你看到的可能都是假“全息”来看看真的全息显示是啥样
喜欢科幻电影的人，对全息显示这项炫酷的技术一定不会感到陌生。在电影《星球大战》中，航天机器人R2-D2发射出一种蓝色的光，莱娅公主的形象栩栩如生地出现在蓝光中，向在场的人们发出呼救信号。这一经典桥段隐含了全息显示技术的特别之处——无论观众站在哪个方位，都可以看到所显示内容的立体形象。
在现实世界中，从事光学显示领域研究的专业人士也为这项技术深深着迷。在9月中旬举办的2020腾讯全球数字生态大会5G专场上，腾讯多媒体实验室标准总监、5G专家斯蒂芬·温格指出，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表示：“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。下一代显示技术将有可能是全息。”
全息显示实质上是对光的记录和还原
那到底什么是真正的全息显示技术？如今又发展到了哪一步呢？
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，其中振幅反映的是光的强弱，而相位则指的是光波在前进时,光子振动呈现出交替的波形变化。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。
上海理工大学人工智能纳米光子学实验室的张启明教授告诉记者：“振幅的强弱可以通过胶片等手段被记录下来，相位却很难被记录下来。”1947年，英国物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息术，利用光干涉技术记录光的相位，即利用光与光之间相互干涉形成的有规律条纹，来记录光的相位并还原光。丹尼斯·盖伯因此获得1971年诺贝尔物理学奖。
简单来说，两列或几列光波在空间相遇时，波峰与波峰叠加处会出现亮条纹，波峰与波谷叠加处会出现暗条纹，这种相互作用最终会呈现出稳定的明暗相间的条纹分布，这就是光的干涉现象。
而全息显示就是利用光波的干涉原理，在物波场（物体光波波动所涉及的空间）中引入一个参考光波，使其与物光波（光源发出的光波经物体反射后形成的光波，其相位和振幅会发生改变）在记录平面叠加产生干涉条纹，将干涉条纹记录下来，即“全息图”。
当用特定的再现光波照射全息图时，就可以重现出原始物光波，从而形成原物体逼真的三维像。
张启明强调说，全息术所形成的三维图像不需要借助特制的眼镜等工具，直接用肉眼就可以看到。
我们熟知的名场面可能是“伪全息”
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》，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……
可能有人会觉得，全息显示技术离我们并不遥远。但专家认为，深究其技术实现方法就会发现，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。例如在谷歌今年发布的沉浸式光场视频方案中，首先要从大量的摄像头阵列中捕获信号，通过大型神经网络创建出显示内容的光场表现，并将其存储；然后使用一个直径92厘米、由46个摄像头组成的球形结构，从不同角度捕捉周围场景，并将多方向视角合并为一个视角，呈现出的图像空间立体感更强，用户可以随着视角转变看到不同角度的、具有动态效果的图像。
张启明表示，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。
真正的全息还在发展道路上摸索前行
据张启明介绍，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，基于激光全息技术发展而来的无损检测技术、激光照相显微术、全息照相存储技术等，在工业生产和科学研究中已发挥了重要作用。
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。”张启明解释说，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。”他进一步解释说，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。
据介绍，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。利用计算全息技术，还能够通过建立数学模型来合成现实中存在的实物，许多产品的防伪标识都使用这种方式来实现的。
全息显示技术从静态到动态，相当于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的提升提供了有力工具。
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。“这种就不是通过电脑设计出一个模型来展示，而是采集现场的人或场景数据复刻一个模型在另外的场景还原，这种现场采集三维立体数据快速建模的技术目前正在逐渐成熟。”张启明说。（王 春）
科学家发明能摸到的3D全息投影，拍虚拟篮球触感宛如真球
智东西（公众号：zhidxcom）
作者 | ZeR0
编辑 | 漠影
看见篮球的3D全息投影已经不稀奇，但如果你能拍打、触摸这个篮球幻像，而且能感受到它的弹性呢？
英国格拉斯哥大学的一个工程师团队提出一种新方法，能创造跟全息投影进行物理交互的感觉。
当你用不同力度拍这个虚拟篮球时，你的手掌会感受到不同的弹性力道，就像在拍一个真球，你的手、手指和手腕都会有逼真的触感。
而实现这样宛如科幻片里的互动体验，完全不需要可穿戴或手持外围设备，比传统的VR/AR系统更加轻便。
这项研究的论文题目为《交互式立体显示的伪全息投影和气动反馈》，已发表于WILEY智能系统领域旗舰刊Advanced Intelligent Systems上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aisy.202100090
一、三种模式，让虚拟篮球拍起来像真球
如何做到逼真的篮球弹跳触感？
研究团队打造了一个带有气动触觉反馈设备的伪全息投影。
用于交互式立体显示的带有气动触觉反馈的伪全息投影
如图，其开发的系统有3个主要组件，分别是伪全息显示、手势识别模块和触觉反馈设备。这些组件被连接到主计算机，并通过基于Unity平台的内部构建程序进行控制。
其中，伪全息显示基于Pepper的幽灵投影方案，创造了一种物体“漂浮”在空中的错觉；手势识别模块使得用户可用手势与虚拟对象进行交互。
除了视觉反馈外，该系统通过提供触觉反馈来提供更真实的交互感。
其触觉反馈设备名为Aerohaptics，当用户操纵虚拟物体时，该设备使用指向用户手上的加压空气喷射，来复制触摸感觉，同时它还提供位置和强度控制，以适应各种交互场景。
根据全息投影与用户之间的交互性质，Arduino控制器单元可区分多种操作模式，包括恒压模式、手部标志选择模式和手部跟踪模式。
在恒压输出模式下，无论手的空间位置如何，系统都会向用户提供恒定的气动反馈，即用户会感受到相同的压力。
在手部标志选择模式下，算法可以选择用户手的哪个部分（共6个标志，每个指尖各1个+手掌上1个）是跟踪系统的目标，系统可以准确地提供气动触觉反馈给不同的手部标志。
在手部跟踪模式下，压力基于3D虚拟成像的拓扑与用户手的运动交互，Arduino控制器单元将手指速度值直接映射到压力调制单元，使用户感觉像触碰到一个真实存在的东西。
比如用户试图拍打全息篮球时，将收到与拍打球时“感知”的力度成正比的气动反馈，能感受到球从指尖滚动时“圆圆”的形状，以及球弹回手掌时的弹跳压力变化。
二、定位精准到手指，拍得越重反弹越猛
随后，研究团队用实验展示了其系统的两项功能，即触觉反馈传递的准确定位控制和可调触觉反馈强度。
首先在控制触觉反馈传递的位置方面，系统可控制空气喷射以非常高的精度指向不同位置。
系统中的商业手部跟踪设备可以检测到用户手部的不同位置，包括手指、手掌、手腕等，跟踪系统和气体喷嘴能准确控制触觉反馈的传递位置。
为了证明这一点，Aerohaptics系统被编程为按顺序瞄准用户手上的单个指尖，研究人员在用户指尖上粘了纸条，这样就能清晰看到喷气的位置是否精准。
从上图（d）中可以看到，空气会集中喷在目标手指上，相邻手指上粘的纸条没有受到干扰。
其次，为了提供不同强度的触觉反馈，其系统包含一个气流控制机制，以调节喷到用户手部的空气量。这在很多情况下都很有用。
比如，当用户的手离空气喷嘴越来越近或越来越远时，触觉反馈的强度可以保持不变；当用户试图迅速猛拍虚拟篮球，会产生更强的触觉反应；当用户拍打幅度很轻时，球的反馈强度也会相应降低。
研究人员在用户的手掌上放了一个力传感器，并记录了触觉反馈的强度，获得的图像结果显示了虚拟篮球三次硬弹跳后气流变化，然后是三次较软的气流，从而致使传递给用户手的力发生了变化。
三、比其他全息显示功能更全
Aerohaptics系统由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Ravinder Dahiya教授领导的可弯曲电子和感应技术（BEST）小组开发。
Dahiya教授说，近年来，触觉反馈和立体显示技术取得了长足的进步，使我们更接近于与虚拟对象进行逼真地交互。
但当前的触觉技术往往要用到可穿戴或手持外围设备，其高成本与复杂性可能会阻碍该技术的普及。
与其他交互式全息显示相比，Aerohaptics系统能将其他系统实现的360°视角、空中手势识别、触觉等功能合在一起，同时无需用户连接设备。
相对于其他在3D虚拟环境中提供触觉反馈的技术，启动触觉反馈系统拥有反馈定位和强度控制等优势，并保持较低的复杂性和低成本。
结语：未来或引入嗅觉反馈
总体来看，与在虚拟环境中提供触觉反馈的其他方法相比，Aerohaptics系统是一个成本效益高的解决方案，复杂性相对较低。
研究团队正在考虑给系统添加更多触觉反馈功能，比如温度变化带来的感觉，嗅觉反馈也可以通过该系统在气流中引入各种气味来提供。随着后续进一步发展，Aerohaptics系统拥有实现多种感官相互作用的潜力。
这在现实生活中的应用有相当广阔的探索空间，比如可以为远程电话会议创造更逼真的3D渲染互动，帮医生在虚拟空间执行棘手的操作，或者让医生远程指导机器人进行真正的手术。
来源：Tech Xplore
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