(gè)“惡作具”有很真實(shí)的三維立體效果，其實(shí)是利用了凹面鏡反射成像原理。

實(shí)體青蛙的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)盤(pán)子內(nèi)凹面鏡的各種鏡面反射，在小孔處形成了一個(gè)反向的虛像，觀(guān)測(cè)者從反射光焦點(diǎn)的角度觀(guān)看到虛像，就看見(jiàn)了“懸浮”的青蛙。

魔術(shù)師、布景師對(duì)于這種利用鏡面反射實(shí)現(xiàn)的視錯(cuò)覺(jué)效果如數(shù)家珍，創(chuàng)造了很多經(jīng)典、有趣的玩法。

鏡面反射裝置藝術(shù)。來(lái)源：wiki

利用視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，還可以實(shí)現(xiàn)更神奇的三維立體效果。想象一下，一塊無(wú)邊屏幕放在面前，全黑背景中懸浮著一只大煙斗，沒(méi)人會(huì)覺(jué)得煙斗是漂浮在實(shí)際空間中的，因?yàn)檫€有這塊屏幕在眼前，那么，如果屏幕就像一塊玻璃，只顯示一只懸浮的煙斗，透過(guò)背景就像通過(guò)潔凈無(wú)暇的玻璃看景色，我們就會(huì)產(chǎn)生一種這個(gè)煙斗就是懸浮在我們所處空間的錯(cuò)覺(jué)，立體感極強(qiáng)。這就是市面上大多數(shù)稱(chēng)為“全息”技術(shù)的基本盤(pán)，其實(shí)是我們的眼睛被“騙”了。

這種“偽全息”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式則多種多樣，利用視錯(cuò)覺(jué)、投影、數(shù)碼技術(shù)等方法將影像在有一定透明度的介質(zhì)上呈現(xiàn)，由于成像介質(zhì)如若隱形，“影像”仿佛“活”在真實(shí)空間中。

3d風(fēng)扇屏

led風(fēng)扇屏。來(lái)源：youtube

3D風(fēng)扇屏利用視覺(jué)暫留現(xiàn)象，扇葉上裝有數(shù)控Led燈珠陣列，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，顯示的畫(huà)面形成連續(xù)的動(dòng)態(tài)效果，在較暗的環(huán)境下人眼無(wú)法捕捉到高速旋轉(zhuǎn)的扇葉，充當(dāng)成像介質(zhì)的扇葉被“隱去”，只能看到前景的影像，給人一種影像在真實(shí)空間中漂浮的立體感錯(cuò)覺(jué)。當(dāng)然，這種成像方式從側(cè)面和背面無(wú)法觀(guān)察。

佩珀?duì)柣孟?/p>

佩珀?duì)柣孟螅≒eppers ghost）技術(shù)應(yīng)用廣泛，相對(duì)成熟，歷史悠久，起初為舞臺(tái)魔術(shù)表演而設(shè)計(jì)，現(xiàn)在多用于游樂(lè)場(chǎng)、鬼屋、舞臺(tái)演出等領(lǐng)域。周杰倫與鄧麗君的隔空對(duì)唱，麥當(dāng)娜與虛擬樂(lè)隊(duì)的跨次元同臺(tái)，Burberry秀場(chǎng)驚艷的“影分身”都是利用了這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)歷史文章可以查看。

鄧麗君與周杰倫同臺(tái)演唱。來(lái)源：wiki

將“半透半反”薄膜在舞臺(tái)上與地板呈45°傾斜放置，黑色背景的影像（例如演員表演影像、特殊視覺(jué)效果等）在平行于地面的上空播放，透過(guò)薄膜，影像與地面呈垂直角度顯現(xiàn)，通過(guò)控制室內(nèi)燈光，臺(tái)下觀(guān)眾從正面無(wú)法看到作為成像介質(zhì)的這層膜和黑色背景，誤以為“影像”中的演員也在舞臺(tái)地板上表演。

薄膜在舞臺(tái)上與地板呈45°傾斜放置。來(lái)源：youtube

Peppers ghost需要在特定角度觀(guān)看，一般為舞臺(tái)前方，越往兩側(cè)、越遠(yuǎn)，三維效果越差。

網(wǎng)絡(luò)上有豐富的“360度全息”DIY教程，在手機(jī)屏幕上倒立放置金字塔形透明塑料板，對(duì)應(yīng)每個(gè)透明塑料板面，播放黑色背景的視頻，透過(guò)金字塔，從正面觀(guān)看，即可看到立體的影像。這就是一個(gè)家庭mini版的佩珀?duì)柣孟?。感興趣的朋友可以跟隨鏈接制作簡(jiǎn)易版“360度全息”https://www.boredpanda.com/3d-hologram-smartphone-diy-device-mrwhosetheboss/。

以下的技術(shù)我們認(rèn)為可以歸為“類(lèi)全息”,與“偽全息”相比，其技術(shù)門(mén)檻更高，與全息的概念更接近，以“數(shù)字”或“物理”的方式記錄及還原物體光學(xué)信息并形成三維立體影像，但并沒(méi)有脫離顯像介質(zhì)，有些需要需要佩戴設(shè)備，有些受觀(guān)看角度限制，有些暫時(shí)無(wú)法呈現(xiàn)復(fù)雜影像。

光場(chǎng)全息

我們的左右眼接收到的光學(xué)信息，反映出的圖像都略有不同，大腦根據(jù)左右眼對(duì)同一物體的信息差異判斷距離，進(jìn)而產(chǎn)生立體空間感。這就是視差（parallax）的概念，利用視差，模擬人眼習(xí)慣，即可實(shí)現(xiàn)一些立體的效果。

任天堂的3Ds游戲機(jī)就是利用了視差原理，在屏幕上同時(shí)顯現(xiàn)兩個(gè)影像，使玩家感受到“裸眼3d”效果。

任天堂3ds裸眼3d效果。來(lái)源：youtube

“Looking Glass”這款產(chǎn)品同樣利用了視差原理，類(lèi)似于我們小時(shí)候在格尺上經(jīng)?？吹降墓鈻艅?dòng)畫(huà)，換個(gè)角度就會(huì)看到不同的圖像，“Looking Glass”的開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)了一種算法，將2d圖像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成50個(gè)不同水平觀(guān)測(cè)角度的圖像，再通過(guò)一塊特制的多層合成厚玻璃進(jìn)行分光、過(guò)濾，相當(dāng)于每一層顯示不同的角度，最終呈現(xiàn)可以裸眼觀(guān)察的三維圖像，這種技術(shù)目前被稱(chēng)為“光場(chǎng)全息”。

Looking Glass產(chǎn)品圖。來(lái)源：youtube

XR技術(shù)

還記得2021春晚周杰倫表演的《莫吉托》嗎？直播中，周杰倫在充滿(mǎn)古巴風(fēng)情和孟菲斯藝術(shù)的三維動(dòng)畫(huà)空間中起舞漫步，其實(shí)這些畫(huà)面在現(xiàn)場(chǎng)并不存在，而是運(yùn)用了延展現(xiàn)實(shí)XR（Extended reality）技術(shù)將這些虛擬元素與表演者和真實(shí)空間同步合成，嚴(yán)絲合縫的呈現(xiàn)在屏幕中。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用，我們的真實(shí)世界與虛擬世界交相輝映，“莊周夢(mèng)蝶”也許會(huì)成為全人類(lèi)共同的話(huà)題。

春晚周杰倫表演的《莫吉托》。來(lái)源：CCTV.COM

XR通過(guò)數(shù)字計(jì)算技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情景與虛擬環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)一定的人機(jī)互動(dòng)；其中包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），所有的立體影像、效果都需要佩戴設(shè)備或通過(guò)屏幕來(lái)呈現(xiàn)，雖然數(shù)字掃描、建模、影像、交互等技術(shù)發(fā)展將使各類(lèi)XR的顯像效果越來(lái)越接近于真實(shí)，其“虛擬”的數(shù)字本質(zhì)則與“全息”的物理本質(zhì)有一定差別，從最初的概念來(lái)看，不應(yīng)屬于傳統(tǒng)的真全息。

交互式空氣投影

Interactive Aerial Projection。來(lái)源：youtube

交互式空氣投影（Interactive Aerial Projection）與“海市蜃樓”現(xiàn)象異曲同工，最初由麻省理工大學(xué)的研究生Chad Dyne 研究發(fā)明。無(wú)需佩戴附加裝置，用戶(hù)既可以觀(guān)察到三維的影像，又可以在其中進(jìn)行手勢(shì)交互。

這套投影系統(tǒng)由投影機(jī)和“空氣屏幕”組成。通過(guò)排放大量人工霧，結(jié)合空氣動(dòng)力制造相對(duì)平整的霧墻，將畫(huà)面投射在上面，由于空氣與霧墻的分子振動(dòng)不均衡，形成具有立體感的3D圖像，加上手勢(shì)交互，看起來(lái)就像鋼鐵俠全息操作界面的“平替”。（也許還有手部保濕、室內(nèi)加濕、香薰的附加功能）

聲懸浮成像

多模態(tài)聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）和上述投影設(shè)備原理不同，這種顯示技術(shù)另辟蹊徑，利用聲懸浮技術(shù)（Acoustic levitation）使一顆直徑2mm的懸浮顆粒在超聲波的作用下在懸空高速運(yùn)動(dòng)。

MATD。來(lái)源：youtube

裝置上下兩排微型揚(yáng)聲器組成細(xì)長(zhǎng)陣列發(fā)出高強(qiáng)度聲波，聲波連續(xù)振動(dòng)使空氣分子不斷交替的壓縮和松弛，導(dǎo)致裝置中氣壓不斷起伏，通過(guò)電腦精準(zhǔn)控制兩組聲波的強(qiáng)度來(lái)實(shí)時(shí)改變壓強(qiáng)差產(chǎn)生的力，進(jìn)而用這個(gè)力來(lái)控制小球的精準(zhǔn)移動(dòng)，聲波就像一只無(wú)形無(wú)色的手，托著小球運(yùn)動(dòng)。根據(jù)視覺(jué)暫留原理，小球在三維空間的高速運(yùn)動(dòng)使人眼產(chǎn)生視覺(jué)圖像的滯后，從而連續(xù)形成肉眼可見(jiàn)的3D圖像。

大家一定看過(guò)無(wú)人機(jī)群表演，在空中組成各種富有立體感的形狀，如果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于多個(gè)小球的精準(zhǔn)位置及色彩控制，那么每一個(gè)小球就像一架無(wú)人機(jī)一樣，成為一個(gè)像素點(diǎn)，在立體空間勾勒出更豐厚、更真實(shí)的立體動(dòng)態(tài)“實(shí)體”影像。

等離子成像

Fairy Lights也是一種非投影3D成像技術(shù)。除了立體的視感，甚至還會(huì)有觸感。將空氣中的分子電離，變成灼熱的漿狀物質(zhì)——電離子體，通過(guò)不斷在空氣中進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的激光爆破形成一個(gè)短暫存在的3D影像，類(lèi)似自然界的閃電，但是可控且不傷人。作者倒認(rèn)為，這個(gè)“制造閃電、形成圖形”的技術(shù)不如叫“宙斯”。

Fairy Lights。來(lái)源youtube

以上兩種技術(shù)雖然有所突破，概念充滿(mǎn)想象力，但是成本高昂，目前限制較多，且成像效果單一，還在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，短期商用的可能性不大，可能是未來(lái)的發(fā)展方向。

介紹了這么多技術(shù)，無(wú)論是真全息、偽全息還是類(lèi)全息，無(wú)論是花拳繡腿，還是真功實(shí)學(xué)，都是“科學(xué)知識(shí)+創(chuàng)造力”的成果，皆為人類(lèi)“視覺(jué)盛宴”中不可或缺的珍饈?！叭ⅰ钡母拍钭兊迷桨l(fā)寬泛，也逐漸與其他技術(shù)相互融合。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，有些被歸為“偽全息”的技術(shù)甚至可以帶來(lái)更好的視覺(jué)效果，科學(xué)需要“嚴(yán)謹(jǐn)”，生活則需要“放松”。也許，雅俗共賞、和而不同、擇善而從才是蓬勃共榮的發(fā)展之道，可能這其中某些技術(shù)的結(jié)合就產(chǎn)生了真·全息。

Reference:

https://en.wikipedia.org/wiki/Holography

https://en.wikipedia.org/wiki/Curved_mirror

https://www.youtube.com/watch?v=tzWP-NL3Lck

https://www.youtube.com/watch?v=gRvNsolz_VE&t=53s

https://www.youtube.com/watch?v=AoWi10YVmfE

https://www.physicscentral.com/explore/action/femtosecond-hologram.cfm

https://www.youtube.com/watch?v=TNcTssBV1fI

https://www.youtube.com/watch?v=X2IYoyv_x0Q

https://www.youtube.com/watch?v=tzn_QHTC-NI

https://www.twowaymirrors.com/peppers-ghost-illusion/

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