天津奧體的海市蜃樓：3D全息投影的盛宴

8月27日晚，雖然雨水連天，但是絲毫不影響天津全運會精彩的開幕式。尤其是美輪美奐的3D全息投影更是讓人嘆為觀止——這也算是與08年北京奧運會LED捲軸地面效果比較的一個「超級進步」。

為什麼要選擇全息投影而不是LED背景呢？大屏君覺得，很多人的想法是3D與2D的差別。但是，大屏君要特別指出，LED大屏也可以顯示3D全息影像——3D全息並非投影機的獨特顯示領域。但是，對比LED大屏的3D效果而言，投影機在較高的同等解析度水平下，往往具有成本優勢和設備部署的靈活性（投影機3D全息系統，唯一部署難點只是那張全息膜）。

當然，如果和實物布景比較，任何現代顯示技術都能帶來成本的下降、靈活性的上升、創意空間的極大化。即，實物布景所不能實現的效果，以及快速的場景切換能力、主要設備的二次重複利用，都是現代數字布景技術高速發展的原因。

不僅僅是運動場這樣的領域，例如天津全運會、美國NBA比賽的開場等，包括商店的櫥窗展示、博物館的特效展覽，以及現在電視台非常常見的「虛擬演播廳」，都已經成為3D全息投影的重要應用場所。甚至，大屏君認為，未來的電影院、甚至家用電視也可實現3D全息化——比如，高調的8K顯示，如果僅僅是2D，那麼真的「很LOW」。

談到這裡，可能很多人都會有這樣一個問題：為什麼我現在看到的電視機、電影院都不是3D全息呢？——如果要看3D就必須帶著不舒服的「眼鏡」。問題的答案就在全息成像的秘密里。

人們在自然界看到的畫面，眼睛接觸的光波屬性有哪些呢？當然是包含了全部的光學信息——例如偏振、頻率、振幅、相位。不過，我們的眼睛對偏振並不敏感，對頻率則有光化學反應進行了篩選。振幅和相位則用於形成光亮度和立體感。

但是，目前常見的顯示系統，實際上只是恢復了自然影像的頻率（即紅綠藍顏色），以及振幅（即明暗）的信息。這樣的畫面就是最常見的平面影像。包括印刷產品、繪畫產品、一般的電視機、手機都是如此成像。也就是說，丟失了「物光」的相位信息，這是傳統影像產品難以實現3D效果的原因所在。

對此，大屏君要特別說明，利用眼鏡的3D顯示設備，無論是快門眼鏡、還是偏光眼鏡，本質都是在左右眼造成不同相位的「虛物光」，進而實現3D效果的。對此，四五十年前就已經有很多科學家研究，如何將一個平面上的光波的所有屬性都記錄下來，並在另一個設備上全面呈現出來——這就是最早的全息影像概念。

在實際的工程實現中，其實不需要完整記錄光波的所有波動或者量子態信息，而只需要振幅和相位，就可以達到3D的效果。如果再記錄了頻率，就可形成彩色3D效果。實現這一需求的技術就是「干涉」。典型干涉光效果的產生，是由於同頻不同相位的光波照射到同一平面產生的疊加效應。這就決定了利用干涉現象，可以在一定信息密度上記錄，一個平面上光波的相位信息，同時不丟失振幅和頻率信息。這種技術就是全息攝影。

同時，光學還有另一個基本現象，即衍射。衍射反應的是傳播光路上障礙物，對越過光線的相位的改變。這一點正好可以用來呈現全息影像的相位信息。在3D全息顯示中，這個障礙物就是全息膜——全息膜可以是一個光學薄膜，也可以是氣體、水幕等。全息膜的精細程度，決定了3D顯示的清晰程度。

通過以上大屏君的分析，讀者可以看到3D全息影像的實現可以分成兩個階段：第一個是影像的記錄，第二個則是顯示階段。但是，實際應用中，影像的記錄過程會非常複雜——因為干涉要求同頻。這使得全息影像攝像成為一個高成本的過程。同時，還有另一個更大的問題：攝像之前必須先有實物，至少是一個模型。這也極大提高了3D全息影像的製作成本。

不過，現在有一個代替純攝影的3D全息影像製作技術，即電腦輔助製作，或者純數字製作。彩色全息影像記錄的信息是紅綠藍三元色的振幅與相位。而振幅和相位都是光的波動性性質。波動性質則可以完全由數學方程式來模擬計算得到——這只不過是初中階段的光學知識。事實上，對於完全相同出髮狀態的光源，任何的物光的相位問題就是一個「距離」問題。這個距離的求解僅僅又是一個三角函數的問題。

所以，大屏君說電腦3D全息製作並非複雜的科技。這個工作的難度僅在於「數據規模極其巨大」。即建立數學模型簡單，但是渲染一段效果卻需要及其巨大數量的計算工作。後者決定了只有計算機技術高度普及和廉價化的今天，3D全息影像的電腦製作才能逐漸普及。

某種意義上，決定3D全息投影技術應用廣度的瓶頸與短板，不是顯示端，而是內容端：今天4K和8K視頻，不也是遭遇了「內容危機」嗎？而電腦製作，極大擴展了3D全息顯示的內容生產空間，且隨著高性能計算設備的價格下降，3D全息影像產業鏈的成本也在高速下降。近年來，3D全息投影的火熱，本質即是計算資源成本下降的結果。

在天津奧體中心海市蜃樓般的3D全息場景背後，大屏君最想感謝的居然不是投影技術，而是計算機技術，這恐怕有點令本篇文章的讀者「大吃一驚」了。不過，這真正會讓大家吃驚的問題還在於「計算機技術如何推動3D全息的進一步發展」。

一個最簡單的原理是：各位的電視機不會一輩子只放一部電影。3D全息顯示的投影系統也是如此。——一套硬體可以工作六七年，甚至更久 。在這麼長的時間裡，就需要足夠多的3D全息內容。但是，真實的情況是，現在的3D全息應用，沒有哪個案例是基於「海量內容」的。

比如廣播電視台的虛擬演播室，他們的3D全息不過是簡單場景或者簡單任務。體育賽事的開幕式的3D全息，很多是很長時間才用一次。博物館展示內容更不會頻繁更換。婚慶市場的婚禮3D全息場景的頻度最高不過每場婚禮設計一次——其中，很多素材還會重複使用。

從這一點可以看到，真正擋在3D全息普及面前的依然是內容：無論是用數十台攝像機真實拍攝的方案，還是用電腦技術製作的方案，3D全息影像都還有點「小貴」。

內容是整個產業鏈最大的瓶頸，內容生產的成本和速度決定了全息3D投影應用的規模。不過，大屏君覺得，對這個瓶頸業內可以報以「謹慎的樂觀」。因為計算機技術的進步、AI技術的進步、專用晶元產品的開發，正在改變這一點。至少，過去三年這個行業成本下降超過50%，效率提升超過1倍。

因此，大屏君覺得，未來數年投影行業，乃至整個顯示行業都會進入一個3D全息為主題的效果革命之中。以至於更遠的未來，TV這類產品也會進入3D全息時代——技術上，將8K解析度看成16台2K投影機，足以完成一個有限角度內的良好的3D全息顯示效果。

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