三星研发超薄交互全息显示屏，全息投影时代即将来临

今年 7 月 9 日举行的 2020 世界人工智能大会上，马云、马斯克再度「同台」。

当天受疫情影响，WAIC 有史以来第一次采用了云端形式，作为大会开幕式压轴演讲嘉宾的马云身在云南，一项技术使得他与我们连接了起来——全息投影。

其实，这项技术迄今已有 70 余年的历史。

早在 1947 年，英国匈牙利裔物理学家 Gábor Dénes 发明了全息投影术。基于这项成就，他获得了 1967 年的英国物理学会杨氏奖和 1971 年诺贝尔物理学奖。

而最近，被称为是「显示屏霸主」的三星在这一领域又有了新突破——提出了一款超薄交互式全息显示屏，可以从多个角度提供高分辨率的、真实度极高的 3D 视频，未来可以集成到移动设备中，支持办公或家用。

何为全息？

实现这一突破的科研团队来自于三星先进技术研究所（SAIT）、三星先进技术研究所俄罗斯（SAIT-Russia）光学研究小组和首尔大学。

2020 年 11 月 10 日，其论文发表于《自然》子刊《自然通讯》，题为 Slim-panel holographic video display（超薄全息视频显示面板）。

在了解这篇论文之前，何为全息是首先要了解的一个问题。

全息投影本质上是一种 3D 技术，其英文名称是 Holographic Projection，其中 holo 来自于希腊语，意为“完全的信息”。

要传递“完全的信息”，需要两步：

拍摄：利用干涉原理（即：两列或以上的波在空间中重叠时发生叠加，形成新的波形），将被摄物体在激光辐照下形成的物光束和射到全息底片上的激光参考光束进行叠加，产生干涉并记录下来。经过一定处理后得到全息照片。

成像：利用衍射原理（即：波遇到障碍物时会偏离原来的直线传播），利用相干激光照射全息图，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波可给出两个象，图像的立体感增强，也有了真实的视觉效果。

简而言之，全息投影技术的原理可以理解为：利用 2 个物理现象，巧妙地将一个物体拍摄成了一张照片，再把这张照片打造出立体感。

正因如此，全息投影又被称为虚拟成像。

值得一提的是，当真实物体与全息图像处于同一空间时，它们都可被感知，而且并无不同。

比如在下面这张照片中，一只真实的人手拿着全息显示屏，显示屏上是一个精灵的形象。全息图像和人手离拍下这张照片的相机的距离都是 0.3 米。

全息显示器提供了自然的深度感知，观众更为关注的是精灵本身，而不是屏幕。

相比之下，如果是利用双目视差和辐辏（即：注视近物时双眼汇聚）的传统立体 3D 图像，观众可能无法同时清楚地看到精灵形象和人手，并且还会出现由调和-收敛冲突引起的视觉疲劳。

因此，全息显示可以说是未来视频系统的重要组成部分。

其实，自 1947 年被发现以来，全息技术已然成为科幻片中的经典元素，人们对它的认知也一直是：可以再现最真实的 3D 图像，且无视觉上的不适。

视角扩大 30 倍，4K 高分辨率全息图实时生成

1990 年，麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）开发出了第一套全息视频系统。自此，将全息视频推向商业化，成为该领域的一大主要研究方向。

2018 年 5 月，美国相机巨头公司 RED 推出了世界上第一款商用全息投影智能手机 Hydrogen One。

当时，虽然这款手机引起了外界很大的关注，但当产品推出时，业界人士和媒体都表示，这款手机在全息投影上都没能给出一个令人满意的用户体验。实际上直至今天，要实现「商业全息视频显示器」依然存在瓶颈。

三星 & 首尔大学团队在论文中表示：商业全息视频显示器还未被批量引入，原因主要在于观看角度较为狭窄、光学设备较为笨重、计算能力要求较高。

具体来讲，要想打造一款适合商业化的移动全息视频显示器，需要克服三个障碍：

1、空间带宽乘积（space-bandwidth product，SBP）的限制，这决定了全息图像的大小和观看角度。

2、为产生大的相干背景光，需要复杂的光学元件和相当大的空间来处理光。所以，要实现平板电脑一样轻薄的全息视频显示屏，并非易事。

3、实时全息图通常需要大量计算，且计算量会随着空间带宽乘积的增大而增大。

基于上述问题，三星 & 首尔大学团队提出的超薄交互式全息显示屏有 2 处特别设计：

一是由相干 BLU（C-BLU）和光束偏转器（BD）组成的背景光转向单元（steering-backlight unit），它一方面使得有效空间带宽乘积（即视角）扩大了 30 倍，由此实现了有史以来最大视角的动态全息图；另一方面，其绕射波导结构（diffractive waveguide architecture）保证了显示屏最终的超薄设计，总厚度不超过 10 厘米。

下图中 2 个蓝色箭头为扩大的可视范围。

二是包含数据传播单元（DPU）、滤波器和缩放单元（FSU）以及 32 个快速反傅里叶变换处理器的全息视频处理器（holographic video processor），单片可实时计算生成 4K 高分辨率全息图。

最终，全息视频显示屏的原型如下图所示，下图中的标识从上至下依次是：空间光调制器、几何相位镜头、连贯的背光单元、光束偏转器、全息视频处理器。

不仅如此，三星 & 首尔大学团队用到的系统总线（System Bus）是被广泛用于智能手机应用处理器中的 AMBA AXI4，因此将全息视频处理器嵌入智能手机应用程序处理器，在未来也能实现了。

最后，让我们一起感受一下这块全息显示屏投射的一个支持多角度观看的 4K 海龟游泳动图，海龟往哪个方向游，观众直接按键即可控制。

看上去似乎平平无奇，但实际上由于画面中所有物体的深度不同，全息物体的清晰度会随相机焦点的变化而变化。

下图为视频截图，图 a 的右上角插图中，珊瑚比乌龟更清晰；而图 b 的插图中，乌龟比珊瑚更清晰。

这和平时我们的相机是否对焦是同样的道理，自然这也反映出了全息图的独特之处——可提供调试，最终图像与真实物体并无差别。

至此，全息投影这一有着 70 余年历史的神奇技术有了重要突破，我们离手机上的全息投影不远了。
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