“咫尺天涯”不再是幻想

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全息投影技术就解答了这个问题。我们经常可以在科幻电影中见到一种立体的、虚拟现实的通讯技术，可以把远处的人或物以三维的形式投影在空气之中，如电影《星球大战》、《阿凡达》，都有类似的场景，营造出一种让身处不同地方的人能“身临其境”的场所，实现所谓的“咫尺天涯”。这就是全息投影技术经过夸张后在影片中的应用。全息投影作为一种记录并再现物体真实三维图像的技术，可以使用空气或者特殊的镜片作为介质，在上面形成立体的影像。你可能认为这项技术是一种幻想，科幻色彩太浓，但如今这个设想已接近现实，并已经渐渐走进了我们的工作生活中。

幻影世界—全息投影技术解析

什么是全息投影呢？简单来说，全息技术其实就是真实三维图像的记录和再现，这一难题其实早在1947年就被攻克，当时伦敦大学帝国理工学院的丹尼斯.伽伯博士发明了全息立体摄像，并因此获得1971年诺贝尔物理学奖。一般的三维图像只是在二维平面上通过构图及色彩明暗变化来实现人眼的三维感觉，而全息立体摄影产生的全息图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息，能提供“视差”。观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象—如同有个真实的物体在那里一样。

相信现在大家都有些疑惑，以上所描述的不就是常听到的裸眼3D技术吗？事实上全息技术从广义范畴上来说是裸眼3D技术的一种，而裸眼3D技术却并不一定指代的是全息技术。从狭义上来说，裸眼3D技术对视角、距离都有一定范围的限制，而且内容是完全一致的。而全息技术的特征是支持多角度观看，不同视角，看见的内容都不一样，它再现象光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，故再现象与原物有着完全相同的三维特性。换句话说，人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包括各种位置视差，这即是全息三维显示的理论依据。从这种意义上来说，全息图像才是真正的三维图像，而通过普通裸眼3D技术再现的由体视对合成的图像充其量仅是准三维图像。

简单来说，全息投影技术的原理是利用光学的干涉和衍射原理，使影像在空中浮现，呈现立体效果，其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，即制作全息相片。和常规影像的不同之处是，全息影像记录的不仅仅是三维物体的平面图像，而是光场本身。常规影像只记录了反映在物体表面光强的变化；全息则记录光波的全部信息，除振幅外还记录光波的们相，这相当于把胶片制成不规则的光栅，利用物光和参考光在感光材料上记录一幅幅图。在全息相片的拍摄过程，被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束，另一部分激光作为参考光束照射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图或称全息照片。

全息投影技术的第二步是利用衍射原理再现物体光波信息即利用对适当照明光的衍射，把记录在全息影像上的三维影像提取出来。这里就涉及到成像过程：全息图像犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

强烈的空间感和透视感是全息投影技术最引人入胜的地方，因为它可以使幻像与表演者产生互动，一起完成各种表演，产生令人震憾的演出效果。比如初音未来演唱会、席琳狄翁与猫王跨世纪对唱、迈克杰克逊复活演唱会都是仰赖全息投影技术，甚至在2010年中国上海举办的世界博览会当中也有多个国家馆采用全息投影技术，如白俄罗斯馆就以3D立体投影技术创造出以假乱真的拟真三维影像，让观众无需远赴白俄罗斯，即可观赏存放在乌克兰国家博物馆中的文物，譬如：腰带、雪茄盒、酒杯、银币、盐罐、烛台等，不少观众还误以为这些文物都是实物。说不定下次举办世博会时，各参展国家已不需再将国宝千里迢迢运至海外，只需通过全息投影技术即可将其在大众面前展示。不过，现在的全息投影技术仍不是真正的全息成像技术，还需要通过全息膜来达到成像效果。

最具魔幻效果的360度全息幻影成像

360度全息幻影成像，是目前全息投影技术中目前最具魔幻效果的技术，其由丹麦公司ViZoo于2006年研发，它是基于“分光镜成像”的光学原理，将实际的三维视频播放源通过特殊的光学镜反射，在空气中形成虚拟的三维景象，并且从任意角度观看都是三维影像展现。系统基于分光镜成像原理，由柜体、分光镜、射灯及视频播放设备组成，同时其拥有一个由全息膜搭建的倒金字塔形三角漏斗几何模型，在使用中，通过对产品实拍构建三维模型的特殊处理，再将拍摄的的产影像或产品三维模型影像由四台投影机投射的到全息膜上，在漏斗里经过一系列的光学衍射，最后汇合成为全息图像。

不过，360度全息幻影成像仍不是真正的全息成像，严格来讲仍属于“伪”全息的概念—整合成像仍需要由特殊材质制造的全息薄膜来实现。全息膜技术是德国国家实验室在2001年首创三维成像技术，这是一种采用了全息技术的透明投影屏幕，这种投影屏幕具有全息图像的特点，只显示来自某一特定角度的图像，而忽略其他角度的光线。当投影设备将制作好的立体影像投射到这种光学聚光膜上时，膜的后方就会呈现出立体的画面。从准确意义上来说，360度全息幻影成像仍是“2.5D”的成像，就如同在屏幕上播放3D画面，这和观看3D电影的道理一样，只是这个屏幕可以调节透明度，当屏幕为全透明时，舞台上就只会留下成像，这就是通过调节屏幕中的局部粒子浓度显示出不透明效果并成像所达成的。

不过当我们仔细观察时，会发现全息膜里有很多纤细的线路，借助这些线路，使用者通过手指触摸就可以与全息影像进行互动，依靠这薄薄的透明膜，无论是T形台上的流光溢彩，还是舞台上虚幻影像，都可以实现。目前，全息投影膜技术主要由德国和瑞典的少数厂家所掌控，身价也相当昂贵，透光率为70%的全息膜市场价普遍在1800～2200元/平方米，这也严重阻碍其应用的普遍性。即使如此，360度全息幻影成像所采用的新颖方式在现实中给人们带来了惊艳、梦幻的视觉效果。从Disel时装T台秀中全息投影技术的运用，美轮美奂的全息投影画面伴随模特的走步，把观众带到了另一个世界中，好像使观众体验了一次虚拟与现实的双重世界。目前360度幻影成像已是国内各种展览、会中常见的场景，宝马汽车或者珠宝等各种产品的影像悬浮在半空中，自动旋转，营造出亦幻亦真的氛围，各个角度的细节都清晰可见。

发展中的全息显示技术

当然全息显示技术不会就此止步，现在已经有更多的公司进入全息显示研究领域，希望通过全息技术衍生出更多的产品。

1.现实中的海市蜃楼—空气投影成像

美国麻省理工学院研究生Chad Dyne所成立的IO2公司在2005年推出了空气投影技术，这种投影成像系统可以在气流中产生具互动功能的三维影像。Chad Dyne也许没有想到，他在29岁发明的这种空气投影和交互技术，已经开始改变人们传统的视觉习惯。这项技术设计的灵感来自海市蜃楼的原理，由投影机与空气屏幕系统构成气体投影系统。

IO2公司的空气投影技术被称为“Heliodisplay”，它是一套气体投影系统，这款产品借助了海市蜃楼的成像原理：首先利用一个空气屏幕系统制造出由水蒸气形成的雾墙，然后用一个专用的投影机将画面投射在上面，观看者看到的将会是漂浮在空气中的影像或影片。由于空气与雾墙的分子震动并不均衡，可以形成层次感和立体感很强的图像。如果显示对象是3D物体，那么X、Y、Z轴都可以得到显示，虚拟的物体看起来与真实物体一样触手可及。

目前，IO2的这套“Heliodisplay”系统已经发展到第三代，新系统的显示分辨率为1024×768像素，支持4:3和16:9视频格式，对比度则为2000:1，另外降噪表现也比之前有很大提升。最新的“Heliodisplay”系统配备了独特的金属指针，通过它，用户可以在屏幕上书写、移动图像、以及进行虚拟控制操作，做到更贴近人们想象中样子的三维投影产品的控制功能。用户可以像好莱坞电影中的人一样，使用完全虚拟的悬浮按钮和显示屏。在未来，IO2公司希望用其“Heliodisplay”系列产品替代CRT、LCD以及PDP等显示器产品。

需要说明的是，空气投影系统投影出来的影像实际上仍为2D图像，但因其放映呈现30度角，所以观众看上去会有3D影像之感。此外，空气投影成像技术使用上无法全空间任意展示，投射出的影像会随着空气流动而摆动，画面容易有晃动的感觉，而且在强光干扰或速度过快的情况下会出现故障。这一切使其在户外的应用能力大打折扣。

2.再现真实3D影像—全息激光3D影像

我们这里谈的激光3D投影，并不是我们平时所谈的激光投影机，而是一种三维成像投影技术。它是日本公司Science and Technology在2006年推出的3D成像技术，其技术原理是利用红外激光脉冲加热空气中的氮气和氧气，使这些气体变成灼热的浆状物质，从而生成一定数量的等离子，这些等离子就成为一个个显示像素，并足以在空气中维持到能够形成一个短暂的3D影像。

从应用上来说，这项技术能够构建出完全真实的3D图像，但我们也应该注意到，目前该项技术所提供的图像成像时间较为短暂，其分辨率、色彩和图像品质都难如人意，只能显示一些较为简单的图像，仍无法应用在长时间、复杂的应用层面上。

3.仍在深入研究的技术

早在2007年南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员研制出一种360度全息显示屏，它可以在合理距离下显示任何角度的3D图片。整个显示系统包括一个高速视频投影机、一个被全息扩散体覆盖的旋转镜面，还有一个专门的处理器进行电脑独特渲染视频信号的解码。这种全息显示屏使用了标准的可编程显卡来完成每秒渲染5000多幅交互式3D图片的任务，这些图片可以投影在一个各向异性反射体上，然后利用动作追踪垂直视差和透视修正几何方法来支持3D动作。

此外，苹果公司在立体全息显示方面也充满兴趣，它在2010年5月13日申请了一项三维显示系统专利，该系统能够提供一个充满现实感的全息三维显示体验。而英国德蒙福特大学不久前也启动了一个开发互动式三维显示系统的项目HELIUM3D。这项技术将创建出全息的效果，给观众带来更有深度的视场。此外，该项目目前正在探索新的方式，让多个用户在同一时间观看不同的频道，或选择不同的观赏角度看同一画面。例如，在一场足球比赛中，用户可以在体育场内选择自己喜欢的位置观看游戏。

与此同时，日本广播公司也计划在2020年之前第一台支持全息显示的“Holo-TV”，并已拨款28亿英镑用于这一雄心勃勃的项目。日本人非常自信，认为他们能够向全世界提供全息广播节目，并将这项服务作为申办2022年世界杯举办权的一个重要砝码。HoloTV播放的每一场比赛画面将由200台高清晰摄像机360度拍摄，而后以3D影像的方式播放：激光器负责投射一个“图像云”，好似飘浮在房间中央。观众可以在不佩戴3D眼镜情况下从每一个角度欣赏立体影像。

不久的将来全息显示还将走进我们的移动通信设备中，为我们带来魔幻般的视频通信效果。目前有一些概念性设计的移动通讯设备准备利用全息技术通过投影的形式来显示3D图像，实现更形象生动的即时通讯，并且可以通过互动式操作来使用控制器和指标球实现画面切换、颜色调节等操作。当然，在现在看来，这一切似乎还过于“科幻”，但不管怎样3D全息移动设备还是能让我们对未来充满期待。

写在最后：

未来随着数字时代与3D全息投影技术之日新月异，将可创造出更极为逼真的影像，而利用这些影像建可以构建出一个完全虚拟的空间，影像与空间虚实关系的应用与创作将盛行，因为这样的场景与氛围让视觉分不清现实与虚拟，对空间的虚实视觉也将随着近趋真实感的影像而模糊。

未来影音娱乐将会一改现在观众面向屏幕的观赏的观赏方式，转变为可360度围坐的方式，接近于欣赏舞台剧Live秀的模式。在这些方面，使用者可以充分发挥自己的想象力，或许能创造出许多不同寻常的观赏方式。

当然，全息显示技术目前还存在一些急需解决的问题，如价格整体偏高、显示效果还不太完美，真正进入家庭可能尚需时日。但是从源源不断的新品中，我们可以看到这种全新的显示技术已经离我们越来越近了。