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The Force Awakens Hologram

A0506035 日工四甲 陳天揚


或許有些天馬行空、有些不切實際,但事實已經證明,這部上世紀70年代末電影中的部分技術猜想已經成真。在最新一部電影即將上映之際,外媒評選出一些人們最期望 成真的《星球大戰》技術,一起來了解一下。


H o l o g ra m

全息投影 在科幻電影中我們時常可以看到這樣一個場景:主角輕輕揮一下手,眼前就會出現一塊虛擬的顯示屏,屏幕上的內容不僅可以任意切換,甚至還能夠通過它實現與遠在千里之外的人面對面交談。這 就是全息投影技術,而作為一款全新的黑科技,全息投影受到的關注度也是越來越高。 全息投影技術是利用乾涉和衍射原理記錄並再現物體真實的三維圖像的技術。簡單的來說就是一種無需配戴3D眼鏡,就可以產生立體效果的一種技術。


全息投影技術(front-projected holographic display)也稱虛擬成像技術是利 用干涉和衍射原理記錄並再現物體真實的三維 圖像的技術。全息投影技術不僅可以產生立體 的空中幻象,還可以使幻象與表演者產生互動 ,一起完成表演,產生令人震撼的演出效果。 全息投影亦稱之全像術,簡單來講是使用光 波干涉和繞射的現象,紀錄並還原立體的影像 。

1947 年,英國匈牙利裔物理學家丹尼斯·蓋 伯發明了全息投影技術,他因此項工作獲得了 1971 年的諾貝爾物理學獎。這項技術從發明 開始就一直應用於電子顯微技術中,在這個領 域中被稱為電子全息投影技術,但一直到 1960 年激光的發明後,全息投影才取得了實 質性的進展。現在,大家所熟知的微軟 Hololens 和 Magic Leap 所謂的神秘黑科技就 是運用了這項技術。今天,我們來為大家深入 剖析一下全息投影技術。

全息投影是一種顯示技術,它需要媒介,而且 得實時進行,並且可以與人交互。我們把它的 媒介稱之為“全息介質",它不能憑空產生, 這就是為什麼目前這項技術很難普及的原因。 全息投影將影像投射到全息介質上,從而在人 們眼前呈現出了3D的效果。這項技術也被人們 稱為虛擬成像技術,現在非常火熱的增強現實 (AR)就運用到了這個技術。


全息投影技術本質就是實現三維圖像的記錄和再現。 第一步:記錄,利用乾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構圖及色彩明暗 變化實現人眼的三維錯覺,而全息影像則包含了被記錄 物體的尺寸、形狀、亮度和對比度等信息。觀眾可以通 過多角度來觀看圖像在不同角度的形態變化,就像有個 真實的物體在那裡一樣。當然,現在的技術已經不再局 限於記錄真實的影像,還可以製作完全虛擬的三維數字 影像。記錄的難題早在 1947 年就被攻克了。

第二步:再現,利用衍射原理再現物體光波信息。主 要歸功於全息膜技術的誕生,使三維圖像的再現成為了 可能。依靠這薄薄的透明膜,無論是T形台上的流光溢 彩,還是舞台上虛幻影像,都可以實現。隨著全息膜的 技術進步,現在一些全息膜裡面有許多細細的線路絲。 借助這些線路絲,人們通過手指觸摸就能與全息影像進 行互動。這個技術在 2001 年才取得突破。

為什麼說“直到 1960 年激光的發明後,全息投影 才取得了實質性的進展"呢?因為真正的全息圖像是由 激光全息照相技術——使用分光鏡形成多路激光,利用 激光相干性好的特點形成衍射,所完成的一種特殊照相 術。捕捉全息投影需要激光光源,而最常使用的是紅色


有人說,全息投影技術(hologram)的原理和 用環繞音效錄製交響樂十分類似――聲音一旦被錄 下,就算請不到交響樂團來演奏,我們仍能一遍又 一遍地重現音樂。

而全息投影技術記錄的不是聲音,而是光被物體 散射所形成的干擾圖形。如此我們便可事後重製散 射光,製造出該物體實際存在的錯覺。先以分光鏡 將光束分開,接著每道新的光束會循不同路線照射 在全息投影記錄盤上。第一道光束――物體光束( object beam)會照射在物體本身,第二道則照 射在記錄盤上,作為製作干擾圖形的參考依據。

每道光束在抵達目標之前,都會通過一個鏡片。 全息投影記錄器的鏡片有別於照相機鏡片,其目的 不是要聚光,而是散光。物體光束照射在物體上時 ,光會反射與折射,部份光束會射往全息相片的方 向。物體光束抵達全息相片後,會與參考光束( reference beam)發生碰撞,並形成乾擾圖形。 光敏感化學物質所製造的微粒能忠實記錄干擾圖形 ,其原理就如同攝影技術。

曝光的全息相片基本上比較像 CD,而不像攝影 負片。儲存的資訊無法光靠肉眼閱讀,它看起來更 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,我們要將單色光照透 底片,藉此製造出單一顏色(通常為綠色)的浮動 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。 製造全息相片的過程跟傳統攝影一樣,要防止其他 光線滲入,因此我們通常必須在暗房裡方能錄製全 息相片。由於大部分全息投影激光為紅色,傳統暗 房的紅光會破壞全相片,因此必須以綠光或藍綠光 取代。

全息相片對環境因子也比一般攝影敏感得多。由 於要將大量資訊裝載在如此小的空間裡,激光只要 出現細微的偏差,就可能會破壞全像。地板振動或 身體動作所造成的空氣振動,甚至人的呼吸都可能 干擾全像製作過程。

全息相片雖然製作困難,但它所能儲存的容量卻 非常不可思議。全息投影圖片完全是立體的,從每 個角度都能觀看。影像可以縮放,而用某波長製造 的全息投影也可以用另一波長來觀看,所製造出的 全息投影與觀察光的波長等比例。因此理論上來說 ,我們只要用X光來製造全息像,然後在可見光下 觀看,就能做出極度微小,小至分子規模般細緻的 全息像。儘管理論如此,但此一概念尚未被具體實 現。


全 息 投 影 技 術 不 僅 可 以 產 生 立 體 的 空 中 幻 像 ,還 可 以 使 幻 像 與 表 演 者 產 生 互 動 ,一 起 完 成 表 演 ,產 生 令 人 震 撼 的 演 出 效 果 。適 用 範 圍 產 品 展 覽 、汽 車 服 裝 發 布 會 、舞 台 節 目 、互 動 、酒 吧 娛 樂 、場 所 互 動 投 影 等 。如:2 0 1 0 年 ,日 本 著 名 的 虛 擬 偶 像 初 音 通 過 全 息 投 影 技 術 亮 相 演 唱 會 。


單身宅男的福利 正 式 開 賣 限 量 3 0 0 部!

Gatebox 投影虛擬偶像化身你的女友 一般來說大家通常只能在螢幕或漫畫中看到 2D 動漫角色, 想 要 3 D 的 話 則 可 買 fi g u r e ,不 過 他 們 終 於 可 以 另 一 種 方 式 出 現 在 大 家 眼 前 。因 為 日 本 V i n c l u 推 出 的 G a t e b o x 將 可 以 全 息 投 影 技 術 投 射 出 一 個 動 漫 虛 擬 ,不 但 可 做 為 家 務 助 理 , 更 會 隨 時 與 大 家 互 動 ,像 是 一 個 虛 擬 女 友 一 樣 。 早在今年初 Vinclu 就已經成功融資並設計出 Gatebox 的 原 型 ,而 在 相 隔 一 年 後 如 今 終 於 正 式 開 賣 。G a t e b o x 的 尺 寸 為 2 2 0×3 6 0×5 2 0 m m ,重 量 約 5 k g ,遠 望 過 去 有 一 點 似 一 部 蒸 餾 咖 啡 壺 ,不 過 玻 璃 罩 入 面 會 以 全 息 投 影 技 術 顯 示 出 3 D 動 漫 虛 擬 角 色「 逢 妻 ヒカリ」,解 析 度 等 同 1 , 2 8 0×7 2 0 。 逢 妻 ヒカリ並 不 是 一 個 靜 態 影 像 ,而 是 一 個 真 正 會 動 會 說 話 的 角 色 ,透 過 G a t e b o x 上 的 鏡 頭 、麥 克 風 及 一 系 列 感 應 器 ,大 家 將 可 與 這 位 虛 擬 女 友 交 流 ,當 移 動 的 話 其 視 線 更 會 跟 著 大 家 走 。至 於 功 能 方 面 除 家 電 控 制 及 天 氣 提 示 等 外 ,連 接 上 手 機 A p p 後 ,即 使 外 出 仍 可 繼 續 與 她 保 持 聯 絡 ,而 且 對 答 方 面 相 當親切及人性化。


在手機上的應用

三星申請全息投影配件專利 S11上就能看見它? 眼 前 有 一 個 半 透 明 的 全 息 投 影 螢 幕 ,而 使 用 者 只 要 按 下 浮 在 半 空 中 的 按 鈕 ,或 是 用 手 直 接 拖 曳 視 窗 ,就 可 以 進 行 操 作 ,而 三 星 最 近 申 請 的 專 利 技 術 ,似 乎 跨 出 了 這 樣 未 來 景 象 的 第 一 步:它 是 一 台 可 以 讓 手 機 實 現 全 息 投 影 的 裝 置!

這 款 可 以 進 行 立 體 投 影 的 裝 置 ,採 用 反 光 部 件 (retro-reflection member) 和半反射鏡 (half m i r r o r ) 做 結 合 ,實 現 投 影 技 術 ,只 要 把 手 機 放 進 底 座 中 ,就 可 以 進 行 全 息 投 影 。之 後 你 就 可 以 看 到 半 空 中 懸 浮 的 影 片 、通 知 、音 樂 資 訊 等 等 ,也 可 以 點 擊 畫 面 上 的 按 鈕 、用 手 拖 曳 視 窗 、利 用 簡 單 的 手 勢 把 畫 面 放 大 縮小等等。

在 外 媒 L e t s G o D i g i t a l 所 做 的 渲 染 圖 中 ,看 到 跟 這 個 投 影 裝 置 搭 配 的 三 星 下 代 旗 艦 機-G a l a x y S 1 1 , 採 用 的 依 然 是 無 邊 際 螢 幕 設 計 ,同 時 搭 上 了 隱 藏 前 鏡 頭 的 真 全 面 屏 。不 過 專 利 都 是 放 著 來 慢 慢 實 現 的 ,個 人覺得這個投影裝置絕不可能明年就推出……不過還 是 很 值 得 興 奮 一 下!希 望 可 以 早 點 見 到 這 個 投 影 裝 置 的 實 體 囉!


在交通工具上的應用

應用全息投影, Volkswagen佈局警示系統 如 何 提 升 行 車 安 全 保 護 乘 客 ,已 經 成 為各大車廠持續鑽研的重要課題。 Volkswagen 集團為尋求更多可能 性 ,在 不 久 之 前 取 得 一 家 名 為 S e e R e a l Te c h n o l o g i e s 的 新 創 公 司 控 制 股 權 。其 主 要 技 術 強 項 在 於 3 D 全 息 投 影 A R 擴 增 實 境 ,V o l k s w a g e n 希 望能運用在危險預警功能上。 想 要 改 進 車 輛 安 全 ,除 提 升 各 項 先 進 駕 駛 輔 助 技 術 、強 化 車 體 耐 撞 表 現 、改 進 現 有 安 全 科 技 … 等 等 ,改 善 駕 駛 察 覺 危 機 也 是 非 常 有 效 的 手 段 。V o l k s w a g e n 看 上 了 A R 擴 增 實 境 的 潛 力 ,便 投 入 資 金 取 得 S e e R e a l Te c h n o l o gies 的股票並獲得控制權。 其主要目的不僅是獲得全息投影 A R 技 術 ,同 時 更 要 提 早 在 市 場 卡 位 , 搶佔 AR 汽車科技應用的地盤並取得 相 關 知 識 。若 未 來 A R 真 的 能 成 為 主 流 技 術 之 一 ,那 麼 身 為 早 期 投 入 的 廠 商 , 將會擁有其他競爭對手所難以匹敵的 優勢。

與 其 發 生 危 機 及 早 介 入 或 降 低 傷 害 ,不 如 在 事 故 發 生 前 提 早 阻 止 ,V o l k s w a g e n 規劃要將 3D 全息投影 AR 擴增實際技 術 用 於 強 化 抬 頭 顯 示 功 能 。預 計 2 0 2 0 年 開始交車的 ID 3 純電掀背車就做到了短 距 離 A R 投 影 ,可 將 影 像 投 放 到 視 線 較 遠 處 ,藉 此 減 少 駕 駛 視 野 離 開 路 面 的 機 會 。 不 過 這 些 應 用 多 半 侷 限 在 行 車 資 訊 、導 航 等 簡 單 功 能 。V o l k s w a g e n 希 望 可 以 做 到 把 可 能 產 生 的 危 害 也 投 影 上 去 ,讓 駕 駛 彷 彿 有 千 里 眼 一 般 ,可 以 實 際 「 看 到 」 危 險 所 在與種類。 接 下 來 要 發 展 的 第 4 代 抬 頭 顯 示 器 ,投 影 顯 示 的 不 在 只 是 單 純 數 字 、符 號 、箭 頭 等 簡 單 訊 息 。而 是 能 將 3 D 全 息 投 影 與 行 車 環 境 整 合 ,比 如 說 偵 測 到 前 方 行 人 時 ,便 會 讓 駕 駛 看 到 行 人 的 A R 影 像 。藉 此 提 早 警 覺 潛 在 危 險 ,並 做 出 相 對 應 行 為 。 VW 集團創新部門 Axel Heinrich 表 示 ,A R 擴 增 實 境 將 會 成 為 未 來 汽 車 工 業 的 重 要 技 術 ,這 也 是 為 何 V W 集 團 會 將 注 意 力 放 在 全 息 投 影 上 ,其 目 的 在 於 讓 A R 能擁有更加醒目且特別的顯示方式。


全息投影貴嗎...? 猶他州立大學的研究人員開發了一種低開 銷 的 方 法 來 創 建 全 彩 2 D 和 3 D 全 息 圖 。能 製 造 比 過 去 還 要 更 亮 的 全 息 圖 ,並 且 幾 乎 可 以 任 何 角 度 觀 看 ,使 它 們 比 以 往 看 起 來 還 要 真實。 電機和計算機工程助理教授 Rajesh M e n o n 帶 領 這 個 團 隊 ,他 們 在 研 讀 了 關 於 全 息 投 影 生 產 的 最 新 論 文 後 意 識 到 ,他 們 的 團 隊 有 能 力 大 幅 降 低 製 作 成 本 。最 後 他 們 只 花 了 大 約 兩 個月時 間 達 成 這 項 個 任 務 。 「 傳 統 的 全 息 投 影 存 在 兩 個 大 問 題:首 先 , 它 們 在 全 色 範 圍 內 的 效 率 相 當 低 ,這 導 致 投 影 出 的 影 像 非 常 暗 淡;其 次 ,傳 統 全 息 投 射 的 圖 像 會 隨 著 視 角 而 變 化 。」M e n o n 這 麼 說 「。我 們提出新的方法來設計構成全息投影的奈米 結 構 ,並 採 用 更 精 確 的 方 法 製 造 奈 米 結 構 來 解 決 這 些 問 題 。」他 補 充 。 簡 單 來 說 ,他 們 使 用 新 的 演 算 法 重 新 定 位 以 便 回 收 白 光 ,因 此 白 光 不 會 被 附 近 的 材 料 吸 收 。由 於 沒 有 光 線 被 吸 收 ,便 可 重 複 使 用 在 圖 像 中 ,帶 來 更 亮 的 顏 色 及 更 逼 真 的 全 息 投 影 。 團 隊 中 的 每 個 人 都 對 全 息 投 影 深 深 著 迷 ,星 際 大 戰 是 他 們 最 大 的 靈 感 之 一 ,他 們 認 為 新 技 術 甚 至 可 以 使 C h e w b a c c a( 星 際 大 戰 中 登 場 的 虛 構 人 物 )和 R 2 - D 2 玩 H o l o c h e s s 成為現實。

這 些 全 息 投 影 可 運 用 在 遊 戲 和 其 他 娛 樂 上 ,如 象 棋 遊 戲 、全 息 照 片 、廣 告 影 片 ,以 及 移 動 的 3 D 影 片 等 。但 是 ,除 了 好 萊 塢 以 外 ,它 甚 至 可 以 造 成 更 大 的 影 響 力 。 M e n o n 和 他 的 團 隊 相 信 ,新 的 全 息 圖 可 以 用 來 改 善 貨 幣 和 身 分 辨 識 的 困 擾 。他 們 可 以 創 建 外 國 貨 幣 的 全 彩 圖 ,使 其 更 具 辨 識 性 。若 新 的 全 息 圖 能 被 整 合 到 個 人 身 分 證 件 上 ,如 護 照 和 駕 駛 執 照 ,警 察 官 員 只 需 要 拿 出 手 電 筒 照 在 證 件 上 ,便 可 確 認 證 件 是 否 合 法 。 因 為 新 的 全 息 圖 使 用 技 術 比 以 往 簡 易 ,製 作 過 程 更 簡 單 且 成 本 更 低 廉 「。由 於 技 術 專 家 依 然 無 法 掌 控 許 多 參 數 ,很 難 精 準 預 測 成 本 ,但 是 我 相 信 成 本 會 相 當 低 , 特 別 是 在 大 量 製 作 的 情 況 下 。」M e n o n 說 。他 們 用 於 製 造 全 息 圖 的 過 程 類 似 製 作 鈔 票 、信 用 卡 和 身 分 證 中 的 安 全 性 全 息 圖 過 程 ,因 此 他 們 認 為 成 本 可 以 相 當 低 。 雖然該團隊的全息圖只是在兩個維度上創造出來的 ,但 M e n o n 認 為 還 有 很 大 的 發 展 潛 力 。將 它 們 繼 續 擴 展 為 3 D ,然 後 再 擴 展 為 4 D ,這 會 非 常 容 易 。 「 這 些 在 未 來 甚 至 可 以 結 合 虛 擬 實 境( v i r t u a l - r e a l i t y )或 擴 增 實 境( a u g m e n t e d - r e a l i t y )的 體 驗 , 我 堅 信 這 些 技 術 可 以 大 大 推 動 未 來 的 教 育 、娛 樂 等 諸 多 領 域 。」M e n o n 說 。 Menon 還創建了一家名為 PointSpectrum 的 公 司 ,研 究 全 息 投 影 的 新 技 術 和 更 多 商 業 用 途 。如 果 這 個 發 明 真 的 持 續 發 展 ,全 息 投 影 便 會 成 為 你 生 活 中 各 個層面的一大部分。

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