【导语】8月27日晚,虽然雨水连天,但是丝毫不影响天津全运会精彩的开幕式。尤其是美轮美奂的3D全息投影更是让人叹为观止——这也算是与08年北京奥运会LED卷轴地面效果比较的一个“超级进步”。
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天津奥体的海市蜃楼:3D全息投影的盛宴

更新日期:2017-08-30 作者:那山那水
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第81期

    8月27日晚,虽然雨水连天,但是丝毫不影响天津全运会精彩的开幕式。尤其是美轮美奂的3D全息投影更是让人叹为观止——这也算是与08年北京奥运会LED卷轴地面效果比较的一个“超级进步”。

    为什么要选择全息投影而不是LED背景呢?大屏君觉得,很多人的想法是3D与2D的差别。但是,大屏君要特别指出,LED大屏也可以显示3D全息影像——3D全息并非齐乐娱乐的独特显示领域。但是,对比LED大屏的3D效果而言,齐乐娱乐在较高的同等分辨率水平下,往往具有成本优势和设备部署的灵活性(齐乐娱乐3D全息系统,唯一部署难点只是那张全息膜)。

    当然,如果和实物布景比较,任何现代显示技术都能带来成本的下降、灵活性的上升、创意空间的极大化。即,实物布景所不能实现的效果,以及快速的场景切换能力、主要设备的二次重复利用,都是现代数字布景技术高速发展的原因。

天津奥体的海市蜃楼:3D全息投影的盛宴

    不仅仅是运动场这样的领域,例如天津全运会、美国NBA比赛的开场等,包括商店的橱窗展示、博物馆的特效展览,以及现在电视台非常常见的“虚拟演播厅”,都已经成为3D全息投影的重要应用场所。甚至,大屏君认为,未来的电影院、甚至家用电视也可实现3D全息化——比如,高调的8K显示,如果仅仅是2D,那么真的“很LOW”。

    谈到这里,可能很多人都会有这样一个问题:为什么我现在看到的电视机、电影院都不是3D全息呢?——如果要看3D就必须带着不舒服的“眼镜”。问题的答案就在全息成像的秘密里。

    人们在自然界看到的画面,眼睛接触的光波属性有哪些呢?当然是包含了全部的光学信息——例如偏振、频率、振幅、相位。不过,我们的眼睛对偏振并不敏感,对频率则有光化学反应进行了筛选。振幅和相位则用于形成光亮度和立体感。

    但是,目前常见的显示系统,实际上只是恢复了自然影像的频率(即红绿蓝颜色),以及振幅(即明暗)的信息。这样的画面就是最常见的平面影像。包括印刷产品、绘画产品、一般的电视机、手机都是如此成像。也就是说,丢失了“物光”的相位信息,这是传统影像产品难以实现3D效果的原因所在。

    对此,大屏君要特别说明,利用眼镜的3D显示设备,无论是快门眼镜、还是偏光眼镜,本质都是在左右眼造成不同相位的“虚物光”,进而实现3D效果的。对此,四五十年前就已经有很多科学家研究,如何将一个平面上的光波的所有属性都记录下来,并在另一个设备上全面呈现出来——这就是最早的全息影像概念。

天津奥体的海市蜃楼:3D全息投影的盛宴

    在实际的工程实现中,其实不需要完整记录光波的所有波动或者量子态信息,而只需要振幅和相位,就可以达到3D的效果。如果再记录了频率,就可形成彩色3D效果。实现这一需求的技术就是“干涉”。典型干涉光效果的产生,是由于同频不同相位的光波照射到同一平面产生的叠加效应。这就决定了利用干涉现象,可以在一定信息密度上记录,一个平面上光波的相位信息,同时不丢失振幅和频率信息。这种技术就是全息摄影。

    同时,光学还有另一个基本现象,即衍射。衍射反应的是传播光路上障碍物,对越过光线的相位的改变。这一点正好可以用来呈现全息影像的相位信息。在3D全息显示中,这个障碍物就是全息膜——全息膜可以是一个光学薄膜,也可以是气体、水幕等。全息膜的精细程度,决定了3D显示的清晰程度。

    通过以上大屏君的分析,读者可以看到3D全息影像的实现可以分成两个阶段:第一个是影像的记录,第二个则是显示阶段。但是,实际应用中,影像的记录过程会非常复杂——因为干涉要求同频。这使得全息影像摄像成为一个高成本的过程。同时,还有另一个更大的问题:摄像之前必须先有实物,至少是一个模型。这也极大提高了3D全息影像的制作成本。

    不过,现在有一个代替纯摄影的3D全息影像制作技术,即电脑辅助制作,或者纯数字制作。彩色全息影像记录的信息是红绿蓝三元色的振幅与相位。而振幅和相位都是光的波动性性质。波动性质则可以完全由数学方程式来模拟计算得到——这只不过是初中阶段的光学知识。事实上,对于完全相同出发状态的光源,任何的物光的相位问题就是一个“距离”问题。这个距离的求解仅仅又是一个三角函数的问题。

    所以,大屏君说电脑3D全息制作并非复杂的科技。这个工作的难度仅在于“数据规模极其巨大”。即建立数学模型简单,但是渲染一段效果却需要及其巨大数量的计算工作。后者决定了只有计算机技术高度普及和廉价化的今天,3D全息影像的电脑制作才能逐渐普及。

    某种意义上,决定3D全息投影技术应用广度的瓶颈与短板,不是显示端,而是内容端:今天4K和8K视频,不也是遭遇了“内容危机”吗?而电脑制作,极大扩展了3D全息显示的内容生产空间,且随着高性能计算设备的价格下降,3D全息影像产业链的成本也在高速下降。近年来,3D全息投影的火热,本质即是计算资源成本下降的结果。

    在天津奥体中心海市蜃楼般的3D全息场景背后,大屏君最想感谢的居然不是投影技术,而是计算机技术,这恐怕有点令本篇文章的读者“大吃一惊”了。不过,这真正会让大家吃惊的问题还在于“计算机技术如何推动3D全息的进一步发展”。

    一个最简单的原理是:各位的电视机不会一辈子只放一部电影。3D全息显示的投影系统也是如此。——一套硬件可以工作六七年,甚至更久 。在这么长的时间里,就需要足够多的3D全息内容。但是,真实的情况是,现在的3D全息应用,没有哪个案例是基于“海量内容”的。

    比如广播电视台的虚拟演播室,他们的3D全息不过是简单场景或者简单任务。体育赛事的开幕式的3D全息,很多是很长时间才用一次。博物馆展示内容更不会频繁更换。婚庆市场的婚礼3D全息场景的频度最高不过每场婚礼设计一次——其中,很多素材还会重复使用。

    从这一点可以看到,真正挡在3D全息普及面前的依然是内容:无论是用数十台摄像机真实拍摄的方案,还是用电脑技术制作的方案,3D全息影像都还有点“小贵”。

    内容是整个产业链最大的瓶颈,内容生产的成本和速度决定了全息3D投影应用的规模。不过,大屏君觉得,对这个瓶颈业内可以报以“谨慎的乐观”。因为计算机技术的进步、AI技术的进步、专用芯片产品的开发,正在改变这一点。至少,过去三年这个行业成本下降超过50%,效率提升超过1倍。

    因此,大屏君觉得,未来数年投影行业,乃至整个显示行业都会进入一个3D全息为主题的效果革命之中。以至于更远的未来,TV这类产品也会进入3D全息时代——技术上,将8K分辨率看成16台2K齐乐娱乐,足以完成一个有限角度内的良好的3D全息显示效果。

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