1947 年，英國(guó)匈牙利裔物理學(xué)家丹尼斯·蓋伯發(fā)明了全息投影技術(shù)，他因此項(xiàng)工作獲得了 1971 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這項(xiàng)技術(shù)從發(fā)明開(kāi)始就一直應(yīng)用于電子顯微技術(shù)中，在這個(gè)領(lǐng)域中被稱為電子全息投影技術(shù)，但一直到 1960 年激光的發(fā)明后，全息投影才取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。現(xiàn)在，大家所熟知的微軟 Hololens 和 Magic Leap 所謂的神秘黑科技就是運(yùn)用了這項(xiàng)技術(shù)。今天，我們來(lái)為大家深入剖析一下全息投影技術(shù)。

全息投影是一種顯示技術(shù)，它需要媒介，而且得實(shí)時(shí)進(jìn)行，并且可以與人交互。我們把它的媒介稱之為“全息介質(zhì)”，它不能憑空產(chǎn)生，這就是為什么目前這項(xiàng)技術(shù)很難普及的原因。全息投影將影像投射到全息介質(zhì)上，從而在人們眼前呈現(xiàn)出了3D的效果。這項(xiàng)技術(shù)也被人們稱為虛擬成像技術(shù)，現(xiàn)在非常火熱的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）就運(yùn)用到了這個(gè)技術(shù)。

全息投影技術(shù)本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)三維圖像的記錄和再現(xiàn)。

第一步：記錄，利用干涉原理記錄物體光波信息。一般的三維圖只是在二維的平面上通過(guò)構(gòu)圖及色彩明暗變化實(shí)現(xiàn)人眼的三維錯(cuò)覺(jué)，而全息影像則包含了被記錄物體的尺寸、形狀、亮度和對(duì)比度等信息。觀眾可以通過(guò)多角度來(lái)觀看圖像在不同角度的形態(tài)變化，就像有個(gè)真實(shí)的物體在那里一樣。當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)不再局限于記錄真實(shí)的影像，還可以制作完全虛擬的三維數(shù)字影像。記錄的難題早在 1947 年就被攻克了。

第二步：再現(xiàn)，利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息。主要?dú)w功于全息膜技術(shù)的誕生，使三維圖像的再現(xiàn)成為了可能。依靠這薄薄的透明膜，無(wú)論是T形臺(tái)上的流光溢彩，還是舞臺(tái)上虛幻影像，都可以實(shí)現(xiàn)。隨著全息膜的技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在一些全息膜里面有許多細(xì)細(xì)的線路絲。借助這些線路絲，人們通過(guò)手指觸摸就能與全息影像進(jìn)行互動(dòng)。這個(gè)技術(shù)在 2001 年才取得突破。

為什么說(shuō)“直到 1960 年激光的發(fā)明后，全息投影才取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展”呢？因?yàn)檎嬲�的全息圖像是由激光全息照相技術(shù)——使用分光鏡形成多路激光，利用激光相干性好的特點(diǎn)形成衍射，所完成的一種特殊照相術(shù)。捕捉全息投影需要激光光源，而最常使用的是紅色的氦氖激光。

激光全息照相技術(shù)具體的原理

有人說(shuō)，全息投影技術(shù)（hologram）的原理和用環(huán)繞音效錄制交響樂(lè)十分類似──聲音一旦被錄下，就算請(qǐng)不到交響樂(lè)團(tuán)來(lái)演奏，我們?nèi)阅芤槐橛忠槐榈刂噩F(xiàn)音樂(lè)。

而全息投影技術(shù)記錄的不是聲音，而是光被物體散射所形成的干擾圖形。如此我們便可事后重制散射光，制造出該物體實(shí)際存在的錯(cuò)覺(jué)。先以分光鏡將光束分開(kāi)，接著每道新的光束會(huì)循不同路線照射在全息投影記錄盤(pán)上。第一道光束──物體光束（object beam）會(huì)照射在物體本身，第二道則照射在記錄盤(pán)上，作為制作干擾圖形的參考依據(jù)。

每道光束在抵達(dá)目標(biāo)之前，都會(huì)通過(guò)一個(gè)鏡片。全息投影記錄器的鏡片有別于照相機(jī)鏡片，其目的不是要聚光，而是散光。物體光束照射在物體上時(shí)，光會(huì)反射與折射，部份光束會(huì)射往全息相片的方向。物體光束抵達(dá)全息相片后，會(huì)與參考光束（reference beam）發(fā)生碰撞，并形成干擾圖形。光敏感化學(xué)物質(zhì)所制造的微粒能忠實(shí)記錄干擾圖形，其原理就如同攝影技術(shù)。

曝光的全息相片基本上比較像 CD，而不像攝影負(fù)片。儲(chǔ)存的資訊無(wú)法光靠肉眼閱讀，它看起來(lái)更像是一連串凹凸不平的波形線條。若想觀看全息影像圖，我們必須將光源照射在底片上。

全息相片主要分為兩種，每種觀看的方式都不一樣。觀看穿透式全息相片時(shí)，我們要將單色光照透底片，借此制造出單一顏色（通常為綠色）的浮動(dòng) 3D 圖像。倘若是在鈔票上所看到的反射式全相片，其回彈的光線則可能是多彩的。

制造全息相片的過(guò)程跟傳統(tǒng)攝影一樣，要防止其他光線滲入，因此我們通常必須在暗房里方能錄制全息相片。由于大部分全息投影激光為紅色，傳統(tǒng)暗房的紅光會(huì)破壞全相片，因此必須以綠光或藍(lán)綠光取代。

全息相片對(duì)環(huán)境因子也比一般攝影敏感得多。由于要將大量資訊裝載在如此小的空間里，激光只要出現(xiàn)細(xì)微的偏差，就可能會(huì)破壞全像。地板振動(dòng)或身體動(dòng)作所造成的空氣振動(dòng)，甚至人的呼吸都可能干擾全像制作過(guò)程。

全息相片雖然制作困難，但它所能儲(chǔ)存的容量卻非常不可思議。全息投影圖片完全是立體的，從每個(gè)角度都能觀看。影像可以縮放，而用某波長(zhǎng)制造的全息投影也可以用另一波長(zhǎng)來(lái)觀看，所制造出的全息投影與觀察光的波長(zhǎng)等比例。因此理論上來(lái)說(shuō)，我們只要用X光來(lái)制造全息像，然后在可見(jiàn)光下觀看，就能做出極度微小，小至分子規(guī)模般細(xì)致的全息像。盡管理論如此，但此一概念尚未被具體實(shí)現(xiàn)。

會(huì)移動(dòng)的全息投影

全息投影技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)是制造會(huì)移動(dòng)的全息投影；就跟攝影底片一樣，傳統(tǒng)全息相片一旦經(jīng)過(guò)曝光，影像就會(huì)固定下來(lái)。蘇格蘭公司 Holoxica 研發(fā)了可以儲(chǔ)存預(yù)錄全息影片的全息屏幕。這種屏幕的光源在后方，可以向上投射全息像。屏幕允許動(dòng)態(tài)變換預(yù)錄影像，借此改變可見(jiàn)的投射畫(huà)面。接著只需透過(guò)簡(jiǎn)易干擾圖形的組合，就能制造出較復(fù)雜的影像，這有點(diǎn)類似像素在液晶熒幕上形成影像的原理。

真正的移動(dòng)全息投影也許尚未問(wèn)世，但Musion、AV Concepts和Hologramica 等公司已利用先進(jìn)的數(shù)位媒體技術(shù)，創(chuàng)造出擬真的一比一大小 3D 投射影像。這幾家公司創(chuàng)造了虛擬樂(lè)團(tuán)“街頭霸王”（Gorillaz）、讓鋼琴家與其全息投影分身四手聯(lián)彈，甚至讓音樂(lè)家死而復(fù)生。

麗茲．貝瑞（Liz Berry）是 3D 全息投影公司 Hologramica 的主任，我們跟她討論到佩珀?duì)柣孟螅≒epper’s Ghost）這個(gè)古老的神奇舞臺(tái)表演：“佩珀?duì)柣孟笤�本用于維多利亞劇院，目的是要制造出超自然的效果。他們會(huì)在觀眾眼前放置一個(gè)被光打亮的表演者，并在表演者和觀眾之間架一塊玻璃。觀眾不知道自己正透過(guò)玻璃看著舞臺(tái)，因?yàn)椴Ａ�是透明的。而表演者的反射看起�?lái)就像是個(gè)靈異幻影。如今我們利用的則是高解析度影片，并以特殊研發(fā)的金屬薄片取代玻璃。影像會(huì)投射在地板上的隱藏?zé)赡唬�因此你只看得到金屬片上的反射，影像就這么變出來(lái)了！”

“這種全息幻影基本上就是透過(guò) 2D 的高解析影片來(lái)投射成像。雖然追根究底來(lái)說(shuō)，我們所制造的并非全息投影，但大眾還是會(huì)認(rèn)為它是 3D 全息投影。有時(shí)我會(huì)想，我們應(yīng)該要舉辦個(gè)命名大賽，找出比較好的名字，但我猜現(xiàn)在我們只能繼續(xù)用全息投影來(lái)稱呼它了！”

全息投影技術(shù)的應(yīng)用

英國(guó) Beagle Media 公司將這項(xiàng)技術(shù)作了小型應(yīng)用，該公司研發(fā)了最先進(jìn)的全息投影放映機(jī)之一：Holo。他們利用 Mac Mini 電腦和 140 公分的三星屏幕，將 2D 影像投射成看似 3D 的影像。除此之外，動(dòng)作感應(yīng)器也讓使用者能以手勢(shì)來(lái)即時(shí)操作物體。

錯(cuò)覺(jué)技術(shù)也可用來(lái)研發(fā)可觸碰式全息投影。幻想玩具是經(jīng)典的錯(cuò)覺(jué)技術(shù)：只要將物體置于一片朝上的凹面鏡片底部，然后再蓋上另一面頂部有開(kāi)口的凹面鏡。內(nèi)室里反射的光線會(huì)將影像聚焦在開(kāi)口，讓物體看起來(lái)像是憑空立在上頭。

東京大學(xué)的研究人員正利用此項(xiàng)技術(shù)，試圖研發(fā)出可與使用者互動(dòng)的全息投影。他們利用任天堂 Wii 遙控器上的紅外線感測(cè)器來(lái)追蹤手部動(dòng)作，而空中的超音波訊號(hào)則負(fù)責(zé)制造微小的壓力波，借此模擬碰觸的感覺(jué)。微軟公司也正針對(duì) Kinect 感應(yīng)器研發(fā)類似的技術(shù)。

這類技術(shù)的潛力無(wú)窮。全息影像不但可用于娛樂(lè)、藝術(shù)和教育，應(yīng)用于媒體科學(xué)、科技設(shè)計(jì)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的潛力也無(wú)可限量。以色列的醫(yī)生已能在手術(shù)過(guò)程中利用互動(dòng)式全息投影，即時(shí)重制器官的模型，借此協(xié)助手術(shù)；加拿大安大略省皇后大學(xué)的人體媒體實(shí)驗(yàn)室（Human Media Lab）也在設(shè)計(jì) Skype 通訊的 3D 版本，目前正在研發(fā)初期。

真正的移動(dòng)式全息投影目前看起來(lái)可能有點(diǎn)像 1980 年代的液晶屏幕，但看看如今的液晶屏幕已發(fā)展到什么地步了。對(duì)Hologramica 公司來(lái)說(shuō)，這就仿佛挑戰(zhàn)不可能的任務(wù)：“我們可以讓車(chē)子漂浮、把芭蕾舞者變成水晶天鵝、在舞臺(tái)上做出一些其他方式所無(wú)法做到的效果。正所謂眼見(jiàn)為憑，人們只要看著這些影像，就會(huì)完全投入其中，視其如同真實(shí)。”

死而復(fù)生

2012 年，在柯契拉（Coachella）音樂(lè)節(jié)的舞臺(tái)上加入了饒舌歌手史奴比狗狗（Snoop Dogg）跟德瑞博士（Dr. Dre）的表演，讓現(xiàn)場(chǎng)觀眾又驚又喜。

如今只需要透過(guò)真實(shí)影片、電腦合成影像、替身和動(dòng)作捕捉技術(shù)等科技，就能讓死去的表演者復(fù)活，再次回到舞臺(tái)上。這種幻象利用 Musion Eyeliner 全息投影技術(shù)制造；《How It Works 知識(shí)大圖解》訪問(wèn)了 Hologramica 公司的主任麗茲．貝瑞，談?wù)勥@些神奇幻象的制造與投影方法。

“要投射某個(gè)人像，你必須為該對(duì)象拍下連續(xù)且完整的全身照，作成高解析度的影片。這個(gè)任務(wù)可透過(guò)拍攝影片來(lái)達(dá)成，或你運(yùn)氣很好，找到某個(gè)你的拍攝對(duì)象現(xiàn)有的影片。或者，你也可以運(yùn)用電腦合成影像。然而，更多時(shí)候你得混合多種技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)初創(chuàng)造出法蘭克．辛納屈（Frank Sinatra）的身影，就是混合了新舊影片，以電腦合成為擬真的全息投影。

“表演中的每個(gè)元素都必須看起來(lái)很逼真。燈光必須正確，這是最重要的元素。不過(guò)我認(rèn)為舞臺(tái)本身一開(kāi)始就得謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，如此方能最有效、最優(yōu)雅地布置好眾多龐大的器材，這些器材所擺設(shè)的位置必須非常精準(zhǔn)。有些需要考慮的事項(xiàng)完全屬于技術(shù)性，有些則需要?jiǎng)?chuàng)意，也需要好的影像，最后透過(guò)電腦技術(shù)將真實(shí)影像與虛擬影像毫無(wú)瑕疵地融合在一起。