全息投影小科普:告訴你一個真實的全息術

2020-11-22 IT之家

你們肯定有見識過「全息投影」,比如初音歌姬的舞臺演唱會,2015年李宇春的節目《蜀繡》一下子分出三個「春哥」來,甚至是用技術將已故的歌手在舞臺上再現。這些技術像是魔術一般,讓許多不可能發生的事情展現在觀眾眼前,所以很多人就把這些「栩栩如生」的影像當成了「全息技術」的實際運用。

然而,你可能看到的是「假全息」

有一種技術叫做「Pepper's Ghost」(佩珀爾幻象),它是一種光學幻象。引用Wikipedia中文版的釋義:

佩珀爾幻象是一種在舞臺上與某些魔術表演中產生幻覺的技術。

這種技術藉由使用一面平坦的玻璃與特定的光源技術,使物體可以出現或消失,或是變形成其他物體。

這一發現是由英國科學家John Pepper發現的,其實現方法也不算困難。首先舞臺需要兩層設置,演員在第一層表演,燈光透過一層玻璃或者膠片照射在演員身上,再通過這層玻璃片反射到放置在第二層的玻璃上,投影在實際上處於第二層的舞臺上,就形成了Pepper's Ghost這一現象,如這張圖:

▲Pepper's Ghost說明圖

也就是說,你看到的「全息」就是一門光源技術小技巧。

由於當時用於照明的燈光亮度比較低,所以投射出來的影像亮度低,且非常地虛。所以很多時候,這一技術用於在舞臺上模擬鬼魂的效果。而到了現代,由於技術的發展,燈光照明的亮度上去了,並且輔以先進的CG技術,就連虛擬形象「立體化」也不在話下。

現代技術中,過去用於反射圖像的玻璃也升級為「全息膜」。全息膜相較於玻璃,其透明度更高。隨著設備升級,產生Pepper's Ghost的方法也演化出兩種:

直接將圖像投射到全息膜上

將圖像投射在鏡面上,利用反射投射到呈45°角的全息膜上

無論是升級了使用材料,還是改變了投影手法,現代的Pepper's Ghost原理並沒有變化。如果你也有興趣,在了解其背後的原理之後,完全可以自己做一個「全息投影」出來。

那麼什麼能被稱為全息?

要弄清楚這個問題,我們首先要所謂的「全息術(holography)」這個概念。全息(holography)是一個技術名詞,指通過相干光(比如說雷射)幹涉原理記錄和查看圖像,當合適地將其呈現時,便可以精確地再現被記錄物體的三維外觀。

而在大眾眼裡,只要能看見在空中漂浮的光影就會當成「全息圖像」,然而要實現以上的視覺效果有很多方式,甚至可以完全與相干光沒有任何關係。

真正的全息影像是什麼樣,各位可以看一段1972年的視頻:Introduction to Holography。視頻裡用膠捲記錄了物體的整個三維圖像信息,並通過雷射重現出來。

因此要想清楚地區分全息術和其他的光學現象,我們需要弄清楚是什麼讓我們產生了三維視覺。當我們看近處的物體時,有6個主要的深度線索起到決定性的作用:

透視:遠處的物體看起來更小;

遮擋:近處的物體會擋住處的物體;

雙眼(立體)視差:左右眼看到同一物體的不同視圖;

單眼(運動)視差:當頭部運動時,遠處和近處的物體會以不同幅度運動;

聚合:當眼睛聚焦在近處物體時兩眼視線匯合;

調節:根據物體的距離,眼球相應地調整焦點。

全息術所展現出的影像要滿足以上六個特點,騙過大腦才能被稱為「全息術」。

不過這與一開始我們所知道的定義有些衝突,其中沒有提及過任何關於相干光等詞彙。那麼我們不妨結合現實情況,稍做折中:

能夠讓受眾看到三維圖像,且滿足1-6點關鍵要素。

Pepper's Ghost之所以沒有被納入到全息術的範圍裡,最大的原因在於,它所展現出的信息並沒有涵蓋物體的全部視覺信息。如果你不在設計好的角度內觀看,完全顯現不出「漂浮影像」的效果。真正的全息影像應該是「萬丈高樓平地起」,無論觀眾在哪個角度觀看都如同見到了實物一般,甚至能穿過影像或者與影像交互。

很負責任的告訴你,如果滿足以上六點關鍵要素,無論是能「憑空造物(影像)」的設備,還是像HoloLens這種直接將影像投射到你眼睛中設備,甚至是直接生成虛擬影像Oculus Rift和HTC Vive都能稱得上是「全息設備」。

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