全息顯示｜解密光場實驗室全息顯示技術(shù)SolidLight

    CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，長期以來，全息視頻的夢想一直是科幻小說的主要內(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II》是其中三個典型例子�，F(xiàn)在，這種近乎幻想的顯示效果將走進(jìn)現(xiàn)實，而且其顯示原理一點也不會違反物理定律。實現(xiàn)這一全息視屏顯示的公司叫做光場實驗室（Light Field Lab），它是一家來自美國硅谷的初創(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報道，這個技術(shù)它不是2012年在科切拉音樂會舞臺上用來復(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等公司多年來一直在展示的自動立體式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，這種技術(shù)有時會因為視覺輻輳-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。

    光場實驗室成立于2017年，它們開發(fā)了一項名為SolidLight的技術(shù)，該技術(shù)可以準(zhǔn)確復(fù)制光在現(xiàn)實世界中的行為。實際上，當(dāng)用戶觀察現(xiàn)實世界中的物體時，來自太陽或其他光源的光會從物體的許多不同點向許多不同方向反射，其中一些會進(jìn)入用戶的眼睛（見圖 1a）。當(dāng)用戶在物體周圍移動時，不同的光線——或者更準(zhǔn)確地說，波前（Wavefront）——進(jìn)入他們的眼睛，這時用戶就能看到不同視角下的畫面。另外，其后方的物體對象會以不同的方式被阻擋（遮擋）。

圖1a.現(xiàn)實生活中，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)計者可以在沒有真實物理對象的情況下，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)上述對象（見圖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，所有的光都來自同一個平面。即使每只眼睛都處于一個稍微偏移的畫面觀看位置，它顯示的也只是圖像，而不是3D的物體對象——這些技術(shù)無論如何都不能實現(xiàn)真正的全息顯示效果。

    圖1b.光場實驗室的SolidLight技術(shù)可以重現(xiàn)用戶在現(xiàn)實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對象幾乎一樣

    這里至關(guān)重要的是，光場實驗室的Solidlight技術(shù)解決了包括尺度(Scale)、密度和計算在內(nèi)的很多瓶頸問題。實際上，要有效地形成一個真正的全息物體對象，設(shè)計者需要生成和控制數(shù)百或數(shù)千億個波前的方向和幅度，這里的波前對應(yīng)于2D顯示器上的像素。請記住，4K顯示器具有830萬像素，而最先進(jìn)的8K顯示器也才只有3300萬像素，這些和SolidLight生成的每平方米100億像素簡直不能比！

    更重要的是，設(shè)計者要實現(xiàn)的場景要以無數(shù)波前的形式同時出現(xiàn)，這時用戶的眼睛才可以隨時關(guān)注場景中的任何一點，就像在現(xiàn)實生活中一樣，而用戶沒有關(guān)注的區(qū)域會表現(xiàn)出離焦的模糊狀態(tài)，這也和我們現(xiàn)實生活中所感受的情況一樣。除此之外，真實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，這些過程的實現(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)制平面組合的一個單元）和一個光學(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)建與實際物體相對應(yīng)的光波前，因為視覺上沒有差異，用戶將無法區(qū)分畫面和真實物體對象。

    Layer-Cake技術(shù)

    那光場實驗室是如何做到上述過程的呢？憑借已經(jīng)授權(quán)的300多項專利技術(shù)。該技術(shù)對應(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)然該公司也沒有具體說明這些設(shè)備是什么，不過顯然，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大處理能力的電子設(shè)備。

    作為第二層的中間層是一個幅度調(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)制器陣列由單獨可控的亞微米或納米粒子組成。該層的功能時調(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，那只會是一堆噪聲。

圖3. 一個桌面版本的Solidlight面板可以在表面形成3D圖像

    最后一層是PhaseGuide調(diào)制平面，它是一個靜態(tài)光學(xué)層，需要與其他層協(xié)同設(shè)計，進(jìn)而讓投影對象聚焦。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無邊框的子模塊，尺寸超過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個子模塊可以融合形成一個方形模塊化面板，邊長約半米，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）的精確放置沒有問題，其“巨量轉(zhuǎn)移”過程在軟件中就可以完成。

    最后，幾乎任何來自CGI系統(tǒng)（如Unity、Unreal、Maya、Blender或任何具有深度信息的）的3D場景數(shù)據(jù)都可以由SolidLight的WaveTracer軟件實時渲染，而無需“預(yù)處理”。編碼的矢量化光子信號類似于杜比全景聲矢量化空間音頻信號。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，光場實驗室還可以進(jìn)一步優(yōu)化，以更高的幀速率運行。另外，它還可以使用較慢的速率來構(gòu)造運動模糊畫面以獲得藝術(shù)效果。