天津奧體的海市蜃樓：3D全息投影的盛宴

    8月27日晚，雖然雨水連天，但是絲毫不影響天津全運(yùn)會(huì)精彩的開幕式。尤其是美輪美奐的3D全息投影更是讓人嘆為觀止——這也算是與08年北京奧運(yùn)會(huì)LED卷軸地面效果比較的一個(gè)“超級(jí)進(jìn)步”。

    為什么要選擇全息投影而不是LED背景呢？大屏君覺得，很多人的想法是3D與2D的差別。但是，大屏君要特別指出，LED大屏也可以顯示3D全息影像——3D全息并非投影機(jī)的獨(dú)特顯示領(lǐng)域。但是，對(duì)比LED大屏的3D效果而言，投影機(jī)在較高的同等分辨率水平下，往往具有成本優(yōu)勢(shì)和設(shè)備部署的靈活性（投影機(jī)3D全息系統(tǒng)，唯一部署難點(diǎn)只是那張全息膜）。

    當(dāng)然，如果和實(shí)物布景比較，任何現(xiàn)代顯示技術(shù)都能帶來成本的下降、靈活性的上升、創(chuàng)意空間的極大化。即，實(shí)物布景所不能實(shí)現(xiàn)的效果，以及快速的場(chǎng)景切換能力、主要設(shè)備的二次重復(fù)利用，都是現(xiàn)代數(shù)字布景技術(shù)高速發(fā)展的原因。

    不僅僅是運(yùn)動(dòng)場(chǎng)這樣的領(lǐng)域，例如天津全運(yùn)會(huì)、美國NBA比賽的開場(chǎng)等，包括商店的櫥窗展示、博物館的特效展覽，以及現(xiàn)在電視臺(tái)非常常見的“虛擬演播廳”，都已經(jīng)成為3D全息投影的重要應(yīng)用場(chǎng)所。甚至，大屏君認(rèn)為，未來的電影院、甚至家用電視也可實(shí)現(xiàn)3D全息化——比如，高調(diào)的8K顯示，如果僅僅是2D，那么真的“很LOW”。

    談到這里，可能很多人都會(huì)有這樣一個(gè)問題：為什么我現(xiàn)在看到的電視機(jī)、電影院都不是3D全息呢？——如果要看3D就必須帶著不舒服的“眼鏡”。問題的答案就在全息成像的秘密里。

    人們?cè)谧匀唤缈吹降漠嬅�，眼睛接觸的光波屬性有哪些呢？當(dāng)然是包含了全部的光學(xué)信息——例如偏振、頻率、振幅、相位。不過，我們的眼睛對(duì)偏振并不敏感，對(duì)頻率則有光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了篩選。振幅和相位則用于形成光亮度和立體感。

    但是，目前常見的顯示系統(tǒng)，實(shí)際上只是恢復(fù)了自然影像的頻率（即紅綠藍(lán)顏色），以及振幅（即明暗）的信息。這樣的畫面就是最常見的平面影像。包括印刷產(chǎn)品、繪畫產(chǎn)品、一般的電視機(jī)、手機(jī)都是如此成像。也就是說，丟失了“物光”的相位信息，這是傳統(tǒng)影像產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)3D效果的原因所在。

    對(duì)此，大屏君要特別說明，利用眼鏡的3D顯示設(shè)備，無論是快門眼鏡、還是偏光眼鏡，本質(zhì)都是在左右眼造成不同相位的“虛物光”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)3D效果的。對(duì)此，四五十年前就已經(jīng)有很多科學(xué)家研究，如何將一個(gè)平面上的光波的所有屬性都記錄下來，并在另一個(gè)設(shè)備上全面呈現(xiàn)出來——這就是最早的全息影像概念。

    在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中，其實(shí)不需要完整記錄光波的所有波動(dòng)或者量子態(tài)信息，而只需要振幅和相位，就可以達(dá)到3D的效果。如果再記錄了頻率，就可形成彩色3D效果。實(shí)現(xiàn)這一需求的技術(shù)就是“干涉”。典型干涉光效果的產(chǎn)生，是由于同頻不同相位的光波照射到同一平面產(chǎn)生的疊加效應(yīng)。這就決定了利用干涉現(xiàn)象，可以在一定信息密度上記錄，一個(gè)平面上光波的相位信息，同時(shí)不丟失振幅和頻率信息。這種技術(shù)就是全息攝影。

    同時(shí)，光學(xué)還有另一個(gè)基本現(xiàn)象，即衍射。衍射反應(yīng)的是傳播光路上障礙物，對(duì)越過光線的相位的改變。這一點(diǎn)正好可以用來呈現(xiàn)全息影像的相位信息。在3D全息顯示中，這個(gè)障礙物就是全息膜——全息膜可以是一個(gè)光學(xué)薄膜，也可以是氣體、水幕等。全息膜的精細(xì)程度，決定了3D顯示的清晰程度。

    通過以上大屏君的分析，讀者可以看到3D全息影像的實(shí)現(xiàn)可以分成兩個(gè)階段：第一個(gè)是影像的記錄，第二個(gè)則是顯示階段。但是，實(shí)際應(yīng)用中，影像的記錄過程會(huì)非常復(fù)雜——因?yàn)楦缮嬉�求同頻。這使得全息影像攝像成為一個(gè)高成本的過程。同時(shí)，還有另一個(gè)更大的問題：攝像之前必須先有實(shí)物，至少是一個(gè)模型。這也極大提高了3D全息影像的制作成本。

    不過，現(xiàn)在有一個(gè)代替純攝影的3D全息影像制作技術(shù)，即電腦輔助制作，或者純數(shù)字制作。彩色全息影像記錄的信息是紅綠藍(lán)三元色的振幅與相位。而振幅和相位都是光的波動(dòng)性性質(zhì)。波動(dòng)性質(zhì)則可以完全由數(shù)學(xué)方程式來模擬計(jì)算得到——這只不過是初中階段的光學(xué)知識(shí)。事實(shí)上，對(duì)于完全相同出發(fā)狀態(tài)的光源，任何的物光的相位問題就是一個(gè)“距離”問題。這個(gè)距離的求解僅僅又是一個(gè)三角函數(shù)的問題。

    所以，大屏君說電腦3D全息制作并非復(fù)雜的科技。這個(gè)工作的難度僅在于“數(shù)據(jù)規(guī)模極其巨大”。即建立數(shù)學(xué)模型簡單，但是渲染一段效果卻需要及其巨大數(shù)量的計(jì)算工作。后者決定了只有計(jì)算機(jī)技術(shù)高度普及和廉價(jià)化的今天，3D全息影像的電腦制作才能逐漸普及。

    某種意義上，決定3D全息投影技術(shù)應(yīng)用廣度的瓶頸與短板，不是顯示端，而是內(nèi)容端：今天4K和8K視頻，不也是遭遇了“內(nèi)容危機(jī)”嗎？而電腦制作，極大擴(kuò)展了3D全息顯示的內(nèi)容生產(chǎn)空間，且隨著高性能計(jì)算設(shè)備的價(jià)格下降，3D全息影像產(chǎn)業(yè)鏈的成本也在高速下降。近年來，3D全息投影的火熱，本質(zhì)即是計(jì)算資源成本下降的結(jié)果。

    在天津奧體中心海市蜃樓般的3D全息場(chǎng)景背后，大屏君最想感謝的居然不是投影技術(shù)，而是計(jì)算機(jī)技術(shù)，這恐怕有點(diǎn)令本篇文章的讀者“大吃一驚”了。不過，這真正會(huì)讓大家吃驚的問題還在于“計(jì)算機(jī)技術(shù)如何推動(dòng)3D全息的進(jìn)一步發(fā)展”。

    一個(gè)最簡單的原理是：各位的電視機(jī)不會(huì)一輩子只放一部電影。3D全息顯示的投影系統(tǒng)也是如此�！�—一套硬件可以工作六七年，甚至更久 。在這么長的時(shí)間里，就需要足夠多的3D全息內(nèi)容。但是，真實(shí)的情況是，現(xiàn)在的3D全息應(yīng)用，沒有哪個(gè)案例是基于“海量內(nèi)容”的。

    比如廣播電視臺(tái)的虛擬演播室，他們的3D全息不過是簡單場(chǎng)景或者簡單任務(wù)。體育賽事的開幕式的3D全息，很多是很長時(shí)間才用一次。博物館展示內(nèi)容更不會(huì)頻繁更換。婚慶市場(chǎng)的婚禮3D全息場(chǎng)景的頻度最高不過每場(chǎng)婚禮設(shè)計(jì)一次——其中，很多素材還會(huì)重復(fù)使用。

    從這一點(diǎn)可以看到，真正擋在3D全息普及面前的依然是內(nèi)容：無論是用數(shù)十臺(tái)攝像機(jī)真實(shí)拍攝的方案，還是用電腦技術(shù)制作的方案，3D全息影像都還有點(diǎn)“小貴”。

    內(nèi)容是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最大的瓶頸，內(nèi)容生產(chǎn)的成本和速度決定了全息3D投影應(yīng)用的規(guī)模。不過，大屏君覺得，對(duì)這個(gè)瓶頸業(yè)內(nèi)可以報(bào)以“謹(jǐn)慎的樂觀”。因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步、AI技術(shù)的進(jìn)步、專用芯片產(chǎn)品的開發(fā)，正在改變這一點(diǎn)。至少，過去三年這個(gè)行業(yè)成本下降超過50%，效率提升超過1倍。

    因此，大屏君覺得，未來數(shù)年投影行業(yè)，乃至整個(gè)顯示行業(yè)都會(huì)進(jìn)入一個(gè)3D全息為主題的效果革命之中。以至于更遠(yuǎn)的未來，TV這類產(chǎn)品也會(huì)進(jìn)入3D全息時(shí)代——技術(shù)上，將8K分辨率看成16臺(tái)2K投影機(jī)，足以完成一個(gè)有限角度內(nèi)的良好的3D全息顯示效果。