天津奥体的海市蜃楼：3D全息投影的盛宴

    8月27日晚，虽然雨水连天，但是丝毫不影响天津全运会精彩的开幕式。尤其是美轮美奂的3D全息投影更是让人叹为观止——这也算是与08年北京奥运会LED卷轴地面效果比较的一个“超级进步”。

    为什么要选择全息投影而不是LED背景呢？大屏君觉得，很多人的想法是3D与2D的差别。但是，大屏君要特别指出，LED大屏也可以显示3D全息影像——3D全息并非投影机的独特显示领域。但是，对比LED大屏的3D效果而言，投影机在较高的同等分辨率水平下，往往具有成本优势和设备部署的灵活性（投影机3D全息系统，唯一部署难点只是那张全息膜）。

    当然，如果和实物布景比较，任何现代显示技术都能带来成本的下降、灵活性的上升、创意空间的极大化。即，实物布景所不能实现的效果，以及快速的场景切换能力、主要设备的二次重复利用，都是现代数字布景技术高速发展的原因。

    不仅仅是运动场这样的领域，例如天津全运会、美国NBA比赛的开场等，包括商店的橱窗展示、博物馆的特效展览，以及现在电视台非常常见的“虚拟演播厅”，都已经成为3D全息投影的重要应用场所。甚至，大屏君认为，未来的电影院、甚至家用电视也可实现3D全息化——比如，高调的8K显示，如果仅仅是2D，那么真的“很LOW”。

    谈到这里，可能很多人都会有这样一个问题：为什么我现在看到的电视机、电影院都不是3D全息呢？——如果要看3D就必须带着不舒服的“眼镜”。问题的答案就在全息成像的秘密里。

    人们在自然界看到的画面，眼睛接触的光波属性有哪些呢？当然是包含了全部的光学信息——例如偏振、频率、振幅、相位。不过，我们的眼睛对偏振并不敏感，对频率则有光化学反应进行了筛选。振幅和相位则用于形成光亮度和立体感。

    但是，目前常见的显示系统，实际上只是恢复了自然影像的频率（即红绿蓝颜色），以及振幅（即明暗）的信息。这样的画面就是最常见的平面影像。包括印刷产品、绘画产品、一般的电视机、手机都是如此成像。也就是说，丢失了“物光”的相位信息，这是传统影像产品难以实现3D效果的原因所在。

    对此，大屏君要特别说明，利用眼镜的3D显示设备，无论是快门眼镜、还是偏光眼镜，本质都是在左右眼造成不同相位的“虚物光”，进而实现3D效果的。对此，四五十年前就已经有很多科学家研究，如何将一个平面上的光波的所有属性都记录下来，并在另一个设备上全面呈现出来——这就是最早的全息影像概念。

    在实际的工程实现中，其实不需要完整记录光波的所有波动或者量子态信息，而只需要振幅和相位，就可以达到3D的效果。如果再记录了频率，就可形成彩色3D效果。实现这一需求的技术就是“干涉”。典型干涉光效果的产生，是由于同频不同相位的光波照射到同一平面产生的叠加效应。这就决定了利用干涉现象，可以在一定信息密度上记录，一个平面上光波的相位信息，同时不丢失振幅和频率信息。这种技术就是全息摄影。

    同时，光学还有另一个基本现象，即衍射。衍射反应的是传播光路上障碍物，对越过光线的相位的改变。这一点正好可以用来呈现全息影像的相位信息。在3D全息显示中，这个障碍物就是全息膜——全息膜可以是一个光学薄膜，也可以是气体、水幕等。全息膜的精细程度，决定了3D显示的清晰程度。

    通过以上大屏君的分析，读者可以看到3D全息影像的实现可以分成两个阶段：第一个是影像的记录，第二个则是显示阶段。但是，实际应用中，影像的记录过程会非常复杂——因为干涉要求同频。这使得全息影像摄像成为一个高成本的过程。同时，还有另一个更大的问题：摄像之前必须先有实物，至少是一个模型。这也极大提高了3D全息影像的制作成本。

    不过，现在有一个代替纯摄影的3D全息影像制作技术，即电脑辅助制作，或者纯数字制作。彩色全息影像记录的信息是红绿蓝三元色的振幅与相位。而振幅和相位都是光的波动性性质。波动性质则可以完全由数学方程式来模拟计算得到——这只不过是初中阶段的光学知识。事实上，对于完全相同出发状态的光源，任何的物光的相位问题就是一个“距离”问题。这个距离的求解仅仅又是一个三角函数的问题。

    所以，大屏君说电脑3D全息制作并非复杂的科技。这个工作的难度仅在于“数据规模极其巨大”。即建立数学模型简单，但是渲染一段效果却需要及其巨大数量的计算工作。后者决定了只有计算机技术高度普及和廉价化的今天，3D全息影像的电脑制作才能逐渐普及。

    某种意义上，决定3D全息投影技术应用广度的瓶颈与短板，不是显示端，而是内容端：今天4K和8K视频，不也是遭遇了“内容危机”吗？而电脑制作，极大扩展了3D全息显示的内容生产空间，且随着高性能计算设备的价格下降，3D全息影像产业链的成本也在高速下降。近年来，3D全息投影的火热，本质即是计算资源成本下降的结果。

    在天津奥体中心海市蜃楼般的3D全息场景背后，大屏君最想感谢的居然不是投影技术，而是计算机技术，这恐怕有点令本篇文章的读者“大吃一惊”了。不过，这真正会让大家吃惊的问题还在于“计算机技术如何推动3D全息的进一步发展”。

    一个最简单的原理是：各位的电视机不会一辈子只放一部电影。3D全息显示的投影系统也是如此。——一套硬件可以工作六七年，甚至更久 。在这么长的时间里，就需要足够多的3D全息内容。但是，真实的情况是，现在的3D全息应用，没有哪个案例是基于“海量内容”的。

    比如广播电视台的虚拟演播室，他们的3D全息不过是简单场景或者简单任务。体育赛事的开幕式的3D全息，很多是很长时间才用一次。博物馆展示内容更不会频繁更换。婚庆市场的婚礼3D全息场景的频度最高不过每场婚礼设计一次——其中，很多素材还会重复使用。

    从这一点可以看到，真正挡在3D全息普及面前的依然是内容：无论是用数十台摄像机真实拍摄的方案，还是用电脑技术制作的方案，3D全息影像都还有点“小贵”。

    内容是整个产业链最大的瓶颈，内容生产的成本和速度决定了全息3D投影应用的规模。不过，大屏君觉得，对这个瓶颈业内可以报以“谨慎的乐观”。因为计算机技术的进步、AI技术的进步、专用芯片产品的开发，正在改变这一点。至少，过去三年这个行业成本下降超过50%，效率提升超过1倍。

    因此，大屏君觉得，未来数年投影行业，乃至整个显示行业都会进入一个3D全息为主题的效果革命之中。以至于更远的未来，TV这类产品也会进入3D全息时代——技术上，将8K分辨率看成16台2K投影机，足以完成一个有限角度内的良好的3D全息显示效果。