基于全息投影技术设计的虚拟键盘
■池涵
日前，2020世界人工智能大会上，从空中“现身”的阿里巴巴集团创始人马云、虚拟歌手洛天依赚足了观众的眼球。这次现身让全息投影技术再次成为热议的焦点。
然而，北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室教授桑新柱提出，这次大会使用的技术仍是一种用45度角放置的半透半反膜进行投影的显示方式，与真正的全息投影技术尚有距离。
那么，怎样才能算是真正的全息投影技术？这项技术又能在多大程度上改变人类的生活呢？
条条大路通“全息”
像航（上海）科技有限公司（以下简称像航）产品总监胡宪旺从事产品研发多年。他告诉《中国科学报》，所谓全息投影技术，就是要包含光携带的全部信息，包括波长、振幅和相位等。
但是目前使用普通摄像机采集的信息并不包含相位信息，或者说缺乏景深信息，因此影像给人的视觉感受仍是二维的。
“真正的全息要提供光的相位信息，这样观众看到影像才会有景深的感觉，远近感由此产生。”胡宪旺说。
那么，如何实现全息投影呢？
桑新柱告诉《中国科学报》，全息投影基于干涉原理记录，即利用相长和相消干涉形成明暗相间的干涉条纹记录光的相位信息，显示时再用参考光照射全息图，形成衍射光波的再现光的三维光场信息分布。全息投影可以看作是一种三维光场显示技术。
“实现三维光显示的方法有很多种。”桑新柱说，“目前不少具有一定三维效果的显示技术被赋予‘全息投影’的名字，而实际上并非真正的全息投影。”
1908年，诺贝尔奖获得者Gabriel Lippmann首次提出集成成像显示方法，即通过透镜阵列在胶片上记录物体的三维信息，显示时再用光源照射胶片实现物像在空中的三维还原。受当时的技术条件制约，实现的难度比较大，成像的分辨率也难以提高。三维显示可以用每秒几千帧的速率输出图像的高速旋转投影，或者用投影机阵列和光学屏幕组合的方式来实现光的三维分布。
空间投影显示时既可以借助烟雾、水雾等散射介质实现光的空间散射分布，也可以借助其他介质来实现。桑新柱说，北京邮电大学研究团队研发的空中成像裸眼3D光场显示技术，利用空间光场技术配合多重控光器件调控三维空间光场，实现不同方向的光在空间的重组。这种方法记录的点阵量动辄几百万、上千万，投影时将点阵携带的信息在空间中重建，可以使三维影像悬浮显示在空气中。
另一种三维光场显示方法是，美国Magic Leap公司利用光纤扫描将三维光场影像直接投射到人类的视网膜上，实现头戴式3D显示。2016年曾播出几个演示视频，效果惊艳。
胡宪旺介绍，像航也研制了一种无介质全息投影技术，通过光学微镜结构来复制光场，在三维空间重现一个三维立体的实像。
常见的薄膜成像中，用户和影像分别在薄膜的不同两侧。与之不同，该成像方式将用户和影像置于成像材料的同一面，因此可以实现用户和影像的互动。比如，将按键在空中成像，再用平台内置的传感器识别手势和操作，传给对应的计算机系统，就可以解决人机交互的问题，届时人类在空气中触控将成为现实。
“刚需”实现尚有距离
现如今，借助全息投影等技术，不少博物馆、科技馆都将展品数字化，在空中形成的三维影像，有时甚至比实物更清晰，方便观众鉴赏。
业内专家却认为，全息投影近些年来略显沉寂。全息投影“刚需”的一面实现尚有段距离。
“三维显示技术在很多行业应用领域算得上刚需。”桑新柱说。
目前，医生诊断病情时还大量使用二维图片。由于不同医生对平面图像会产生不同理解，远程会诊等特殊场景下，用二维图像去推断三维空间中的实际情况，不免出现“盲人摸象”的情形，导致偏差发生。
桑新柱表示，三维数据能够三维显示，或可使三维医疗信息准确、无偏、全面地构建，医生、患者、家属都能清晰地看到不同阶段病情变化，从而降低误差发生的概率。
此前热播的美剧《名医》中，年轻的医生在实际做手术前先用三维影像模拟患者的身体器官，可以看出器官之间的遮挡关系，预演手术过程。桑新柱说，全息投影技术用于外科手术培训，或可将训练时间减少到之前的一半。
此外，在工业制造领域也存在刚需应用。
工程师在制造、装配前看纸质图纸，因为晦涩，容易让人“挠头”。胡宪旺认为，如果方案用三维构建出来，就能提高设计、生产、装配等环节的整体效率。此外，全息投影技术也可用于餐饮等行业，在点菜、缴费时使用交互式全息投影技术，降低交叉感染风险。
技术有待标准化
既然全息投影技术有这么多优势，为什么这几年行业渐渐平静了呢？
桑新柱认为，从技术方面来讲，目前全息显示还需要解决在显示方式、显示尺寸、分辨率、计算和存储能力等方面的瓶颈。
“提高分辨率是显示技术永恒的主题。”桑新柱说。他表示，目前的显示器件从结构尺寸和分辨率来讲，都不足以支持大尺寸动态真彩色全息显示应用的要求。
“学术上对全息投影的理解，需要其显示器件的结构单元尺寸小于1微米，最好做到50纳米的量级，并且可以360度全方位调控相位。现在还缺乏成熟的技术手段做这样的器件。”桑新柱说道。
另一个问题是提高计算效率。全息显示技术要实时生成动态的全息图，计算量非常大，因此对计算能力提出了更高的要求。
“现在静态全息图能够达到每毫米数万个全息干涉条纹，相当于单个结构单元的尺寸在几十个纳米，可以说静态全息图已经可以做得非常逼真。”桑新柱介绍，“动态的全息投影钟，显示器件的单元结构尺寸决定了显示的视角和分辨率。这就要求动态显示单元的像素尺寸必须做到50纳米，这方面短期内很难实现。”
胡宪旺认为，全息投影行业缺乏统一的工业标准，导致该行业目前还是主要面向产业应用。
“目前VR/AR眼镜厂商基本上都基于各自的系统，应用技术间不能相互兼容，性能和体验与用户需求还有一定的距离。”胡宪旺说，“这说明行业还处于初期，未进入工业化发展阶段，广泛应用还未到来。”
胡宪旺认为，随着技术的发展和应用需求的推动，统一的行业标准将提上议事日程。届时，用户拿到的硬件即便来自不同厂商，也可以实现“互联互通”。
“不远的将来，购买全息投影设备就可能像买电脑和智能手机一样，自行选择配置，并基于配置选择具体的应用。但只有先实现行业的标准化，整个生态才能良性、快速地发展，应用才会更广泛。”胡宪旺说。
