圖 | 用真手拍攝的全息照片（來(lái)源: Nature Communications）

文丨學(xué)術(shù)頭條

在科幻電影中，我們經(jīng)常看到這樣的情景：在一塊很大的屏幕上，一個(gè)個(gè)如幽靈般移動(dòng)的 3D 物體（或者人）“飄”在我們眼前，栩栩如生，活靈活現(xiàn)，我們可以從各個(gè)角度看到它們。

在現(xiàn)實(shí)生活中，我們也能實(shí)現(xiàn)類似的攝影效果，這就涉及到了一種被稱為全息攝影（holography）的攝影技術(shù)。

1947 年，英國(guó)匈牙利裔物理學(xué)家 Dennis Gabor 發(fā)明了全息攝影技術(shù)，他也因此獲得了 1971 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自誕生以來(lái)，全息攝影已有近 70 年的歷史。

2018 年，美國(guó)相機(jī)公司 RED 推出了世界上首款全息投影智能手機(jī)；2019 年，韓國(guó)三星公司發(fā)布了一項(xiàng)全息投影專利，該技術(shù)可以應(yīng)用于智能手機(jī)、智能音箱等設(shè)備，將天氣、時(shí)間等信息通過(guò)全息投影在空中呈現(xiàn)，具有十足的科技感。

但是，由于傳統(tǒng)的全息視頻顯示器存在光學(xué)器件視角狹窄、所需光學(xué)系統(tǒng)龐大以及需要強(qiáng)大的計(jì)算能力等問(wèn)題，全息動(dòng)態(tài)視頻目前尚未大規(guī)模應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。

近日，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上的一項(xiàng)研究提出了一款超薄交互式全息顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)讓觀眾從多個(gè)角度觀看高分辨率的 3D 視頻，該技術(shù)有望讓全息視頻顯示屏更好地集成到移動(dòng)設(shè)備中。

（來(lái)源：Nature Communications）

研究人員采用特殊的背景光和光擺動(dòng)機(jī)制，將 3D 視頻的觀看角度增加了 30 倍，并實(shí)現(xiàn)了總厚度小于 10 厘米的超薄交互式全息顯示屏設(shè)計(jì)，成功投射了一個(gè)可多角度觀看的全屏 4K 交互式 3D 海龜游泳視頻。

神奇的全息攝影

全息攝影是指無(wú)需使用鏡頭即可創(chuàng)造出獨(dú)特?cái)z影圖像的方法，這種影像的攝影記錄被稱為全息圖（Hologram），Hologram 一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)，其中 “holos” 表示 “整體視圖”（whole view），gram 的意思是 “書面”（written）。

普通的照片記錄的是物體反射光強(qiáng)度的變化，在反射光較少的地方產(chǎn)生暗區(qū)，在反射光較多的地方產(chǎn)生亮區(qū)。然而，全息攝影不僅記錄光的強(qiáng)度，還記錄其相位或組成反射光的波陣面彼此的相干程度。

全息圖以 3D 立體的方式顯示物體的“整體”圖，通過(guò)記錄并重建從被觀測(cè)物反射回來(lái)的光場(chǎng)，從而保留物體的深度信息，并保存多個(gè)方向上反射回來(lái)的光場(chǎng)。

圖 | 用真手拍攝的全息照片（來(lái)源: Nature Communications）

全息圖像和人的手與攝像機(jī)的距離相同，這樣就提供了一種自然的深度感知，促使觀察者將注意力集中在物體本身，而不是屏幕上。

全息圖在藝術(shù)、科學(xué)和技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的用途。例如，在我們的信用卡和身份證上，都有全息圖像，用來(lái)防止假冒；在醫(yī)學(xué)影像學(xué)上，肝臟等人體器官的 3D 全息圖可以為醫(yī)生提供更加全方位的視角；在工業(yè)生產(chǎn)中，全息圖可以用來(lái)檢查產(chǎn)品上裂紋，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制；在藝術(shù)領(lǐng)域，全息圖也可以是一個(gè) 3D 的純光學(xué)藝術(shù)創(chuàng)作空間。

之前的研究表明，全息視頻系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)使用直接調(diào)制光波陣面的空間光相位調(diào)制器（SLM），可以以視頻速率更新全息圖。然而，使用體積較大的光學(xué)系統(tǒng)，僅僅能產(chǎn)生垂直視差的全息圖。

4G、5G網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋，讓人們實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨處在智能手機(jī)上觀看視頻。然而，想要使全息攝影技術(shù)“棲身”于便攜的移動(dòng)設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)移動(dòng)式全息視頻顯示器（ mobile holographic video display），在技術(shù)上首先需要克服以下障礙：

1. 空間帶寬乘積（space-bandwidth product，SBP）的局限性決定了全息圖像的大小和視角，當(dāng)前可用的空間光相位調(diào)制器的 SBP 通常比靜態(tài)全息介質(zhì)的 SBP 小幾百倍，只能實(shí)現(xiàn)小尺寸或窄視角的動(dòng)態(tài)全息圖。

2. 為了產(chǎn)生大的相干背光，需要復(fù)雜的光學(xué)組件和相當(dāng)大的空間來(lái)操縱光。然而，目前在的商業(yè)化平板顯示器很難在薄度上滿足實(shí)現(xiàn)像全息顯示器的要求。

3. 實(shí)時(shí)地計(jì)算全息圖通常需要巨大的計(jì)算成本，并且隨著 SBP 的增加，計(jì)算量也會(huì)增加。通過(guò)算法優(yōu)化后，仍需要群集處理器或高性能并行處理系統(tǒng)，才能以視頻幀速率計(jì)算高質(zhì)量的全息圖。

有史以來(lái)最大視角的動(dòng)態(tài)全息圖

這項(xiàng)研究首次演示了實(shí)時(shí)交互式超薄全息視頻顯示，通過(guò)引入由相干BLU（C-BLU）和光束偏轉(zhuǎn)器（BD）組成的轉(zhuǎn)向背光單元（S-BLU），使有效 SBP 比原始值增加了 30 倍，實(shí)現(xiàn)了有史以來(lái)最大視角的動(dòng)態(tài)全息圖。

圖 | 全息視頻處理器示意圖及其光學(xué)架構(gòu)和關(guān)鍵部件：a. 光學(xué)架構(gòu)由光束偏轉(zhuǎn)器、相干-背光單元、幾何相位透鏡和空間光調(diào)制器組成；b. 光束偏轉(zhuǎn)器的原理，它像棱鏡一樣對(duì)透射光進(jìn)行光學(xué)引導(dǎo)：垂直和水平相位陣列引導(dǎo)光的角度分辨率為 0.02，在波長(zhǎng)為 520nm 時(shí)，引導(dǎo)光的角度分辨率可達(dá)~15；c. 利用波導(dǎo)配置相干-背光單元：紅光和綠光的第一波導(dǎo)和藍(lán)光的第二波導(dǎo)疊加在一起，提高整體效率；d. 全息視頻處理器在單片 FPGA 上實(shí)現(xiàn)。（來(lái)源：Nature Communications）

S-BLU 是擴(kuò)大全息顯示器視角的關(guān)鍵組件。在傳統(tǒng)的光束轉(zhuǎn)向中，受集光率限制，最大轉(zhuǎn)向角會(huì)隨著光源面積的增加而減小。而這項(xiàng)研究所設(shè)計(jì)的全息視頻系統(tǒng)中，研究人員通過(guò)使用 C-BLU 的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成功解決了集光率問(wèn)題。

小視角的一個(gè)缺點(diǎn)是觀看距離長(zhǎng)，研究人員通過(guò)使用焦距為 1 m 的鏡頭，使觀看距離減少了 25 倍。

對(duì)于實(shí)時(shí)交互式全息視頻的顯示，往往需要精準(zhǔn)計(jì)算觀看者眼睛的位置來(lái)更新 3D 圖像，利用圖層法，使用大量的二維逆快速傅里葉逆變換（2D IFFT）運(yùn)算，才可為真實(shí)場(chǎng)景生成高質(zhì)量的全息圖。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了高度并行的體系結(jié)構(gòu)，并減少硬件的使用，構(gòu)建了基于 IFFT 的全息視頻處理器。該處理器可以同時(shí)計(jì)算左右眼的兩個(gè)全息圖像，最后組合成一個(gè)全息圖。

該全息視頻處理器采用單芯片 FPGA 構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)以每秒 30 幀（fps）的速度生成 3840*2160 像素的雙目全息彩色圖像。研究人員成功投射了一個(gè)可多角度觀看的全屏 4K 交互式 3D 海龜游泳視頻。

圖 | 全彩實(shí)時(shí)全息電影截圖

輕輕動(dòng)一動(dòng)手指控制鍵盤，視頻中的海龜就可以沿任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這也證明了使用該全息視頻處理器可以對(duì)動(dòng)態(tài)全息圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

圖 | 超薄平板全息視頻顯示器結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Nature Communications）

該研究使用 10.1 英寸超高清商用液晶顯示器實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)超薄全彩色全息視頻顯示，而且該全息視頻處理器可以輕松嵌入到智能手機(jī)應(yīng)用處理器中。

在佩戴 3D 眼鏡觀看電影后，人們往往會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)疲勞感。全息顯示屏能在空間中創(chuàng)建 3D 圖像，讓觀眾在多維度觀看真實(shí)物體的同時(shí)，眼睛不會(huì)有疲勞感。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中同時(shí)計(jì)算了左右眼的兩個(gè)全息圖像，進(jìn)一步降低了觀看者的視頻不適感。

研究人員表示，這一研究成果將有力推動(dòng)移動(dòng)全息視頻的發(fā)展。或許在不久的將來(lái)，科幻影片里的場(chǎng)景或許就會(huì)出現(xiàn)在我們的生活中，拿出我們的智能手機(jī)，一部 3D 全息視頻就可以輕松上演。