可嵌入手機!三星出品首個超薄交互全息顯示屏,4K 視頻實時生成

雷鋒網 於 13/11/2020 發表 收藏文章
今年 7 月 9 日舉行的 2020 世界人工智能大會上,馬雲、馬斯克再度「同台」。

當天受疫情影響,WAIC 有史以來第一次採用了雲端形式,作為大會開幕式壓軸演講嘉賓的馬雲身在雲南,一項技術使得他與我們連接了起來——全息投影。


其實,這項技術迄今已有 70 餘年的歷史。

早在 1947 年,英國匈牙利裔物理學家 Gábor Dénes 發明了全息投影術。基於這項成就,他獲得了 1967 年的英國物理學會楊氏獎和 1971 年諾貝爾物理學獎。

而最近,被稱為是「顯示屏霸主」的三星在這一領域又有了新突破——提出了一款超薄交互式全息顯示屏,可以從多個角度提供高分辨率的、真實度極高的 3D 視頻,未來可以集成到移動設備中,支持辦公或家用。

何為全息?

實現這一突破的科研團隊來自於三星先進技術研究所(SAIT)、三星先進技術研究所俄羅斯(SAIT-Russia)光學研究小組和首爾大學。

2020 年 11 月 10 日,其論文發表於《自然》子刊《自然通訊》,題為 Slim-panel holographic video display(超薄全息視頻顯示面板)。


在瞭解這篇論文之前,何為全息是首先要了解的一個問題。

全息投影本質上是一種 3D 技術,其英文名稱是 Holographic Projection,其中 holo 來自於希臘語,意為“完全的信息”。

要傳遞“完全的信息”,需要兩步:

  1. 拍攝:利用干涉原理(即:兩列或以上的波在空間中重疊時發生疊加,形成新的波形),將被攝物體在激光輻照下形成的物光束和射到全息底片上的激光參考光束進行疊加,產生干涉並記錄下來。經過一定處理後得到全息照片。
  2. 成像:利用衍射原理(即:波遇到障礙物時會偏離原來的直線傳播),利用相干激光照射全息圖,一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波可給出兩個象,圖像的立體感增強,也有了真實的視覺效果。

簡而言之,全息投影技術的原理可以理解為:利用 2 個物理現象,巧妙地將一個物體拍攝成了一張照片,再把這張照片打造出立體感。

正因如此,全息投影又被稱為虛擬成像。

值得一提的是,當真實物體與全息圖像處於同一空間時,它們都可被感知,而且並無不同。

比如在下面這張照片中,一隻真實的人手拿着全息顯示屏,顯示屏上是一個精靈的形象。全息圖像和人手離拍下這張照片的相機的距離都是 0.3 米。


全息顯示器提供了自然的深度感知,觀眾更為關注的是精靈本身,而不是屏幕。

相比之下,如果是利用雙目視差和輻輳(即:注視近物時雙眼匯聚)的傳統立體 3D 圖像,觀眾可能無法同時清楚地看到精靈形象和人手,並且還會出現由調和-收斂衝突引起的視覺疲勞。

因此,全息顯示可以説是未來視頻系統的重要組成部分。

其實,自 1947 年被發現以來,全息技術已然成為科幻片中的經典元素,人們對它的認知也一直是:可以再現最真實的 3D 圖像,且無視覺上的不適。

視角擴大 30 倍,4K 高分辨率全息圖實時生成

1990 年,麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab)開發出了第一套全息視頻系統。自此,將全息視頻推向商業化,成為該領域的一大主要研究方向。

2018 年 5 月,美國相機巨頭公司 RED 推出了世界上第一款商用全息投影智能手機 Hydrogen One。

當時,雖然這款手機引起了外界很大的關注,但當產品推出時,業界人士和媒體都表示,這款手機在全息投影上都沒能給出一個令人滿意的用户體驗。實際上直至今天,要實現「商業全息視頻顯示器」依然存在瓶頸。

三星 & 首爾大學團隊在論文中表示:

引用商業全息視頻顯示器還未被批量引入,原因主要在於觀看角度較為狹窄、光學設備較為笨重、計算能力要求較高。

具體來講,要想打造一款適合商業化的移動全息視頻顯示器,需要克服三個障礙:

  • 空間帶寬乘積(space-bandwidth product,SBP)的限制,這決定了全息圖像的大小和觀看角度。
  • 為產生大的相干背景光,需要複雜的光學元件和相當大的空間來處理光。所以,要實現平板電腦一樣輕薄的全息視頻顯示屏,並非易事。
  • 實時全息圖通常需要大量計算,且計算量會隨着空間帶寬乘積的增大而增大。

基於上述問題,三星 & 首爾大學團隊提出的超薄交互式全息顯示屏有 2 處特別設計:

一是由相干 BLU(C-BLU)和光束偏轉器(BD)組成的背景光轉向單元(steering-backlight unit),它一方面使得有效空間帶寬乘積(即視角)擴大了 30 倍,由此實現了有史以來最大視角的動態全息圖;另一方面,其繞射波導結構(diffractive waveguide architecture)保證了顯示屏最終的超薄設計,總厚度不超過 10 釐米。

下圖中 2 個藍色箭頭為擴大的可視範圍。


二是包含數據傳播單元(DPU)、濾波器和縮放單元(FSU)以及 32 個快速反傅里葉變換處理器的全息視頻處理器(holographic video processor),單片可實時計算生成 4K 高分辨率全息圖。


最終,全息視頻顯示屏的原型如下圖所示,下圖中的標識從上至下依次是:空間光調製器、幾何相位鏡頭、連貫的背光單元、光束偏轉器、全息視頻處理器。


不僅如此,三星 & 首爾大學團隊用到的系統總線(System Bus)是被廣泛用於智能手機應用處理器中的 AMBA AXI4,因此將全息視頻處理器嵌入智能手機應用程序處理器,在未來也能實現了。

最後,讓我們一起感受一下這塊全息顯示屏投射的一個支持多角度觀看的 4K 海龜游泳動圖,海龜往哪個方向遊,觀眾直接按鍵即可控制。


看上去似乎平平無奇,但實際上由於畫面中所有物體的深度不同,全息物體的清晰度會隨相機焦點的變化而變化。

下圖為視頻截圖,圖 a 的右上角插圖中,珊瑚比烏龜更清晰;而圖 b 的插圖中,烏龜比珊瑚更清晰。


這和平時我們的相機是否對焦是同樣的道理,自然這也反映出了全息圖的獨特之處——可提供調試,最終圖像與真實物體並無差別。

至此,全息投影這一有着 70 餘年歷史的神奇技術有了重要突破,我們離手機上的全息投影不遠了。

引用來源:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19298-4

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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