剖析与VR、AR相关的黑科技——全息投影技术

1947年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影技术，他也因这项工作荣获了1971年的诺贝尔物理学奖。该技术自发明伊始便应用于电子显微技术领域，被称为电子全息投影技术。不过，直到1960年激光发明后，全息投影才取得实质性进展。如今，大家熟知的微软Hololens和Magic Leap所谓的神秘黑科技，正是运用了这项技术。接下来，我们将深入剖析全息投影技术。

全息投影技术概述

全息投影是一种需要特定媒介、实时呈现且可与人交互的显示技术。我们将其所需媒介称为“全息介质”，由于它无法凭空产生，这也是目前该技术难以普及的主要原因。全息投影通过将影像投射到全息介质上，为人们呈现出3D效果，因此也被称为虚拟成像技术，当下火热的增强现实（AR）就运用了这一技术。

全息投影技术的本质在于实现三维图像的记录和再现，具体分为以下两个步骤：

记录

利用干涉原理记录物体光波信息。普通三维图只是在二维平面上通过构图及色彩明暗变化营造人眼的三维错觉，而全息影像包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。观众可以从不同角度观看图像，感受其在不同视角下的形态变化，仿佛真实物体就在眼前。如今的技术不仅能记录真实影像，还可制作完全虚拟的三维数字影像。早在1947年，记录这一难题就已被攻克。

再现

利用衍射原理再现物体光波信息。全息膜技术的诞生使得三维图像的再现成为可能。凭借这层薄薄的透明膜，T形台上的绚丽光彩和舞台上的虚幻影像都能得以实现。随着全息膜技术的不断进步，现在一些全息膜中含有许多细细的线路丝，借助这些线路丝，人们可以通过手指触摸与全息影像进行互动。这一技术在2001年取得了突破。

而之所以说“直到1960年激光的发明后，全息投影才取得了实质性的进展”，是因为真正的全息图像是由激光全息照相技术完成的。该技术使用分光镜形成多路激光，利用激光相干性好的特点形成衍射，是一种特殊的照相术。捕捉全息投影需要激光光源，最常用的是红色的氦氖激光。

激光全息照相技术原理

有人将全息投影技术（hologram）的原理类比为用环绕音效录制交响乐，即声音一旦被录制，即便没有交响乐团现场演奏，也能反复重现音乐。而全息投影技术记录的不是声音，而是光被物体散射所形成的干扰图形，这样就能事后重制散射光，制造出物体实际存在的错觉。

具体过程为：先使用分光镜将光束分开，每道新光束会沿不同路线照射在全息投影记录盘上。第一道光束——物体光束（object beam）照射在物体本身，第二道则照射在记录盘上，作为制作干扰图形的参考依据。每道光束在抵达目标之前，都会通过一个镜片。全息投影记录器的镜片与照相机镜片不同，其目的是散光而非聚光。物体光束照射在物体上时，光会发生反射与折射，部分光束会射向全息相片的方向。物体光束抵达全息相片后，会与参考光束（reference beam）发生碰撞，并形成干扰图形。光敏感化学物质所制造的微粒能准确记录干扰图形，原理与摄影技术类似。

曝光后的全息相片更像CD，而非摄影负片，储存的资讯无法仅凭肉眼读取，看起来更像是一连串凹凸不平的波形线条。若想观看全息影像图，需将光源照射在底片上。全息相片主要分为两种，观看方式各不相同。观看穿透式全息相片时，需将单色光照透底片，以制造出单一颜色（通常为绿色）的浮动3D图像；而钞票上的反射式全息相片，回弹的光线可能是多彩的。

制造全息相片的过程与传统摄影类似，需防止其他光线渗入，因此通常要在暗房里录制。由于大部分全息投影激光为红色，传统暗房的红光会破坏全息相片，所以必须用绿光或蓝绿光取代。此外，全息相片对环境因子比一般摄影更为敏感。由于要在极小的空间里装载大量资讯，激光只要出现细微偏差，就可能破坏全像。地板振动、身体动作造成的空气振动，甚至人的呼吸都可能干扰全像制作过程。

尽管全息相片制作困难，但其储存容量却十分惊人。全息投影图片完全是立体的，可从各个角度观看，影像还可以缩放，用某波长制造的全息投影也可用另一波长观看，所制造出的全息投影与观察光的波长等比例。理论上，用X光制造全息像，然后在可见光下观看，就能做出极度微小、小至分子规模般细致的全息像，但这一概念尚未具体实现。

会移动的全息投影

全息投影技术面临的最大挑战是制造会移动的全息投影。如同摄影底片，传统全息相片一旦曝光，影像就会固定下来。苏格兰公司Holoxica研发了可以储存预录全息影片的全息屏幕，该屏幕的光源在后方，可向上投射全息像。屏幕允许动态变换预录影像，从而改变可见的投射画面。通过简易干扰图形的组合，就能制造出较复杂的影像，这类似于像素在液晶荧幕上形成影像的原理。

虚拟乐团“街头霸王”

真正的移动全息投影或许尚未问世，但Musion、AV Concepts和Hologramica等公司已利用先进的数位媒体技术，创造出拟真的一比一大小3D投射影像。这些公司打造了虚拟乐团“街头霸王”（Gorillaz），实现了钢琴家与其全息投影分身四手联弹，甚至让音乐家“死而复生”。

Hologramica公司主任丽兹·贝瑞谈到佩珀尔幻象（Pepper’s Ghost）这一古老的神奇舞台表演时表示：“佩珀尔幻象原本用于维多利亚剧院，旨在制造超自然效果。他们会在观众眼前放置一个被光打亮的表演者，并在表演者和观众之间架一块玻璃。由于玻璃透明，观众并不知道自己正透过玻璃看舞台，表演者的反射看起来就像灵异幻影。如今我们利用高解析度影片，并以特殊研发的金属薄片取代玻璃。影像会投射在地板上的隐藏荧幕，所以只能看到金属片上的反射，影像就这么呈现出来了！”她还提到：“这种全息幻影本质上是通过2D的高解析影片投射成像。严格来说，我们所制造的并非真正的全息投影，但大众仍会认为它是3D全息投影。有时我会想举办个命名大赛，找个更好的名字，不过目前只能继续用全息投影来称呼它。”

全息投影技术的应用

BeagleHolo

英国Beagle Media公司将全息投影技术进行了小型应用，研发出先进的全息投影放映机之一——Holo。该公司利用Mac Mini电脑和140公分的三星屏幕，将2D影像投射成看似3D的影像。此外，动作感应器让使用者能以手势即时操作物体。错觉技术也可用于研发可触碰式全息投影，例如经典的幻想玩具，将物体置于一片朝上的凹面镜片底部，再盖上另一面顶部有开口的凹面镜，内室里反射的光线会将影像聚焦在开口，让物体看起来像是凭空立在上头。

任天堂Wii遥控器

东京大学的研究人员正利用全息投影技术，尝试研发可与使用者互动的全息投影。他们利用任天堂Wii遥控器上的红外线感测器追踪手部动作，空中的超音波讯号负责制造微小的压力波，模拟碰触的感觉。微软公司也在针对Kinect感应器研发类似技术。

微软Kinect

这类技术潜力巨大。全息影像不仅可应用于娱乐、艺术和教育领域，在媒体科学、科技设计和增强现实方面也有无限潜力。以色列的医生已能在手术过程中利用互动式全息投影，即时重制器官模型，协助手术；加拿大安大略省皇后大学的人体媒体实验室（Human Media Lab）正在设计Skype通讯的3D版本，目前处于研发初期。

真正的移动式全息投影目前可能类似1980年代的液晶屏幕，但看看如今液晶屏幕的发展，就可知其潜力。对Hologramica公司而言，这仿佛是挑战不可能的任务：“我们可以让车子漂浮、把芭蕾舞者变成水晶天鹅、在舞台上实现其他方式无法做到的效果。正所谓眼见为凭，人们看到这些影像，就会完全投入其中，视其如同真实。”

死而复生

2012年，在柯契拉（Coachella）音乐节的舞台上，饶舌歌手史奴比狗狗（Snoop Dogg）和德瑞博士（Dr. Dre）的表演让现场观众惊喜不已。如今，通过真实影片、电脑合成影像、替身和动作捕捉技术等科技，能让死去的表演者“复活”回到舞台。这种幻象利用Musion Eyeliner全息投影技术制造。Hologramica公司主任丽兹·贝瑞在接受《How It Works知识大图解》访问时表示：“要投射某个人像，必须为该对象拍下连续且完整的全身照，制成高解析度的影片。这可以通过拍摄影片完成，若运气好，也能找到拍摄对象现有的影片。或者运用电脑合成影像，更多时候需要混合多种技术。例如，当初创造法兰克·辛纳屈（Frank Sinatra）的身影，就是混合了新旧影片，通过电脑合成为拟真的全息投影。表演中的每个元素都要逼真，灯光的设置至关重要。舞台本身一开始就要精心设计，以便高效、优雅地布置众多庞大的器材，器材的摆放位置必须精准。有些事项完全属于技术性问题，有些则需要创意和优质的影像，最后通过电脑技术将真实影像与虚拟影像完美融合。”