AR中的全息投影技术原来是这么回事
2020-08-27 08:33

  绝对排得上名列。这项技术发明于1947年的英国匈牙利裔物理学家丹尼斯盖伯,他因此项工作获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。这项技术从发明开始就一直应用于电子显微技术中,在这个领域中被称为电子,但一直到 1960 年激光的发明后,全息投影才取得了实质性的进展。现在,大家所熟知的微软 Hololens 和 Magic Leap 所谓的神秘黑科技就是运用了这项技术。今天,我们来为大家深入剖析一下

  全息投影是一种显示技术,它需要媒介,而且得实时进行,并且可以与人交互。我们把它的媒介称之为“全息介质”,它不能凭空产生,这就是为什么目前这项技术很难普及的原因。全息投影将影像投射到全息介质上,从而在人们眼前呈现出了3D的效果。这项技术也被人们称为虚拟成像技术,现在非常火热的增强现实(AR)就运用到了这个技术。

  全息投影可以分为如下若干类。透射全息投影,如利思和乌帕特尼克斯所发明的技术,这种技术通过向全息投影胶片照射激光,然后从另一个方向来观察重建的图像。后来经过改进,彩虹全息投影可以使用白色光来照明,以观察重建的图像。彩虹全息投影广泛的应用于诸如信用卡安全防伪和产品包装等领域。这些种类的彩虹全息投影通常在一个塑料胶片形成了表面浮雕图案,然后通过在背面镀上铝膜使光线透过胶片以重建图像。另一种常见的全息投影技术称为反射全息投影,或称为丹尼苏克全息投影。这种技术可以通过使用白色光源从和观察者相同的方向来照射胶片,通过反射来重建彩色的图像,以重建图像。镜面全息投影是一种通过控制镜面在二维表面上的运动来制造三维图像的相关技术。它通过控制反射光线或者折射光线来构造全息图像,而盖伯的全息投影是通过衍射光来重建波前的。

  促使全息投影在短短的一段时间内就蓬勃发展的关键原因是低成本的固体激光器的大规模生产,如DVD播放机和其他的一些常用设备中所使用的激光器。这些激光器对全息投影的发展也产生了极大的促进作用。这些廉价的体积又很小的固体激光器可以在某些条件下与最初用于全息投影的那些大型的昂贵的气体激光器相媲美,因此使得预算较低的研究者、艺术家甚至业余爱好者都可以参与到全息投影研究中来。

  全息投影技术(front-projected holographic display)也称虚拟成像技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。

  其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程: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。

  其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图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。

  全息投影技术在舞台中的应用,不仅可以产生立体的空中幻像,还可以使幻像与表演者产生互动,一起完成表演,产生令人震撼的演出效果。从时装发布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把虚拟与现实的双重世界。再到梦幻剧场《动漫大师诺曼》中全息投影技术的运用,舞台艺术与电影片断在同一空间出现了非凡的融合,给观众展示了世界多媒体艺术最新的创新成果。服务和销售行业是最需要群众基础的,能最大限度的吸引消费者就是王道。全息投影技术在这方面的运用以全新的视角聚拢了人们的眼球,勾起了消费者的消费欲望。

  全息景象是指观众可以在发生器的发生口度即一圈内可以看到幻像,全息投影系统将三维画面悬浮在实景的半空中成像,营造了亦幻亦真的氛围,效果奇特具有强烈的纵深感,真假难辩。时尚美观,有科技感;顶端透明,真正的空间成像;色彩鲜艳,对比度,清晰度高;有空间感,透视感,形成空中幻象;中间可结合实物,实现影像与实物的结合;也可配加触摸屏实现与观众的互动;可以根据要求做成四面窗口。

  英国 Beagle Media 公司将这项技术作了小型应用,该公司研发了最先进的全息投影放映机之一:Holo。他们利用 Mac Mini 电脑和 140 公分的三星屏幕,将 2D 影像投射成看似 3D 的影像。除此之外,动作感应器也让使用者能以手势来即时操作物体。

  错觉技术也可用来研发可触碰式全息投影。幻想玩具是经典的错觉技术:只要将物体置于一片朝上的凹面镜片底部,然后再盖上另一面顶部有开口的凹面镜。内室里反射的光线会将影像聚焦在开口,让物体看起来像是凭空立在上头。

  东京大学的研究人员正利用此项技术,试图研发出可与使用者互动的全息投影。他们利用任天堂 Wii 遥控器上的红外线感测器来追踪手部动作,而空中的超音波讯号则负责制造微小的压力波,借此模拟碰触的感觉。微软公司也正针对 Kinect 感应器研发类似的技术。

  这类技术的潜力无穷。全息影像不但可用于娱乐、艺术和教育,应用于媒体科学、科技设计和增强现实的潜力也无可限量。以色列的医生已能在手术过程中利用互动式全息投影,即时重制器官的模型,借此协助手术;加拿大安大略省皇后大学的人体媒体实验室(Human Media Lab)也在设计 Skype 通讯的 3D 版本,目前正在研发初期。

  真正的移动式全息投影目前看起来可能有点像 1980 年代的液晶屏幕,但看看如今的液晶屏幕已发展到什么地步了。对Hologramica 公司来说,这就仿佛挑战不可能的任务:“我们可以让车子漂浮、把芭蕾舞者变成水晶天鹅、在舞台上做出一些其他方式所无法做到的效果。正所谓眼见为凭,人们只要看着这些影像,就会完全投入其中,视其如同真实。”

  如今的全息投影技术还未在生活中广泛应用到,但不能否认这项技术可能对未来的生活、工作方式所带来的巨大改变。但AR可能是全息投影技术最好的突破口,谷歌的ProjectGlass就是一个例子,它是谷歌AR眼镜研究计划代号,如果研发顺利的话,估计若干年后就会与我们相见。

  在AR眼镜的市场中,编者认为市场需求是巨大的,娱乐、医疗、建筑、交互等都拥有巨大的市场潜力,但拥有核心技术的企业并不多,要想在AR领域做出成绩,自身拥有过硬的本领才是最实在的,其余的都是纸上谈兵罢了。