全息視頻又往前進了一小步

2020-11-12 鈦媒體APP

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

文丨學術頭條

在科幻電影中，我們經常看到這樣的情景：在一塊很大的屏幕上，一個個如幽靈般移動的 3D 物體（或者人）「飄」在我們眼前，栩栩如生，活靈活現，我們可以從各個角度看到它們。

在現實生活中，我們也能實現類似的攝影效果，這就涉及到了一種被稱為全息攝影（holography）的攝影技術。

1947 年，英國匈牙利裔物理學家 Dennis Gabor 發明了全息攝影技術，他也因此獲得了 1971 年的諾貝爾物理學獎。自誕生以來，全息攝影已有近 70 年的歷史。

2018 年，美國相機公司 RED 推出了世界上首款全息投影智慧型手機；2019 年，韓國三星公司發布了一項全息投影專利，該技術可以應用於智慧型手機、智能音箱等設備，將天氣、時間等信息通過全息投影在空中呈現，具有十足的科技感。

但是，由於傳統的全息視頻顯示器存在光學器件視角狹窄、所需光學系統龐大以及需要強大的計算能力等問題，全息動態視頻目前尚未大規模應用於商業領域。

近日，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上的一項研究提出了一款超薄交互式全息顯示屏，可以實現讓觀眾從多個角度觀看高解析度的 3D 視頻，該技術有望讓全息視頻顯示屏更好地集成到行動裝置中。

（來源：Nature Communications）

研究人員採用特殊的背景光和光擺動機制，將 3D 視頻的觀看角度增加了 30 倍，並實現了總厚度小於 10 釐米的超薄交互式全息顯示屏設計，成功投射了一個可多角度觀看的全屏 4K 交互式 3D 海龜遊泳視頻。

神奇的全息攝影

全息攝影是指無需使用鏡頭即可創造出獨特攝影圖像的方法，這種影像的攝影記錄被稱為全息圖（Hologram），Hologram 一詞來源於希臘語，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度的變化，在反射光較少的地方產生暗區，在反射光較多的地方產生亮區。然而，全息攝影不僅記錄光的強度，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，通過記錄並重建從被觀測物反射回來的光場，從而保留物體的深度信息，並保存多個方向上反射回來的光場。

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

全息圖像和人的手與攝像機的距離相同，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、科學和技術等領域都有廣泛的用途。例如，在我們的信用卡和身份證上，都有全息圖像，用來防止假冒；在醫學影像學上，肝臟等人體器官的 3D 全息圖可以為醫生提供更加全方位的視角；在工業生產中，全息圖可以用來檢查產品上裂紋，進行產品質量控制；在藝術領域，全息圖也可以是一個 3D 的純光學藝術創作空間。

之前的研究表明，全息視頻系統是可以實現的。通過使用直接調製光波陣面的空間光相位調製器（SLM），可以以視頻速率更新全息圖。然而，使用體積較大的光學系統，僅僅能產生垂直視差的全息圖。

4G、5G網絡的廣覆蓋，讓人們實現了隨時隨處在智慧型手機上觀看視頻。然而，想要使全息攝影技術「棲身」於便攜的行動裝置，構建一個移動式全息視頻顯示器（ mobile holographic video display），在技術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，當前可用的空間光相位調製器的 SBP 通常比靜態全息介質的 SBP 小几百倍，只能實現小尺寸或窄視角的動態全息圖。

2. 為了產生大的相干背光，需要複雜的光學組件和相當大的空間來操縱光。然而，目前在的商業化平板顯示器很難在薄度上滿足實現像全息顯示器的要求。

3. 實時地計算全息圖通常需要巨大的計算成本，並且隨著 SBP 的增加，計算量也會增加。通過算法優化後，仍需要群集處理器或高性能並行處理系統，才能以視頻幀速率計算高質量的全息圖。

有史以來最大視角的動態全息圖

這項研究首次演示了實時交互式超薄全息視頻顯示，通過引入由相干BLU（C-BLU）和光束偏轉器（BD）組成的轉向背光單元（S-BLU），使有效 SBP 比原始值增加了 30 倍，實現了有史以來最大視角的動態全息圖。

圖 | 全息視頻處理器示意圖及其光學架構和關鍵部件：a. 光學架構由光束偏轉器、相干-背光單元、幾何相位透鏡和空間光調製器組成；

b. 光束偏轉器的原理，它像稜鏡一樣對透射光進行光學引導：垂直和水平相位陣列引導光的角度解析度為 0.02，在波長為 520nm 時，引導光的角度解析度可達~15；

c. 利用波導配置相干-背光單元：紅光和綠光的第一波導和藍光的第二波導疊加在一起，提高整體效率；

d. 全息視頻處理器在單片 FPGA 上實現。（來源：Nature Communications）

S-BLU 是擴大全息顯示器視角的關鍵組件。在傳統的光束轉向中，受集光率限制，最大轉向角會隨著光源面積的增加而減小。而這項研究所設計的全息視頻系統中，研究人員通過使用 C-BLU 的波導結構，成功解決了集光率問題。

小視角的一個缺點是觀看距離長，研究人員通過使用焦距為 1 m 的鏡頭，使觀看距離減少了 25 倍。

對於實時交互式全息視頻的顯示，往往需要精準計算觀看者眼睛的位置來更新 3D 圖像，利用圖層法，使用大量的二維逆快速傅立葉逆變換（2D IFFT）運算，才可為真實場景生成高質量的全息圖。

在這項研究中，研究人員使用了高度並行的體系結構，並減少硬體的使用，構建了基於 IFFT 的全息視頻處理器。該處理器可以同時計算左右眼的兩個全息圖像，最後組合成一個全息圖。

該全息視頻處理器採用單晶片 FPGA 構建，可以實現以每秒 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可多角度觀看的全屏 4K 交互式 3D 海龜遊泳視頻。

圖 | 全彩實時全息電影截圖

輕輕動一動手指控制鍵盤，視頻中的海龜就可以沿任何方向轉動，這也證明了使用該全息視頻處理器可以對動態全息圖像進行實時更新。

圖 | 超薄平板全息視頻顯示器結構（來源：Nature Communications）

該研究使用 10.1 英寸超高清商用液晶顯示器實現了世界上第一個超薄全彩色全息視頻顯示，而且該全息視頻處理器可以輕鬆嵌入到智慧型手機應用處理器中。

在佩戴 3D 眼鏡觀看電影後，人們往往會出現視覺疲勞感。全息顯示屏能在空間中創建 3D 圖像，讓觀眾在多維度觀看真實物體的同時，眼睛不會有疲勞感。該系統在設計中同時計算了左右眼的兩個全息圖像，進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移動全息視頻的發展。或許在不久的將來，科幻影片裡的場景或許就會出現在我們的生活中，拿出我們的智慧型手機，一部 3D 全息視頻就可以輕鬆上演。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19298-4

https://www.britannica.com/technology/holography/Pulsed-laser-holography#ref3274

https://www.americanscientist.org/article/whatever-became-of-holography

http://proceedings.informingscience.org/InSITE2010/InSITE10p693-704Ghuloum751.pdf

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