狂拽酷的全息投影到底什麼來路

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保留一切權利

雖然今年是VR元年被網友吐槽這是第二次了。然而這絲毫不會影響社會給予他們的關注。

AR雖然看起來遙遠，但每次亮相也都驚豔四方。

今天打算說的全息投影（Holograms），我覺得也可以歸類在AR範疇吧。

有人說，AR和全息不是一回事兒，他們確實不是一回事兒。AR的範疇更大，只要是針對現實世界實時疊加虛擬物體都算。而HoloLens需要眼鏡，全息投影需要投影儀，則是AR的不同展現形式。Magic Leap也是投影儀，只不過他是投射在你的視網膜上。

其實不要把AR想像的那麼神秘，大到飛行員打飛機用的瞄準系統，小到倒車雷達影像上的軌跡都屬於AR。

▲ 左：陣風戰鬥機輔助瞄準  右：民用倒車軌跡

說起全息投影，最先浮現在腦海中的當然是一堆科幻作品的畫面。

▲ 左：星戰前傳；右：阿凡達

「全息投影」最近進入大眾視野，應該是09年那次初音未來的全息投影演唱會。在那之後，發布會、晚會等就開始有了較為廣泛的應用。

▲ 初音未來演唱會祭

如果我們百度百科「全息投影」（維基上沒這個詞條），會發現它的英文是front-projected holographic display（字面翻譯是：前置投影全息顯示，維基上依然沒這個詞條…）。其實還有個與之相對的是rear-projection技術（後置投影，這個維基總算有了）。

什麼？但是全息和前後有什麼關係，你該不會是在騙我吧？

其實Front Projection（前置投影）早就被應用在電影拍攝領域，最有名的當屬大導演庫布裡克在「2001太空漫遊」中，拍攝人類起源和太空飛船向外看的鏡頭了。

▲ 左：2001太空漫遊的序章「人類的黎明」劇照  右：前置投影原理示意圖

潑個冷水：以上這些大家可能可以見到的，全都是「偽·全息」。

我們常說的全息投影其實只是一種平面投影，也就是說畫面是被投影在一個屏幕上的，這個屏幕常見的都是透明的。所以也別管什麼360度，270度了，180度了，都沒他們的事兒。

現在常見的全息投影技術有這幾種：

初音未來 —— 後置投影

初音未來演唱會使用的其實和平常用到的投影機幕布組合沒特別大的區別。使用的是一塊叫做DILAD Screen的屏幕，配合的後置投影技術（rear-projection）實現。特別的點在於這個屏幕：在舞臺區安裝一塊與地面垂直的特殊屏幕，這個屏幕平常是幾乎透明的，可以看到屏幕後面的東西，一旦當有光照到這個屏幕上以後，被光照射的部分就會變的不透明，並且開始顯現出明亮的畫面。聽起來很高大上的樣子。

▲ 可以明顯的看到來自左側的投影光線

▲ DILAD Screen 效果圖，左上：沒有投影時是透明的，其他：只要有投影的部分就會變得不透明

初音未來使用的KIMOTO家的DILAD Screen。原理是醬的（它真的只是個普通投影儀而已）：

▲ DILAD Screen 系統示意圖

晚會舞臺 —— 薄膜投影反射

春晚舞臺使用的是一種與地面45度夾角的半透明薄膜。反射地板上屏幕的內容，這樣觀眾既可以看到舞臺上的景物，又可以看到由薄膜反射出來的內容。產生了圖像疊加。

春晚舞臺其實就是Pepper's Ghost（佩珀爾幻象）的變種，名字很高大上？其實就是初中物理的反射知識，如果半透明膜是個鏡子大家差不多就能回憶起是什麼了。和李宇春相對的天王Michael Jackson「復活」演出也是用這樣的技術，不過一個是反射地板，一個是反射天上的投影儀。那麼真人怎麼可以突然從黑暗裡冒出來？不打燈光，黑漆漆一片，你也看不到她在哪啊，其實就內個時候走到指定位置的。

▲ 天王節目原理示意圖 

所以，其實大家看到的圖像都是2D的跟3D半毛錢關係都沒有，這特效應該只有三毛。而且上面兩種如果你角度不好的話，看到的差不多就和下面的諾基亞5300差不多。

▲ 舞臺最佳觀看區

▲ 觀察角度不好的諾基亞5300投影

最像真的偽全息 —— 旋轉屏幕投影

上面的都是投射到一塊屏幕上，感覺好low啊，怎麼可以這樣欺騙大家的感情。

那。。。一塊屏幕不夠high，多幾塊行不行？

於是USC（南加利福尼亞大學）就有了這種神奇的東西：高速投影機投影到旋轉的屏幕上，計算機算好每個角度應該顯示的物體的樣子，然後在中央設置一個高速旋轉的鏡子，將光反射出去。這樣只要你在一個水平面上的任何角度觀察，配合視覺暫留效果，都會看到物體真實的樣子，仿佛一個真實物體懸在半空中。當然，如果你俯視或者仰視，還是會悲劇的。

他們管這個東西叫做360º Light Field Display，沒叫 holo 還是很有覺悟的。

哇！感覺比前面幾種厲害不知道有多少倍！讓人好想摸一摸！而然，當然是不能摸的。因為屏幕轉起來就是個攪拌機，所以外面會有個罩子防止你先動手。

▲ USC ICT Interactive 360º Light Field Autostereoscopic 3D Display 演示視頻

這些「全息」，只不過是普通投影儀換了一種投影幕布嘛。所以最終還是三維圖像的平面投影啊喂，說起來怎麼比內些裸眼3D手機還要low？！

你是不是想到了皮影戲？

別這樣，雖然看起來有點類似，其實全息還是高大上許多的。

你是不是又想到了Lady Gaga在今年格萊美的表演？

別鬧，這個是真真的2D投影。

哦，順便告訴你，她頭上內些藍色的點點都是為了跟蹤面部位置的。

什麼？跑題了？什麼全息？喂？信號不好聽不清啊~

那人類還有希望麼？！

有，當然有。不過你先要明白一點：人眼看到光線，總是要有什麼東西發出的，全息投影也不例外。所以，想實現空中懸浮投影，要麼有個類似屏幕的東西，要麼就是投影儀直接把畫面投射到你的眼睛中（Magic Leap就是這麼做(Chuī)的）。

Aerial Burton Inc. —— 人類的希望

Burton投影系統的基本原理是將雷射束瞄準空氣中的某些具體的點，然後加熱氣體，使之電離，從而創造出大量漂浮的等離子體。等離子爆發會產生衝擊波，感覺就像光也成了可以觸摸的實體。

等等？我好像聽到了等離子炮？！放心~他們加快系統的雷射脈衝速度，讓等離子體爆發的壽命更短但頻率更高——這樣一來，就不會持續對焦於單一區域，避免灼傷皮膚。

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然而你看演示圖，就知道依然任重道遠。

▲ Aerial Burton 演示圖

▲ Aerial Burton 演示視頻

哦，對了（嚴肅臉）

對於AR來說，有個技術要點就是，虛擬物體需要比實際物體更亮才能有比較不錯的效果，否則黑漆漆的什麼也看不清，所以當前這些技術，基本上都需要在光線可控，並不十分亮瞎的地方使用。比如室內。

所以真相就是：以空氣為介質的「真·全息」還在實驗室裡面，而這種商用的。。。嚴格意義上說都不是全息。人與人之間最基本的信任呢？

生活大爆炸的這種全息技術，應該還需要很多年才能走進我們的生活吧 ~

什麼？你說你查了wiki，全息的概念不是這麼說的？

那好吧~

Wiki上是這麼說的：全息術（Holography），又稱全息投影,全息3D，是一種

利用幹涉和衍射原理記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）的照相技術。

全息技術是1947年 Dennis Gabor 研究電子顯微鏡的時候發現的，他還因此獲得了諾貝爾物理學獎。拍攝技術比較複雜這裡就不說了。

還有，別在意內些什麼幹涉和衍射。因為這個全息和大家平常提到的全息投影不是一回事兒的東西，原理，範疇都不一樣。

來吧朋友們，我們來看看真正的全息是什麼樣的：

先別著急抱怨這怎麼又有一張膜。別忘了，全息學就是記錄一個物體的3D光線信息的技術，而已。這是1972年的技術，你可以看到通過移動薄膜的角度，你能看到圖像的不同部分。這可是上面提到的幾種投影都做不到的。這才是真真的全息影像。

我感覺我又跑題了……

大家可以這樣類比：電影中的全息是數位相機，而上面這個則是膠捲相機。

自製簡單偽全息
http://digi.tech.qq.com/a/20150805/033630.htm

視頻地址：http://v.qq.com/page/t/e/2/t0017puuve2.html?start=17

果殼教程：http://www.guokr.com/article/186249/

參考資料：

全息科普視頻 https://www.youtube.com/watch?v=tjWznlGst9M

初音未來演唱會資料收集 http://www18.atwiki.jp/vocalive/pages/25.html

初音未來使用的DS http://www.kimoto.co.jp/english/products/ds.html

全息學 https://en.wikipedia.org/wiki/Holography

前置投影技術 https://en.wikipedia.org/wiki/Front_projection_effect

2001天空漫遊中對前置投影技術的應用 http://www.visual-memory.co.uk/sk/2001a/page2.html

Pepper's Ghost http://www.phantasmechanics.com/pepper.html

反射式 45度薄膜舞臺公司 http://www.eyeliner3d.com/

反射式 45度薄膜舞臺原理 https://www.youtube.com/watch?v=lU7F3cuiLkE

MJ「復活」表演 http://www.zhihu.com/question/23831138

Aerial Burton Inc. http://burton-jp.com/en/index.htm

南加大項目 http://gl.ict.usc.edu/Research/3DDisplay/

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