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全息術(shù):3D 顯示的未來(lái)
來(lái)源: | 作者:4SHQ | 發(fā)布時(shí)間: 1064天前 | 4156 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(lái)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(jué)系統(tǒng)光學(xué)要求的唯一方法,。多年以來(lái),,研究者們都在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不斷努力。


近期,,來(lái)自美國(guó)亞利桑那大學(xué)光科學(xué)學(xué)院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(jué)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wàn)倍,,所以實(shí)現(xiàn)全息3D 顯示的難度顯而易見(jiàn),。



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



按照?qǐng)D1中的發(fā)展時(shí)間軸預(yù)測(cè),,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的全息3D顯示大約要到2100年,。

發(fā)展軌跡或許不是無(wú)法改變的,所有的這一切取決于人類的不斷努力,。盡管實(shí)現(xiàn)難度非常大,,但全息仍然被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)3D 顯示的終極技術(shù)。這是因?yàn)槿⑿g(shù)是目前可滿足適配人眼視覺(jué)系統(tǒng)光學(xué)要求的唯一方法,。



二,、人眼視覺(jué)和3D 顯示

理解人眼視覺(jué)系統(tǒng)是如何感知三維信息對(duì)研發(fā)3D顯示至關(guān)重要。


人眼視覺(jué)系統(tǒng)從外部獲取的眾多信息中來(lái)進(jìn)行深度感知,,而其中絕大多數(shù)重要的深度感知要素是二維信息,,其中包括陰影(shading + shadowing)透視方向(perspective),,相對(duì)大?。╮elative size),,遮擋(occlusion)模糊度(blurriness + haze),。


如下圖2展示了在一個(gè)二維平面上的三個(gè)球,,但其包含了以上列舉的二維深度感知要素,,這些二維深度感知要素經(jīng)過(guò)人眼視覺(jué)系統(tǒng)后,,我們會(huì)認(rèn)為它們是存在于三維空間中的球。所以無(wú)論是繪畫,,照片,,或是影像,只要上面的二維深度感知要素被植入,,我們?nèi)搜劬蜁?huì)產(chǎn)生三維感知效果,,否則光學(xué)圖像錯(cuò)覺(jué)就會(huì)產(chǎn)生。因此3D 顯示系統(tǒng)首先需要保證以上二維深度感知要素,,其次再加入和解決其他一些三維感知要素,,如立體視差,,運(yùn)動(dòng)視察和視覺(jué)輻輳調(diào)節(jié)沖突(vergence-accommodation conflict,,VAC)等等。



圖2:二維深度感知要素及其對(duì)深度感知的影響



基于以上信息,,作者討論了目前主要的幾種3D 顯示技術(shù)及其特點(diǎn):


  1.  基于立體視差(Stereo disparity):常見(jiàn)于現(xiàn)在3D影院,,需要穿戴3D眼鏡,,存在VAC。
  2. 裸眼3D 顯示(Autostereoscopy):常用透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)三維成像,;需要用戶固定在特定位置,,存在VAC。
  3. 基于運(yùn)動(dòng)視差 (Motion Parallax,,Multiview):相當(dāng)于用戶可移動(dòng)的裸眼3D,,存在VAC,所需比特率低,,約10? Gb/s,,也是目前研究的熱點(diǎn)。
  4. 立體顯示(volumetric displays):通過(guò)預(yù)先定義好的三維空間進(jìn)行光發(fā)射,,散射,,照明以顯示三維圖像。圖像就像懸浮在空中,,給人以極大的視覺(jué)沖擊,。但存在遮擋問(wèn)題,且成像體積受到限制,。



以上這些3D 顯示技術(shù)各有利弊及其適用的應(yīng)用場(chǎng)景,,且很多受到人眼視覺(jué)系統(tǒng)限制而無(wú)法解決,。但這些技術(shù)在最終全息術(shù)成熟之前,仍將繼續(xù)向前為朝著用戶體現(xiàn)更舒適,,顯示效果更佳的方向繼續(xù)前進(jìn),。

三、全息3D顯示
全息術(shù)被證明是目前唯一可滿足所有人眼視覺(jué)系統(tǒng)所需要素的3D 顯示技術(shù),。但其挑戰(zhàn)是巨大的,,主要從三個(gè)方面闡述:


1. 全息3D信息計(jì)算(computation)


計(jì)算機(jī)數(shù)字全息(Computed Generated Holograms, CGH)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了全息計(jì)算的發(fā)展。利用基爾霍夫和菲尼爾衍射理論計(jì)算由相位板在特定衍射距離上產(chǎn)生任意圖像,。但是1015b/s 級(jí)別(720p video)的數(shù)據(jù)比特率需求讓計(jì)算變得龐大且耗時(shí),。而這需要更為簡(jiǎn)潔的全息計(jì)算算法,并且對(duì)應(yīng)的針對(duì)全息計(jì)算的特定硬件平臺(tái)也非常必要,。


2. 全息信息傳輸(transmission)


因?yàn)槌蟮臄?shù)據(jù)傳輸需求,,建立有效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模型,無(wú)失真的衍射數(shù)據(jù)壓縮算法非常重要,。


3. 全息信息更迭生成(reproduction)

為了生成高質(zhì)量的全息圖形,,以3×1015b/s 比特率為例,大概需要23萬(wàn)個(gè)4K 空間光調(diào)制器(SLM),,15000臺(tái)電腦來(lái)處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),,這些聽(tīng)起來(lái)很荒唐的數(shù)字再一次體現(xiàn)了全息3D顯示的實(shí)現(xiàn)難度之大。全息數(shù)據(jù)生成器件和方法通??煞譃橐韵聨最悾?/span>

  1. 硅基集成的液晶調(diào)制器(liquid crystal on silicon,,LCoS SLM):分辨率高,但液晶的刷新速率低,。
  2. 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS):刷新率快,,高集成度,但目前器件效率低,。德州儀器處于領(lǐng)先地位,,其下一代的高效率的相位調(diào)制器也正在研發(fā)。
  3. 研發(fā)可實(shí)時(shí)刷新的全息材料:比如光折變聚合物,,聲光材料,。
  4. 相位陣列光子集成芯片:微納尺度的相位陣列由一系列光波導(dǎo)組成并實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的大規(guī)模集成。如圖3,,這些相位陣列通過(guò)片上的聲光或熱光調(diào)制器來(lái)改變其相位,,并用光柵耦合出射。其優(yōu)點(diǎn)是快速,,相位易控制,,片上大規(guī)模集成。缺點(diǎn)是相位分辨率較低,導(dǎo)致有較大的衍射旁瓣,。


圖3:大規(guī)模集成相位陣列

目前還沒(méi)有哪一個(gè)技術(shù)可以同時(shí)滿足高分辨,,高數(shù)據(jù)量生成且集成度高的需求。

全息仍被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)理想3D 顯示的最終技術(shù),。雖然目前還沒(méi)有成熟完善的解決方案,,但這無(wú)法掩蓋人們?yōu)槠渌龀龅木薮筘暙I(xiàn),科學(xué)家們正前所未有地將項(xiàng)技術(shù)變成現(xiàn)實(shí),。


論文信息


Blanche. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:28
https://doi.org/10.37188/lam.2021.028



轉(zhuǎn)載 | 先進(jìn)制造 公眾號(hào)

本文編輯 | 趙陽(yáng)