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全息術(shù)：3D 顯示的未來
來源: | 作者:4SHQ | 發(fā)布時(shí)間: 1155天前 | 4393 次瀏覽 | 分享到:

撰稿 | 顏悅（香港中文大學(xué)，博士生）


物理學(xué)家Dennis Gabor 因發(fā)明全息術(shù)被授予1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全息術(shù)是一種可以記錄光波前（包括其幅度和相位）并重建的技術(shù)，其主要利用光的衍射來產(chǎn)生虛擬三維圖像。


先驅(qū)者們?cè)诤茉缇皖A(yù)言全息是實(shí)現(xiàn)完美3D 顯示的最終方法，這是因?yàn)槿⑿g(shù)是目前可滿足適配人類視覺系統(tǒng)光學(xué)要求的唯一方法。多年以來，研究者們都在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不斷努力。


近期，來自美國(guó)亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院的Pierre-Alexandre Blanche教授在最新一期的 Light: Advanced Manufacturing發(fā)表一篇題為"Holography, and the future of 3D display” 的綜述文章。



首先，闡述了為什么目前實(shí)現(xiàn)全息3D 顯示是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)；
隨后，從人眼視覺系統(tǒng)出發(fā)，介紹了目前主流的3D 顯示技術(shù)及其特點(diǎn)；
隨后，以全息3D 顯示為重點(diǎn)，總結(jié)了利用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全息計(jì)算的新進(jìn)展；
接著，討論了全息數(shù)據(jù)傳輸模型和數(shù)據(jù)壓縮算法；


最后，介紹了全息數(shù)據(jù)硬件生成方法及其進(jìn)展。


一、為何全息3D 顯示是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)

為了直觀地描述全息3D 顯示的難度，作者使用數(shù)據(jù)傳輸速率（比特率，b/s）作為衡量指標(biāo)。


假設(shè)實(shí)現(xiàn)一個(gè)45°視場(chǎng)，60Hz 刷新率，8位分辨率，50cm×50cm屏幕大小的全息彩色顯示，在所使用光源為500nm情況下，所需要的比特率約為3×1015b/s。


圖1 展示了全息和其他通訊技術(shù)所需的數(shù)據(jù)速率（按發(fā)展時(shí)間順序排列）對(duì)比情況。


1798年的搖臂信號(hào)機(jī)大約每分鐘可傳輸2~3個(gè)符號(hào)，約0.4bit/s。
1840年代開始流行以莫斯碼傳輸?shù)碾妶?bào)，大約為100b/s。
1876年，電話的出現(xiàn)可以開始傳輸聲音信號(hào)，傳輸速率在64kb/s。
1940年代出現(xiàn)的黑白電視可顯示29.97幀/s的視頻，傳輸速率達(dá)26Mb/s。
1950年代開始出現(xiàn)的彩色電視傳輸速率又提高三倍，達(dá)78Mb/s。
1990年代開始出現(xiàn)數(shù)碼視頻，HDTV 720p 所需速率達(dá)1.33Gb/s。
2010年代出現(xiàn)4K 高清 HDTV 2160p所需傳輸速率達(dá)12.7Gb/s。


最新的8K 高清則需要47.8Gb/s的傳輸。（注：以上所需傳輸速率為壓縮前的數(shù)據(jù)量）而全息3D 彩色顯示比特率是8K 高清的6萬倍，所以實(shí)現(xiàn)全息3D 顯示的難度顯而易見。



圖1：通向全息之路：隨著時(shí)間推移，不同通訊系統(tǒng)所需比特率