三星研發(fā)超薄交互全息顯示屏，全息投影時(shí)代即將來臨

今年 7 月 9 日舉行的 2020 世界人工智能大會(huì)上，馬云、馬斯克再度「同臺(tái)」。

當(dāng)天受疫情影響，WAIC 有史以來第一次采用了云端形式，作為大會(huì)開幕式壓軸演講嘉賓的馬云身在云南，一項(xiàng)技術(shù)使得他與我們連接了起來——全息投影。

其實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)迄今已有 70 余年的歷史。

早在 1947 年，英國匈牙利裔物理學(xué)家 Gábor Dénes 發(fā)明了全息投影術(shù)。基于這項(xiàng)成就，他獲得了 1967 年的英國物理學(xué)會(huì)楊氏獎(jiǎng)和 1971 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

而最近，被稱為是「顯示屏霸主」的三星在這一領(lǐng)域又有了新突破——提出了一款超薄交互式全息顯示屏，可以從多個(gè)角度提供高分辨率的、真實(shí)度極高的 3D 視頻，未來可以集成到移動(dòng)設(shè)備中，支持辦公或家用。

何為全息？

實(shí)現(xiàn)這一突破的科研團(tuán)隊(duì)來自于三星先進(jìn)技術(shù)研究所（SAIT）、三星先進(jìn)技術(shù)研究所俄羅斯（SAIT-Russia）光學(xué)研究小組和首爾大學(xué)。

2020 年 11 月 10 日，其論文發(fā)表于《自然》子刊《自然通訊》，題為 Slim-panel holographic video display（超薄全息視頻顯示面板）。

在了解這篇論文之前，何為全息是首先要了解的一個(gè)問題。

全息投影本質(zhì)上是一種 3D 技術(shù)，其英文名稱是 Holographic Projection，其中 holo 來自于希臘語，意為“完全的信息”。

要傳遞“完全的信息”，需要兩步：

拍攝：利用干涉原理（即：兩列或以上的波在空間中重疊時(shí)發(fā)生疊加，形成新的波形），將被攝物體在激光輻照下形成的物光束和射到全息底片上的激光參考光束進(jìn)行疊加，產(chǎn)生干涉并記錄下來。經(jīng)過一定處理后得到全息照片。

成像：利用衍射原理（即：波遇到障礙物時(shí)會(huì)偏離原來的直線傳播），利用相干激光照射全息圖，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波可給出兩個(gè)象，圖像的立體感增強(qiáng)，也有了真實(shí)的視覺效果。

簡而言之，全息投影技術(shù)的原理可以理解為：利用 2 個(gè)物理現(xiàn)象，巧妙地將一個(gè)物體拍攝成了一張照片，再把這張照片打造出立體感。

正因如此，全息投影又被稱為虛擬成像。

值得一提的是，當(dāng)真實(shí)物體與全息圖像處于同一空間時(shí)，它們都可被感知，而且并無不同。

比如在下面這張照片中，一只真實(shí)的人手拿著全息顯示屏，顯示屏上是一個(gè)精靈的形象。全息圖像和人手離拍下這張照片的相機(jī)的距離都是 0.3 米。

全息顯示器提供了自然的深度感知，觀眾更為關(guān)注的是精靈本身，而不是屏幕。

相比之下，如果是利用雙目視差和輻輳（即：注視近物時(shí)雙眼匯聚）的傳統(tǒng)立體 3D 圖像，觀眾可能無法同時(shí)清楚地看到精靈形象和人手，并且還會(huì)出現(xiàn)由調(diào)和-收斂沖突引起的視覺疲勞。

因此，全息顯示可以說是未來視頻系統(tǒng)的重要組成部分。

其實(shí)，自 1947 年被發(fā)現(xiàn)以來，全息技術(shù)已然成為科幻片中的經(jīng)典元素，人們對它的認(rèn)知也一直是：可以再現(xiàn)最真實(shí)的 3D 圖像，且無視覺上的不適。

視角擴(kuò)大 30 倍，4K 高分辨率全息圖實(shí)時(shí)生成

1990 年，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）開發(fā)出了第一套全息視頻系統(tǒng)。自此，將全息視頻推向商業(yè)化，成為該領(lǐng)域的一大主要研究方向。

2018 年 5 月，美國相機(jī)巨頭公司 RED 推出了世界上第一款商用全息投影智能手機(jī) Hydrogen One。

當(dāng)時(shí)，雖然這款手機(jī)引起了外界很大的關(guān)注，但當(dāng)產(chǎn)品推出時(shí)，業(yè)界人士和媒體都表示，這款手機(jī)在全息投影上都沒能給出一個(gè)令人滿意的用戶體驗(yàn)。實(shí)際上直至今天，要實(shí)現(xiàn)「商業(yè)全息視頻顯示器」依然存在瓶頸。

三星 & 首爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)在論文中表示：商業(yè)全息視頻顯示器還未被批量引入，原因主要在于觀看角度較為狹窄、光學(xué)設(shè)備較為笨重、計(jì)算能力要求較高。

具體來講，要想打造一款適合商業(yè)化的移動(dòng)全息視頻顯示器，需要克服三個(gè)障礙：

1、空間帶寬乘積（space-bandwidth product，SBP）的限制，這決定了全息圖像的大小和觀看角度。

2、為產(chǎn)生大的相干背景光，需要復(fù)雜的光學(xué)元件和相當(dāng)大的空間來處理光。所以，要實(shí)現(xiàn)平板電腦一樣輕薄的全息視頻顯示屏，并非易事。

3、實(shí)時(shí)全息圖通常需要大量計(jì)算，且計(jì)算量會(huì)隨著空間帶寬乘積的增大而增大。

基于上述問題，三星 & 首爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的超薄交互式全息顯示屏有 2 處特別設(shè)計(jì)：

一是由相干 BLU（C-BLU）和光束偏轉(zhuǎn)器（BD）組成的背景光轉(zhuǎn)向單元（steering-backlight unit），它一方面使得有效空間帶寬乘積（即視角）擴(kuò)大了 30 倍，由此實(shí)現(xiàn)了有史以來最大視角的動(dòng)態(tài)全息圖；另一方面，其繞射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（diffractive waveguide architecture）保證了顯示屏最終的超薄設(shè)計(jì)，總厚度不超過 10 厘米。

下圖中 2 個(gè)藍(lán)色箭頭為擴(kuò)大的可視范圍。

二是包含數(shù)據(jù)傳播單元（DPU）、濾波器和縮放單元（FSU）以及 32 個(gè)快速反傅里葉變換處理器的全息視頻處理器（holographic video processor），單片可實(shí)時(shí)計(jì)算生成 4K 高分辨率全息圖。

最終，全息視頻顯示屏的原型如下圖所示，下圖中的標(biāo)識(shí)從上至下依次是：空間光調(diào)制器、幾何相位鏡頭、連貫的背光單元、光束偏轉(zhuǎn)器、全息視頻處理器。

不僅如此，三星 & 首爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)用到的系統(tǒng)總線（System Bus）是被廣泛用于智能手機(jī)應(yīng)用處理器中的 AMBA AXI4，因此將全息視頻處理器嵌入智能手機(jī)應(yīng)用程序處理器，在未來也能實(shí)現(xiàn)了。

最后，讓我們一起感受一下這塊全息顯示屏投射的一個(gè)支持多角度觀看的 4K 海龜游泳動(dòng)圖，海龜往哪個(gè)方向游，觀眾直接按鍵即可控制。

看上去似乎平平無奇，但實(shí)際上由于畫面中所有物體的深度不同，全息物體的清晰度會(huì)隨相機(jī)焦點(diǎn)的變化而變化。

下圖為視頻截圖，圖 a 的右上角插圖中，珊瑚比烏龜更清晰；而圖 b 的插圖中，烏龜比珊瑚更清晰。

這和平時(shí)我們的相機(jī)是否對焦是同樣的道理，自然這也反映出了全息圖的獨(dú)特之處——可提供調(diào)試，最終圖像與真實(shí)物體并無差別。

至此，全息投影這一有著 70 余年歷史的神奇技術(shù)有了重要突破，我們離手機(jī)上的全息投影不遠(yuǎn)了。
責(zé)編AJX