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文 奇多流口水、猴王八爪燒

as在往期的文章中探討過，本期我們從“全息”的定義出發，多角度分析市面上的現有技術，看看哪些是花拳繡腿，哪些是真才實學。（以下均為作者觀點，歡迎專業人士指正）

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

全息影像與普通影像在視覺觀感上最大的區別就是所謂的“立體感”，而營造“立體感”的關鍵因素則是光所攜帶的相位信息。我們人眼能看到物體是由于其本身發光或反光，這些光線就像是連入眼睛的數據線，將物體的各種光學信息傳送到我們眼中，從而認知物體。

與人眼工作方式類似，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（決定色彩）信息，并用一定的手段進行還原，無法包含相位（反映深度）信息，而全息的記錄方式則以兩束激光照射物體產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”所有光學信息，形成具有立體觀感的圖像。

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，進而反射在膠片上，這時，它已經不只是一束光，而是物體上千千萬萬的點的漫反射光，我們稱之為“物光”；另一束則直接照射膠片，我們稱之為“參考光”，“物光”與“參考光”相互疊加、削減，即發生干涉現象，在膠片上進行一定時長的曝光，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就是物體每一點的光學信息的“編碼”，這些條紋很小，只有用顯微鏡才能觀察到，而膠片看起來就是透明的；用相同的“參考光”照射膠片，“參考光”與膠片上的干涉條紋發生衍射，相當于“物光”的所有點與“參考光”在膠片中再次相遇，還原了當時拍照的狀態，物體上所有點的“物光”再次被“召喚”出來，“重組”物體，從而“解碼”了立體圖像。

利用相干光干涉效應制造全息圖的過程。由分光鏡將光分成兩束：打在物體上光線和參考光。共同作用，形成能被膠片記錄的干涉圖樣。實驗室中的激光是能夠滿足相干性的理想光源。兩個獨立的普通光源則不能形成相干光，因此無法形成干涉條紋。來源：Wikipedia

重建物體的立體像的過程。來源：Wikipedia

舉一個生活中不存在但可以想象的類比，將一只杯子急速冷凍，無數水分子在其表面凝結成霜，假設這些水分子從此可以在任何狀態下固定不動，我們將溫度升高，固態的水分子變為氣態，杯子解凍并移開，此刻，再將溫度急速降回一開始冷凍的狀態，水分子再次凝結成霜，并重現了物體的形狀。這里的一個個水分子相當于干涉形成的“物光”光點，空氣為膠片，可控的溫度則相當于“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信息，透過這些碎片，就像透過望遠鏡看世界，隨著觀察角度的改變，可以看到不同的部位。普通照片則無法做到這一點，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信息。

通過全息照片的碎片也可以看到全部信息。來源：youtube

那么，我們生活中鋪天蓋地的“全息裸眼3d體驗”是真正意義上的全息嗎？《星球大戰》中機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全息的樣子嗎？

作者以為：實際上，靜態全息影像的記錄和還原技術已經相對成熟，而嚴格意義上的動態全息影像，需要脫離顯示介質，直接在空氣中形成360度無死角觀看的像,還并未問世。全息概念和理論最初由英國匈牙利裔科學家丹尼斯·蓋伯（Gábor Dénes）在20世紀40年代提出，在60年代被實現，應該特指利用激光，以干涉條紋的方式記錄并還原立體影像的技術方法。

如今市場上將全息技術與三維影像技術劃等號，實則不嚴謹，全息實際上也可以看做是實現三維影像、立體觀感的一種方式，與其他技術相對平行。目前，只有全息技術可以記錄還原相位信息，“物理”屬性很突出，而要區分市面常見的真偽全息，最簡單粗暴的判定方式是：立體觀感是否受到觀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。來源：youtube

全息藝術作品。來源：youtube

接下來，我們介紹幾種在市面上經常與“全息”概念混淆，但可以實現立體觀感的技術方式。

我們將以下幾種技術歸為“偽全息”，市面上經常自稱“全息”。注意，“偽”并不是貶義詞，這些技術大都有較好的視覺效果且受限較少、應用場景廣泛、商業化程度高，只是與“全息”的原始概念有較大偏差，作者認為它們也許可以跳出全息的定義框，自立門戶。

鏡面反射視錯覺

3D illusion maker。來源：youtube

這款像飛碟一樣的產品，內部都是鏡子，當把玩具青蛙放到底部時，在開孔處特定角度觀看，會感覺青蛙趴在小孔上面，仿佛觸手可及，伸了手卻“竹籃打水一場空”，令人火大。這個“惡作具”有很真實的三維立體效果，其實是利用了凹面鏡反射成像原理。

實體青蛙的光線經過兩個盤子內凹面鏡的各種鏡面反射，在小孔處形成了一個反向的虛像，觀測者從反射光焦點的角度觀看到虛像，就看見了“懸浮”的青蛙。

魔術師、布景師對于這種利用鏡面反射實現的視錯覺效果如數家珍，創造了很多經典、有趣的玩法。

鏡面反射裝置藝術。來源：wiki

利用視覺錯覺，還可以實現更神奇的三維立體效果。想象一下，一塊無邊屏幕放在面前，全黑背景中懸浮著一只大煙斗，沒人會覺得煙斗是漂浮在實際空間中的，因為還有這塊屏幕在眼前，那么，如果屏幕就像一塊玻璃，只顯示一只懸浮的煙斗，透過背景就像通過潔凈無暇的玻璃看景色，我們就會產生一種這個煙斗就是懸浮在我們所處空間的錯覺，立體感極強。這就是市面上大多數稱為“全息”技術的基本盤，其實是我們的眼睛被“騙”了。

這種“偽全息”技術的實現方式則多種多樣，利用視錯覺、投影、數碼技術等方法將影像在有一定透明度的介質上呈現，由于成像介質如若隱形，“影像”仿佛“活”在真實空間中。

3d風扇屏

led風扇屏。來源：youtube

3D風扇屏利用視覺暫留現象，扇葉上裝有數控Led燈珠陣列，高速旋轉時，顯示的畫面形成連續的動態效果，在較暗的環境下人眼無法捕捉到高速旋轉的扇葉，充當成像介質的扇葉被“隱去”，只能看到前景的影像，給人一種影像在真實空間中漂浮的立體感錯覺。當然，這種成像方式從側面和背面無法觀察。

佩珀爾幻象

佩珀爾幻象（Peppers ghost）技術應用廣泛，相對成熟，歷史悠久，起初為舞臺魔術表演而設計，現在多用于游樂場、鬼屋、舞臺演出等領域。周杰倫與鄧麗君的隔空對唱，麥當娜與虛擬樂隊的跨次元同臺，Burberry秀場驚艷的“影分身”都是利用了這項技術實現。相關歷史文章可以查看。

鄧麗君與周杰倫同臺演唱。來源：wiki

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

薄膜在舞臺上與地板呈45°傾斜放置。來源：youtube

Peppers ghost需要在特定角度觀看，一般為舞臺前方，越往兩側、越遠，三維效果越差。

網絡上有豐富的“360度全息”DIY教程，在手機屏幕上倒立放置金字塔形透明塑料板，對應每個透明塑料板面，播放黑色背景的視頻，透過金字塔，從正面觀看，即可看到立體的影像。這就是一個家庭mini版的佩珀爾幻象。感興趣的朋友可以跟隨鏈接制作簡易版“360度全息”https://www.boredpanda.com/3d-hologram-smartphone-diy-device-mrwhosetheboss/。

以下的技術我們認為可以歸為“類全息”,與“偽全息”相比，其技術門檻更高，與全息的概念更接近，以“數字”或“物理”的方式記錄及還原物體光學信息并形成三維立體影像，但并沒有脫離顯像介質，有些需要需要佩戴設備，有些受觀看角度限制，有些暫時無法呈現復雜影像。

光場全息

我們的左右眼接收到的光學信息，反映出的圖像都略有不同，大腦根據左右眼對同一物體的信息差異判斷距離，進而產生立體空間感。這就是視差（parallax）的概念，利用視差，模擬人眼習慣，即可實現一些立體的效果。

任天堂的3Ds游戲機就是利用了視差原理，在屏幕上同時顯現兩個影像，使玩家感受到“裸眼3d”效果。

任天堂3ds裸眼3d效果。來源：youtube

“Looking Glass”這款產品同樣利用了視差原理，類似于我們小時候在格尺上經常看到的光柵動畫，換個角度就會看到不同的圖像，“Looking Glass”的開發者編寫了一種算法，將2d圖像實時轉換成50個不同水平觀測角度的圖像，再通過一塊特制的多層合成厚玻璃進行分光、過濾，相當于每一層顯示不同的角度，最終呈現可以裸眼觀察的三維圖像，這種技術目前被稱為“光場全息”。

Looking Glass產品圖。來源：youtube

XR技術

還記得2021春晚周杰倫表演的《莫吉托》嗎？直播中，周杰倫在充滿古巴風情和孟菲斯藝術的三維動畫空間中起舞漫步，其實這些畫面在現場并不存在，而是運用了延展現實XR（Extended reality）技術將這些虛擬元素與表演者和真實空間同步合成，嚴絲合縫的呈現在屏幕中。隨著增強現實、混合現實等技術的發展、應用，我們的真實世界與虛擬世界交相輝映，“莊周夢蝶”也許會成為全人類共同的話題。

春晚周杰倫表演的《莫吉托》。來源：CCTV.COM

XR通過數字計算技術，結合現實情景與虛擬環境，并實現一定的人機互動；其中包含增強現實(AR)、混合現實(MR)、虛擬現實（VR），所有的立體影像、效果都需要佩戴設備或通過屏幕來呈現，雖然數字掃描、建模、影像、交互等技術發展將使各類XR的顯像效果越來越接近于真實，其“虛擬”的數字本質則與“全息”的物理本質有一定差別，從最初的概念來看，不應屬于傳統的真全息。

交互式空氣投影

Interactive Aerial Projection。來源：youtube

交互式空氣投影（Interactive Aerial Projection）與“海市蜃樓”現象異曲同工，最初由麻省理工大學的研究生Chad Dyne 研究發明。無需佩戴附加裝置，用戶既可以觀察到三維的影像，又可以在其中進行手勢交互。

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

聲懸浮成像

多模態聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）和上述投影設備原理不同，這種顯示技術另辟蹊徑，利用聲懸浮技術（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動。

MATD。來源：youtube

裝置上下兩排微型揚聲器組成細長陣列發出高強度聲波，聲波連續振動使空氣分子不斷交替的壓縮和松弛，導致裝置中氣壓不斷起伏，通過電腦精準控制兩組聲波的強度來實時改變壓強差產生的力，進而用這個力來控制小球的精準移動，聲波就像一只無形無色的手，托著小球運動。根據視覺暫留原理，小球在三維空間的高速運動使人眼產生視覺圖像的滯后，從而連續形成肉眼可見的3D圖像。

大家一定看過無人機群表演，在空中組成各種富有立體感的形狀，如果可以實現對于多個小球的精準位置及色彩控制，那么每一個小球就像一架無人機一樣，成為一個像素點，在立體空間勾勒出更豐厚、更真實的立體動態“實體”影像。

等離子成像

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

Fairy Lights。來源youtube

以上兩種技術雖然有所突破，概念充滿想象力，但是成本高昂，目前限制較多，且成像效果單一，還在實驗室開發階段，短期商用的可能性不大，可能是未來的發展方向。

介紹了這么多技術，無論是真全息、偽全息還是類全息，無論是花拳繡腿，還是真功實學，都是“科學知識+創造力”的成果，皆為人類“視覺盛宴”中不可或缺的珍饈。“全息”的概念變得越發寬泛，也逐漸與其他技術相互融合。在某些應用場景中，有些被歸為“偽全息”的技術甚至可以帶來更好的視覺效果，科學需要“嚴謹”，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展之道，可能這其中某些技術的結合就產生了真·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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