可嵌入手機,三星研發首個超薄互動全像顯示螢幕,即時生成 4K 影片

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 15 日 0:00 | 分類 Samsung , 尖端科技 , 手機 Telegram share ! follow us in feedly


全像投影這項技術迄今已有 70 餘年的歷史。

早在 1947 年,英國匈牙利裔物理學家 Gábor Dénes 發明了全像投影術。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。

最近,被稱為是「顯示螢幕霸主」的三星在這一領域又有了新突破──提出了一款超薄互動式全像顯示螢幕,可以從多個角度提供高解析度的、真實度極高的 3D 影片,未來可以集成到行動裝置中,支援辦公或家用。

何為全像?

實現這一突破的科學研究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(超薄全像影片顯示面板)。

在了解這篇論文之前,何為全像是首先要了解的一個問題。

全像投影本質上是一種 3D 技術,其英文名稱是 Holographic Projection,其中 holo 來自於希臘語,意為「完全的影像」。

要傳遞「完全的影像」,需要兩步:

  1. 拍攝:利用乾涉原理(兩列或以上的波在空間中重疊時發生疊加,形成新的波形),將被攝物體在雷射輻照下形成的物光束和射到全像底片上的雷射參考光束進行疊加,產生干涉並記錄下來。經過一定處理後得到全像照片。
  2. 成像:利用繞射原理(即:波遇到障礙物時會偏離原來的直線傳播),利用相干雷射照射全像圖,一張線性記錄的正弦型全像圖的繞射光波可以給出兩個像,圖像的立體感增強,也有了真實的視覺效果。

簡而言之,全像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成一張照片,再把這張照片打造出立體感。

正因如此,全像投影又被稱為虛擬成像。

值得一提的是,當真實物體與全像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,一隻真實的人手拿著全像顯示螢幕,顯示螢幕上是一個精靈的形象。全像圖像和人手離拍下這張照片的相機的距離都是 0.3 米。

(Source:nature communication,以下同。)

全像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,而不是螢幕。

相比之下,如果是利用雙目視差和輻輳(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,全像顯示可以說是未來影片系統的重要組成部分。

其實,自 1947 年被發現以來,全像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 高解析度全像圖即時生成

1990 年,麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab)開發出了第一套全像影片系統。自此,將全像影片推向商業化,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 推出世界上第一款商用全像投影智慧型手機 Hydrogen One。

當時雖然這款手機引起外界很大的關注,但當產品推出時,業界人士和媒體都表示,這款手機在全像投影上沒能給出一個令人滿意的用戶體驗。實際上直至今天,要實現「商業全像影片顯示器」依然存在瓶頸。

三星&首爾大學團隊在論文中表示:

商業全像影片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行動全像影片顯示器,需要克服 3 個障礙:

  • 空間帶寬乘積(space-bandwidth product,SBP)的限制,這決定了全像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像影片顯示螢幕,並非易事。
  • 即時全像圖通常需要大量計算,且計算量會隨著空間頻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互動式全像顯示螢幕有 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像圖;另一方面,其繞射波導結構(diffractive waveguide architecture)保證了顯示螢幕最終的超薄設計,總厚度不超過 10 厘米。

下圖中 2 個藍色箭頭為擴大的可視範圍。

二是包含數據處理單位(DPU)、濾波器和縮放單元(FSU)以及 32 個快速反傅立葉變換處理器的全像影片處理器(holographic video processor),單片可即時計算生成 4K 高解析度全像圖。

最終,全像影片顯示螢幕的原型如下圖所示,下圖中的標註從上至下依序是:空間光調製器、幾何相位鏡頭、連貫的背光單元、光束偏轉器、全像影片處理器。

不僅如此,三星&首爾大學團隊用到的系統匯流排(System Bus)是被廣泛用於智慧型手機應用處理器中的 AMBA AXI4,因此將全息影片處理器嵌入智慧型手機應用程式處理器,在未來也能實現了。

最後,讓我們一起感受這塊全像顯示螢幕投射的一個支援多角度觀看的 4K 海龜游泳動圖,海龜往哪個方向游,觀眾直接按鍵即可控制。

看上去似乎平凡無奇,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。

下圖為影片截圖,圖 a 的右上圖中,珊瑚比烏龜更清晰;而圖 b 的右上圖中,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像圖的獨特之處──可提供偵錯,最終圖像與真實物體並無差別。

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

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:Flickr/Kevin Gill CC BY 2.0)