基于全息投影技術(shù)設(shè)計的虛擬鍵盤

■池涵

日前，2020世界人工智能大會上，從空中“現(xiàn)身”的阿里巴巴集團(tuán)創(chuàng)始人馬云、虛擬歌手洛天依賺足了觀眾的眼球。這次現(xiàn)身讓全息投影技術(shù)再次成為熱議的焦點(diǎn)。

然而，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授桑新柱提出，這次大會使用的技術(shù)仍是一種用45度角放置的半透半反膜進(jìn)行投影的顯示方式，與真正的全息投影技術(shù)尚有距離。

那么，怎樣才能算是真正的全息投影技術(shù)？這項(xiàng)技術(shù)又能在多大程度上改變?nèi)祟惖纳钅兀?/p>

條條大路通“全息”

像航（上海）科技有限公司（以下簡稱像航）產(chǎn)品總監(jiān)胡憲旺從事產(chǎn)品研發(fā)多年。他告訴《中國科學(xué)報》，所謂全息投影技術(shù)，就是要包含光攜帶的全部信息，包括波長、振幅和相位等。

但是目前使用普通攝像機(jī)采集的信息并不包含相位信息，或者說缺乏景深信息，因此影像給人的視覺感受仍是二維的。

“真正的全息要提供光的相位信息，這樣觀眾看到影像才會有景深的感覺，遠(yuǎn)近感由此產(chǎn)生。”胡憲旺說。

那么，如何實(shí)現(xiàn)全息投影呢？

桑新柱告訴《中國科學(xué)報》，全息投影基于干涉原理記錄，即利用相長和相消干涉形成明暗相間的干涉條紋記錄光的相位信息，顯示時再用參考光照射全息圖，形成衍射光波的再現(xiàn)光的三維光場信息分布。全息投影可以看作是一種三維光場顯示技術(shù)。

“實(shí)現(xiàn)三維光顯示的方法有很多種。”桑新柱說，“目前不少具有一定三維效果的顯示技術(shù)被賦予‘全息投影’的名字，而實(shí)際上并非真正的全息投影。”

1908年，諾貝爾獎獲得者Gabriel Lippmann首次提出集成成像顯示方法，即通過透鏡陣列在膠片上記錄物體的三維信息，顯示時再用光源照射膠片實(shí)現(xiàn)物像在空中的三維還原。受當(dāng)時的技術(shù)條件制約，實(shí)現(xiàn)的難度比較大，成像的分辨率也難以提高。三維顯示可以用每秒幾千幀的速率輸出圖像的高速旋轉(zhuǎn)投影，或者用投影機(jī)陣列和光學(xué)屏幕組合的方式來實(shí)現(xiàn)光的三維分布。

空間投影顯示時既可以借助煙霧、水霧等散射介質(zhì)實(shí)現(xiàn)光的空間散射分布，也可以借助其他介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。桑新柱說，北京郵電大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的空中成像裸眼3D光場顯示技術(shù)，利用空間光場技術(shù)配合多重控光器件調(diào)控三維空間光場，實(shí)現(xiàn)不同方向的光在空間的重組。這種方法記錄的點(diǎn)陣量動輒幾百萬、上千萬，投影時將點(diǎn)陣攜帶的信息在空間中重建，可以使三維影像懸浮顯示在空氣中。

另一種三維光場顯示方法是，美國Magic Leap公司利用光纖掃描將三維光場影像直接投射到人類的視網(wǎng)膜上，實(shí)現(xiàn)頭戴式3D顯示。2016年曾播出幾個演示視頻，效果驚艷。

胡憲旺介紹，像航也研制了一種無介質(zhì)全息投影技術(shù)，通過光學(xué)微鏡結(jié)構(gòu)來復(fù)制光場，在三維空間重現(xiàn)一個三維立體的實(shí)像。

常見的薄膜成像中，用戶和影像分別在薄膜的不同兩側(cè)。與之不同，該成像方式將用戶和影像置于成像材料的同一面，因此可以實(shí)現(xiàn)用戶和影像的互動。比如，將按鍵在空中成像，再用平臺內(nèi)置的傳感器識別手勢和操作，傳給對應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)，就可以解決人機(jī)交互的問題，屆時人類在空氣中觸控將成為現(xiàn)實(shí)。

“剛需”實(shí)現(xiàn)尚有距離

現(xiàn)如今，借助全息投影等技術(shù)，不少博物館、科技館都將展品數(shù)字化，在空中形成的三維影像，有時甚至比實(shí)物更清晰，方便觀眾鑒賞。

業(yè)內(nèi)專家卻認(rèn)為，全息投影近些年來略顯沉寂。全息投影“剛需”的一面實(shí)現(xiàn)尚有段距離。

“三維顯示技術(shù)在很多行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域算得上剛需。”桑新柱說。

目前，醫(yī)生診斷病情時還大量使用二維圖片。由于不同醫(yī)生對平面圖像會產(chǎn)生不同理解，遠(yuǎn)程會診等特殊場景下，用二維圖像去推斷三維空間中的實(shí)際情況，不免出現(xiàn)“盲人摸象”的情形，導(dǎo)致偏差發(fā)生。

桑新柱表示，三維數(shù)據(jù)能夠三維顯示，或可使三維醫(yī)療信息準(zhǔn)確、無偏、全面地構(gòu)建，醫(yī)生、患者、家屬都能清晰地看到不同階段病情變化，從而降低誤差發(fā)生的概率。

此前熱播的美劇《名醫(yī)》中，年輕的醫(yī)生在實(shí)際做手術(shù)前先用三維影像模擬患者的身體器官，可以看出器官之間的遮擋關(guān)系，預(yù)演手術(shù)過程。桑新柱說，全息投影技術(shù)用于外科手術(shù)培訓(xùn)，或可將訓(xùn)練時間減少到之前的一半。

此外，在工業(yè)制造領(lǐng)域也存在剛需應(yīng)用。

工程師在制造、裝配前看紙質(zhì)圖紙，因?yàn)榛逎菀鬃屓恕皳项^”。胡憲旺認(rèn)為，如果方案用三維構(gòu)建出來，就能提高設(shè)計、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節(jié)的整體效率。此外，全息投影技術(shù)也可用于餐飲等行業(yè)，在點(diǎn)菜、繳費(fèi)時使用交互式全息投影技術(shù)，降低交叉感染風(fēng)險。

技術(shù)有待標(biāo)準(zhǔn)化

既然全息投影技術(shù)有這么多優(yōu)勢，為什么這幾年行業(yè)漸漸平靜了呢？

桑新柱認(rèn)為，從技術(shù)方面來講，目前全息顯示還需要解決在顯示方式、顯示尺寸、分辨率、計算和存儲能力等方面的瓶頸。

“提高分辨率是顯示技術(shù)永恒的主題。”桑新柱說。他表示，目前的顯示器件從結(jié)構(gòu)尺寸和分辨率來講，都不足以支持大尺寸動態(tài)真彩色全息顯示應(yīng)用的要求。

“學(xué)術(shù)上對全息投影的理解，需要其顯示器件的結(jié)構(gòu)單元尺寸小于1微米，最好做到50納米的量級，并且可以360度全方位調(diào)控相位。現(xiàn)在還缺乏成熟的技術(shù)手段做這樣的器件。”桑新柱說道。

另一個問題是提高計算效率。全息顯示技術(shù)要實(shí)時生成動態(tài)的全息圖，計算量非常大，因此對計算能力提出了更高的要求。

“現(xiàn)在靜態(tài)全息圖能夠達(dá)到每毫米數(shù)萬個全息干涉條紋，相當(dāng)于單個結(jié)構(gòu)單元的尺寸在幾十個納米，可以說靜態(tài)全息圖已經(jīng)可以做得非常逼真。”桑新柱介紹，“動態(tài)的全息投影鐘，顯示器件的單元結(jié)構(gòu)尺寸決定了顯示的視角和分辨率。這就要求動態(tài)顯示單元的像素尺寸必須做到50納米，這方面短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。”

胡憲旺認(rèn)為，全息投影行業(yè)缺乏統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致該行業(yè)目前還是主要面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

“目前VR/AR眼鏡廠商基本上都基于各自的系統(tǒng)，應(yīng)用技術(shù)間不能相互兼容，性能和體驗(yàn)與用戶需求還有一定的距離。”胡憲旺說，“這說明行業(yè)還處于初期，未進(jìn)入工業(yè)化發(fā)展階段，廣泛應(yīng)用還未到來。”

胡憲旺認(rèn)為，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動，統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將提上議事日程。屆時，用戶拿到的硬件即便來自不同廠商，也可以實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)互通”。

“不遠(yuǎn)的將來，購買全息投影設(shè)備就可能像買電腦和智能手機(jī)一樣，自行選擇配置，并基于配置選擇具體的應(yīng)用。但只有先實(shí)現(xiàn)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，整個生態(tài)才能良性、快速地發(fā)展，應(yīng)用才會更廣泛。”胡憲旺說。