立体动态全息还停留在实验室初级阶段,主要通过空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)实现,就是下图的小玩意儿。

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(1)

业内做的比较好的是 HOLOEYE 家的,上图中右侧亮的拇指盖大小的那一块相位型 SLM 售价十万人民币以上,要搭建一个稍微能看得过去的系统——例如生活大爆炸中某一集投射出个小地球啥的(其实现实做到的要小得多)——没有百万美元是做不到的。

如下图所示就是 SLM 阵列设备,全都是钱啊!

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(2)

不仅仅是成本,计算全息所需的计算量极大,立体比平面的计算量更大,学者们提出了很多算法,类似于切片法、查表法等等,但是无论如何要动态演示对目前的计算机都是个严峻考验(这里说的计算机是至少 64 核内存 128G 的工作站,家用计算机就不必考虑了)。

动态全息不是我的研究方向,但我还是用 SLM 随便做了一个二维全息图,给大家举个例子:

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(3)

这幅图面积只有几毫米,所以用 CCD 放大了。是不是觉得有些失望?这能叫全息?但现实就是,这是货真价实如假包换的全息。增加点阵数量(就是多花些成本)可以提高清晰度,使用三基色组合可以实现彩色,这些都实现了,只不过效果比电影里的视频中的差太远太远了。

给大家看个尺寸大一些的实验室 3D 彩色全息的例子:

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(4)

上图这个样子的效果,已经使用了 240 亿个像素点……全都是钱啊!

千里之行始于足下嘛╮(╯▽╰)╭

PS:题目问的是全息,我就答全息了。但其实裸眼 3D 动态显示技术不只全息一项,不少其他技术目前实现的效果已经可以商业应用(如舞台和展会),而且被有意无意地冠以“全息”之名罢了。但是从前景看,最诱人的还是全息技术。

“越是在某个领域内做久了的人,越是会对领域的划分异常准确和敏感。举个例子来说,有的朋友们经常和我讨论如今商用的种种立体成像技术,他们会统称这些技术为「全息」。”

为此我决定将市面上种种裸眼伪全息技术的原理简单介绍一下。大家将来如果看到类似的所谓“裸眼 3D 全息”的产品,原理不了解的可以私信给我,如果我恰好了解的话,会抽空一一更新在后面;我不懂的话,咱们就一起去弄懂咯。

PS:首先声明,许多产品虽然没有利用到真正的全息技术,然而考虑到目前的技术条件,其效果算是很棒的。我的原理介绍完全没有贬低的意思,仅为给大家简单科普而已。

PPS:原理介绍仅针对裸眼设备,HOLOLENS 和谷歌眼镜等现实增强设备就不写了,否则太多太多了。

“伪全息”裸眼设备:

1、第一类:投影机(显示屏) 半透膜的形式

这类技术简单描述的话,其实与大家平时看到的投影机 幕布放映方式没有本质区别,只不过幕布换成了半透明的薄膜。这项技术的关键就是那层半透明的薄膜,技术含量还是挺高的。一方面要保证部分光可以透过,幕布后面的物体可以看得见;另一方面要有一定的漫反射,能够将投影上去的图案让大家看得到。在环境光很暗的条件下,薄膜几乎看不见,投影出的图案就像悬在空中,很科幻。

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(5)

此类装置多见于舞台和展览,最广为人知的便是初音未来演唱会。

这项技术的典型变种就是今年央视春节晚会上李宇春的节目,使用的叫做“ 45° 投影膜”,原理图如下:

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(6)

地面上有一个屏幕,然后钢架上架设一个 45° 倾斜的半透半反膜,其实根据初中物理学到的光学知识,大家就会明白,把半透半反膜当做一个镜子,那么地面屏幕上显示的东西恰好会被反射到观众的眼睛里,看起来就像是立着的。在环境光很暗的情况下,效果还是很惊艳的。

下图就是舞台在布置反射膜时候的施工图:

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(7)

2、第二类,投影机(显示屏) 高速转镜

上面第一类装置其实并没有实现真正的立体显示,本质上与我们看 2D 电影没有区别,实际上没有立体效果,而且最佳观看角度是有限的,并非 360° 全景。

在此原理基础上继续考虑,45° 反射的装置改进一下,如果在各个角度都加一个类似的反射薄膜或者反射镜,而且各个角度反射的光,恰好是人眼在这个位置应该看到的物体的样子,不就实现 360° 立体显示了吗?

现实中的确实现了这样的装置,投影机(或者屏幕)计算好不同角度应该显示的物体的样子,然后在中央设置一个高速旋转的镜子,将光反射出去。这样无论人在哪个角度观察,由于视觉暂留作用,都会看到物体真实的样子,仿佛一个真实物体悬在半空中。

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(8)

不过装置一定要加透明罩的,否则镜子甩出来可就麻烦了……这项技术效果上其实是目前最接近于科幻电影中“全息投影”的样子,但是不能用手摸。

3、视觉障壁(Parallax barrier)

另一项大家津津乐道的裸眼 3D 技术是任天堂 3DS 采用的特殊屏幕。大家都有看 3D 电影的经验,每个人佩戴一副 3D 眼镜,电影院提供的是偏振式,家用的往往是红绿或者红蓝眼镜,其实原理上都是让左右眼视觉信号隔绝,分别看到不同的、有一定视差的影像,从而产生立体效果。

在屏幕前要通过裸眼方式实现左右眼视觉信号的隔绝,要使用到视觉障壁技术。其实就是在 LCD 屏幕前加上一层挡光的“栅栏”,设计宽度和位置恰好让左眼与右眼接收不同的光线,如下图所示:

裸眼3d了解下(你需要知道这个)(9)

这样一来,裸眼就实现了以前需要佩戴眼镜才能实现的 3D 效果。

当然从上图可以看出,这项技术对眼球的位置要求很高,所以虽然原理上没问题,但是应用这项技术的更多还是任天堂这种做游戏机的公司,而不是生产电视机的企业。毕竟,看电视的时候总不能要求人必须做到某个特定位置嘛!而且人多了一起看电视谁坐最好的位置也会引起家庭纠纷啊……

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