全息顯示｜解密光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室全息顯示技術(shù)SolidLight

    CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，長(zhǎng)期以來(lái)，全息視頻的夢(mèng)想一直是科幻小說(shuō)的主要內(nèi)容——《星球大戰(zhàn)》中R2-D2顯示的萊婭公主形象、《星際迷航：下一代》中的全息甲板，以及《回到未來(lái)II》是其中三個(gè)典型例子�，F(xiàn)在，這種近乎幻想的顯示效果將走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，而且其顯示原理一點(diǎn)也不會(huì)違反物理定律。實(shí)現(xiàn)這一全息視屏顯示的公司叫做光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（Light Field Lab），它是一家來(lái)自美國(guó)硅谷的初創(chuàng)公司。該公司開發(fā)了世界上第一種真正的全息數(shù)字顯示技術(shù)。

    根據(jù)外媒Techhive報(bào)道，這個(gè)技術(shù)它不是2012年在科切拉音樂(lè)會(huì)舞臺(tái)上用來(lái)復(fù)活Tupac Shakur的技術(shù)——這是一種被稱作Pepper's Ghost的顯示技術(shù)，已經(jīng)存在了將近160年，其原理是使用煙霧和鏡子來(lái)反射2D懸浮圖像。另外，它肯定也不是三星、索尼、Looking Glass和Stream TV等公司多年來(lái)一直在展示的自動(dòng)立體式3D技術(shù)。該技術(shù)原理上向用戶的每只眼睛呈現(xiàn)一幅獨(dú)立的2D圖像，只要用戶處在正確的位置就可以看到一幅3D影像。不過(guò)，這種技術(shù)有時(shí)會(huì)因?yàn)橐曈X(jué)輻輳-調(diào)節(jié)沖突（Vergence-AccommodationConflict）引起用戶的頭暈和惡心，同樣，這一問(wèn)題也一直困擾著眼鏡式3D設(shè)備和頭戴式顯示設(shè)備的應(yīng)用。

    光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室成立于2017年，它們開發(fā)了一項(xiàng)名為SolidLight的技術(shù)，該技術(shù)可以準(zhǔn)確復(fù)制光在現(xiàn)實(shí)世界中的行為。實(shí)際上，當(dāng)用戶觀察現(xiàn)實(shí)世界中的物體時(shí)，來(lái)自太陽(yáng)或其他光源的光會(huì)從物體的許多不同點(diǎn)向許多不同方向反射，其中一些會(huì)進(jìn)入用戶的眼睛（見(jiàn)圖 1a）。當(dāng)用戶在物體周圍移動(dòng)時(shí)，不同的光線——或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，波前（Wavefront）——進(jìn)入他們的眼睛，這時(shí)用戶就能看到不同視角下的畫面。另外，其后方的物體對(duì)象會(huì)以不同的方式被阻擋（遮擋）。

圖1a.現(xiàn)實(shí)生活中，光線從物體的不同位置向不同方向反射，其中一些光進(jìn)入你的眼睛

    基于此理，如果設(shè)計(jì)者可以在沒(méi)有真實(shí)物理對(duì)象的情況下，依舊能夠生成從許多不同位置向許多不同方向反射的光波前，那么他們就能夠以全息顯示的方式再現(xiàn)上述對(duì)象（見(jiàn)圖1b）。這就是SolidLight技術(shù)所做的工作，而傳統(tǒng)的立體顯示技術(shù)做不到，傳統(tǒng)3D技術(shù)在顯示畫面時(shí)，所有的光都來(lái)自同一個(gè)平面。即使每只眼睛都處于一個(gè)稍微偏移的畫面觀看位置，它顯示的也只是圖像，而不是3D的物體對(duì)象——這些技術(shù)無(wú)論如何都不能實(shí)現(xiàn)真正的全息顯示效果。

    圖1b.光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的SolidLight技術(shù)可以重現(xiàn)用戶在現(xiàn)實(shí)生活中看到的相同光波前，這意味著用戶所看到的物體和真實(shí)對(duì)象幾乎一樣

    這里至關(guān)重要的是，光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的Solidlight技術(shù)解決了包括尺度(Scale)、密度和計(jì)算在內(nèi)的很多瓶頸問(wèn)題。實(shí)際上，要有效地形成一個(gè)真正的全息物體對(duì)象，設(shè)計(jì)者需要生成和控制數(shù)百或數(shù)千億個(gè)波前的方向和幅度，這里的波前對(duì)應(yīng)于2D顯示器上的像素。請(qǐng)記住，4K顯示器具有830萬(wàn)像素，而最先進(jìn)的8K顯示器也才只有3300萬(wàn)像素，這些和SolidLight生成的每平方米100億像素簡(jiǎn)直不能比！

    更重要的是，設(shè)計(jì)者要實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景要以無(wú)數(shù)波前的形式同時(shí)出現(xiàn)，這時(shí)用戶的眼睛才可以隨時(shí)關(guān)注場(chǎng)景中的任何一點(diǎn)，就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣，而用戶沒(méi)有關(guān)注的區(qū)域會(huì)表現(xiàn)出離焦的模糊狀態(tài)，這也和我們現(xiàn)實(shí)生活中所感受的情況一樣。除此之外，真實(shí)世界中光的所有屬性——反射、折射、衍射等也都要被完全再現(xiàn)。最重要的是，這些過(guò)程的實(shí)現(xiàn)不需要特殊的眼鏡、頭部追蹤或其他配件。

    圖2. SolidLight顯示面板由光源（在此圖中表現(xiàn)為光子陣列和幅度調(diào)制平面組合的一個(gè)單元）和一個(gè)光學(xué)相位引導(dǎo)器（PhaseGuide）組成。它們結(jié)合在一起就可以重新創(chuàng)建與實(shí)際物體相對(duì)應(yīng)的光波前，因?yàn)橐曈X(jué)上沒(méi)有差異，用戶將無(wú)法區(qū)分畫面和真實(shí)物體對(duì)象。

    Layer-Cake技術(shù)

    那光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室是如何做到上述過(guò)程的呢？憑借已經(jīng)授權(quán)的300多項(xiàng)專利技術(shù)。該技術(shù)對(duì)應(yīng)的硬件是一種具有三層基本組件的模塊化SolidLight Surface視頻墻。其中，第一層是基于硅的發(fā)光器件相控陣列，該公司稱之為“納米粒子聚合物”，當(dāng)然該公司也沒(méi)有具體說(shuō)明這些設(shè)備是什么，不過(guò)顯然，它不是LED陣列，它們的密度甚至比Micro-LED面板還要高得多。另外，這一層還包括了提供強(qiáng)大處理能力的電子設(shè)備。

    作為第二層的中間層是一個(gè)幅度調(diào)制平面，顧名思義，它在電子設(shè)備的控制下調(diào)制來(lái)自光子陣列的光波前幅度。與光子陣列一樣，光調(diào)制器陣列由單獨(dú)可控的亞微米或納米粒子組成。該層的功能時(shí)調(diào)節(jié)最后一層發(fā)出的波前；如果我們具體去看幅度調(diào)制平面的光輸出，那只會(huì)是一堆噪聲。

圖3. 一個(gè)桌面版本的Solidlight面板可以在表面形成3D圖像

    最后一層是PhaseGuide調(diào)制平面，它是一個(gè)靜態(tài)光學(xué)層，需要與其他層協(xié)同設(shè)計(jì)，進(jìn)而讓投影對(duì)象聚焦。這些組件的精確光學(xué)特性可由客戶配置——例如，他們是否希望物體位于屏幕前兩英尺、屏幕后或其他地方？

    上述基本顯示硬件是一個(gè)無(wú)邊框的子模塊，尺寸超過(guò)6x4英寸，分辨率為16,000x10,000像素- 在大約27平方英寸中包含1.6億像素！15個(gè)子模塊可以融合形成一個(gè)方形模塊化面板，邊長(zhǎng)約半米，擁有驚人的25億像素，也就是每平方米100億像素。當(dāng)然，用戶也可以平鋪多個(gè)面板以創(chuàng)建幾乎任何尺寸的SolidLIght Surface 視頻墻，這和其他模塊化LED視頻墻系統(tǒng)一樣。據(jù)該公司稱，與Micro-LED顯示器不一樣的是，發(fā)光元件（像素）的精確放置沒(méi)有問(wèn)題，其“巨量轉(zhuǎn)移”過(guò)程在軟件中就可以完成。

    最后，幾乎任何來(lái)自CGI系統(tǒng)（如Unity、Unreal、Maya、Blender或任何具有深度信息的）的3D場(chǎng)景數(shù)據(jù)都可以由SolidLight的WaveTracer軟件實(shí)時(shí)渲染，而無(wú)需“預(yù)處理”。編碼的矢量化光子信號(hào)類似于杜比全景聲矢量化空間音頻信號(hào)。該系統(tǒng)甚至可以合成2D圖像中的深度信息。

    如果要用普通的視頻術(shù)語(yǔ)介紹，SolidLight可以以每秒60幀畫面的速度顯示10位色深的畫面。如果客戶比較在乎顯示的幀速，光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室還可以進(jìn)一步優(yōu)化，以更高的幀速率運(yùn)行。另外，它還可以使用較慢的速率來(lái)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模糊畫面以獲得藝術(shù)效果。