新型高性能計算機：讓三維全息技術離實際應用更近！

近日，日本計算機科學家們成功地開發出一種特殊用途的計算機，它能夠將高質量的三維全息圖像以視頻的形式展現出來。

背景

科幻電影《星球大戰》中出現了許多令人不可思議的高科技，「全息技術」便是其中一個典型的例子。

（圖片來源：電影《星球大戰》）

什麼是全息技術？簡單說，全息技術就是利用光線干涉與衍射原理，記錄並再現物體真實的三維圖像的技術。首先，它利用干涉原理記錄物體光波信息，使之成為一張全息照片；然後，再利用衍射原理再現物體光波信息，使圖像顯示出來。

全息技術有著悠久的歷史。從1960年科學家們發明首個激光器開始，許多研究都涉及到了激光全息圖像。為了對這些模擬技術進行數字化處理，並開發電子全息技術以展示三維全息圖像視頻，「計算能力」需要達到每秒處理10幀以上的數據，而每幀包含1萬億個像素點。因此，硬體以及相應的軟體開發，成為了這一領域中的最大挑戰。

此外，用二維數據構建三維物體，要適當地考慮一些因素，例如：雙眼視差、運動視差、輻輳角、焦距調整，並根據人的體驗來展開評估。目前，普通的三維電視採用雙眼視差來實現立體觀測，但是兒童卻不能使用這項技術，因為它有可能損傷兒童健康。這種風險來自於一種「差異」，即大腦意識到的距離不同於眼睛聚焦的距離。

這也就是著名的「視覺輻輳調節衝突」（vergence-accommodation conflict），隨著時間的推移，觀看者融合圖像的難度將增加，從而造成眼部的疲勞和不適。接下來，讓我們通過一幅圖來詳細解釋一下：

（圖片來源：參考資料【2】）

在上圖中，觀看真實物體與三維顯示器上的虛擬物體時的情況分別位於左邊和右邊。 (A)、(B) 分別表示，在兩種不同情況下的視線聚合距離與焦點距離。(C)、(D) 分別表示，視網膜中的觀測點及其兩側圖像的清晰度對比。由上圖可見，(D) 表示：觀測三維顯示器上虛擬物體時，觀測點及其兩側的圖像同樣清晰；(C)表示：觀測真實世界物體時，兩側圖像與觀測點相比顯得模糊不清。

由此可見，三維顯示器的屏幕發出的光線，並沒有體現出這種深度信息。換句話說，它並沒有因為各個虛擬對象的深度不同而發出差異化的光線，卻是與平面圖像一樣，基本上是相互一致的。可是，眼睛的焦點調節不能匹配這種深度，從而產生了「視覺輻輳調節衝突」。這與人類的正常生理規律相違背，會帶來視覺疲勞和不適感。

因此，世界各國的許多研究人員，都在投入時間與精力去研究「視頻全息技術」，因為視頻全息技術有望讓更多人安全地享受三維電視。

接下來，為了讓大家對「全息技術」有一個更為生動具體的認識，先帶大家回顧以往介紹過的經典案例：

1）澳大利亞國立大學的物理學家們發明了一種由超材料組成的微型納米設備，並用它構建高質量的全息圖像。

（圖片來源：澳大利亞國立大學）

2）中國與澳大利亞的聯合研究小組成功研製出世界上最薄的全息設備。未來，這項技術有望將三維全息顯示集成到智能手機中，讓人們通過裸眼觀看全息圖像。

（圖片來源：皇家墨爾本理工大學）

3）美國亞利桑那大學研究團隊開發出一種基於全息技術的創新方案，使得平視顯示器具有更大的眼動範圍（eye box），更便於觀看。

（圖片來源： Pierre-Alexandre Blanche / 亞利桑那大學）

4）韓國研究團隊設計出一種三維全息顯示系統，當觀看者在桌面周圍走動時，能同時觀看完整三維影像，實現360度全方位的觀看體驗。

（圖片來源：Yongjun Lim，韓國電子通信研究院 5G千兆通信研究實驗室）

創新

今天，讓我們來看看日本科學家在視頻全息技術方面取得的新成果。

近日，日本計算機科學家們成功地開發出一種特殊用途的計算機，它能夠將高質量的三維全息圖像以視頻的形式展現出來。研究團隊的領頭人是日本千葉大學（Chiba University）的教授 Tomoyoshi Ito，他一直致力於開發新硬體，以提升全息投影的速度。

視頻中的三維全息圖像（圖片來源：Tomoyoshi Ito）

技術

Ito 是一名天文學家與計算機科學家，自1992年起，就開始研究用於全息技術的特製計算機，也稱為「HORN」。HORN-8 採用了一種稱為「振幅型」的計算方法，用於調整光線強度。在一篇於2018年4月17日發表在《自然電子學（ Nature Electronics ）》期刊上的論文中，HORN-8 被認為是全世界用於全息技術、最快速的計算機。

研究人員通過新開發的「相位型」 HORN-8，實現了調整光線相位的計算機方法，成功地將全息信息通過具有高質量圖像的三維視頻展現出來。2018年9月28日，這項研究發表在《光學快報（Optics Express）》期刊上。

在最新「相位型」 HORN-8 中，FPGA（現場可編程門陣列）板上安裝了8個晶元。這種計算方法可以避免處理速度方面的瓶頸問題。在這種計算方法中，晶元之間的相互通信被阻止了。在這個方案中，HORN-8 計算速度的提高與晶元的個數成正比，所以它能更清晰地展現視頻全息技術。

（圖片來源：Tomoyoshi Ito）

價值

Ito 表示：「我們通過利用信息工程、電氣技術、電子工程方面的知識，以及計算機科學與光學方法的學習，開發出用於三維全息技術的高速計算機。25年來，一直在我們實驗室學習的學生們，付出了值得稱讚的努力，展開跨學科的研究，最終實現這項成果。」

Takashi Nishitsuji，以前是 Ito 實驗室的學生，現在是東京都立大學的助理教授，領導了這個實驗。他表示：「HORN-8 是許多人的智慧、技能和努力的成果。我們想要繼續研究 HORN，為了它的實際應用，從不同的角度嘗試其他方法。」

關鍵字

計算機、全息技術、晶元

參考資料

【1】//igpr.chiba-u.jp/global/info/PR_ITOT_2018.html

【2】http://jov.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2122611

【3】Takashige Sugie, Takanori Akamatsu, Takashi Nishitsuji, Ryuji Hirayama, Nobuyuki Masuda, Hirotaka Nakayama, Yasuyuki Ichihashi, Atsushi Shiraki, Minoru Oikawa, Naoki Takada, Yutaka Endo, Takashi Kakue, Tomoyoshi Shimobaba and Tomoyoshi Ito, 「High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging」, Nature Electronics, vol. 258 issue 1, pp.254-259, April 2018, pp. 254–259, doi: doi.org/10.1038/s41928-018-0057-5

【4】Takashi Nishitsuji, Yota Yamamoto, Takashige Sugie, Takanori Akamatsu, Ryuji Hirayama, Hirotaka Nakayama, Takashi Kakue, Tomoyoshi Shimobaba, and Tomoyoshi Ito, 「Special-purpose computer HORN-8 for phase-type electro-holography」, Optics Express Vol. 26, Issue 20, pp. 26722-26733, September 2018, doi: doi.org/10.1364/OE.26.026722

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