圖片來源@視覺中國

文 | 根新未來

對3D成像技術的追求自古有之，因為那實在是個太吸引人的世界，也是人們對于更真實、更飽滿體驗的本能追求。

考古發現，當時的古埃及人通過對人物形象進行從頭到腳兩次90°轉向的畫法造型使人物具有立體、厚重的飽和感，以求達到人物形象的真實再現。文藝複興時期，繪畫透視和雕塑藝術的研究與實踐成果，使得人們對三維成像技術的探索有了一個飛躍。

到了現代，3D顯示技術更是成為人們接受外部信息的重要手段之一，3D顯示技術能再現場景的三維信息，提供場景的更為全面、豐富的信息，也能給人們帶來更加新奇和獨特的感受，比如3D數字電影。

現在，3D顯示技術仍在向前發展，而與3D電影所使用的3D顯示技術又有所不同，這一次，人們将擺脫對于“外力”——比如3D眼鏡的借助。屆時，人們将真正走向自由3D顯示，進而享受一個全然立體的世界。

擺脫對眼鏡的借助

近年，随着電子技術、顯示技術，以及網絡技術的發展，帶動了3D産品的大量普及，3D顯示技術作為一種新興的顯示技術逐漸改變人們認知世界的方式。尤其是伴随着《阿凡達》等多部3D影片在全球熱映，人們對3D顯示的認知率更是迅速攀升，進而也全面催化了火爆的3D顯示市場。

而所謂的3D顯示，其實正是利用了我們人眼所看到世界的輕微差别。3D立體感是人眼視覺的重要功能之一，人雙眼的平均瞳距約為65 mm，當兩眼從稍微不同的兩個角度去觀察客觀三維世界的景物時，與觀察者不同距離的景物由于光學投影的原因會在左、右兩眼視網膜上形成不同的位置的像，因此能夠辨别物體遠近，産生立體的視覺。

這種兩眼視網膜上位置差就稱為雙眼視差，它反映了客觀景物的深度。人眼的深度感即立體感就是因為有了這個視差，再經大腦加工而形成的。

雙眼視差分為運動視差和靜态視差，人的左右眼能分别看到左右眼圖像時，就是靜态視差，而運動視差是當人移動時人的左右眼仍能夠看到左右眼各自的立體圖像。靜态視差和運動視差的效果可以通過将多視角和頭部追蹤3D顯示相結合而産生。當兩幅具有視差的左右圖像進入雙眼後，人兩眼會分别看到左右兩幅不同的圖像，這樣具有立體視覺的立體分像就形成了。

實際上，這也是目前的3D顯示技術原理，就是利用人眼左右分别接收不同畫面，然後大腦經過對圖像信息進行疊加重生，構成一個具有前-後、上-下、左-右、遠-近等立體方向效果的影像。

需要3D眼鏡也是這個原因：眼鏡的兩個鏡片偏振的方向（或者濾光器）不同，因此，兩個鏡片同時能有不同的成像。一些的3D眼鏡中的快速閃爍的開關，還能與屏幕上的圖像同步變換，使兩個眼睛看到的圖像不同。

盡管眼鏡式3D顯示技術已經是目前較成熟的3D顯示技術，但眼鏡畢竟還是帶來了諸多不便，而且也影響觀瞻，于是，人們開始思考如何将眼鏡摘掉。裸眼3D技術就此興起。

與眼鏡式3D顯示技術将成像交給鏡片不同，這項任務在裸眼3D技術中則交給了顯示器來完成。顯示器上一個像素點給出的不同的光，要分别有很強的方向性，一束光指向左眼，一束光指向右眼，這樣兩隻眼睛就會看到不同圖像。而這樣的像素點越多，實現的裸眼3D效果也就越好。

基于視差的裸眼式無須佩戴任何特制眼鏡或儀器，克服了戴眼鏡觀看帶來的不方便和不舒适，可以說，裸眼式3D技術最大的優勢便是擺脫了眼鏡的束縛。

不過，裸眼3D顯示技術的缺點也非常明顯：人們在觀看屏幕時，必須位于一定的範圍内才能觀察到立體畫面，若距離屏幕位置太遠，或觀察角度太大，則3D效果并不明顯。此外，若離屏幕距離太近，人會有明顯的頭暈現象，因此，裸眼3D顯示技術暫時還不适合在小尺寸顯示器上使用。

全息才是真正的三維圖像

當然，擺脫對外力的借助還隻是走向自由3D顯示技術的第一步。

如前所述，人類之所以能感受到立體感，是由于人類的雙眼觀察物體是橫向的，兩眼之間有的觀察角度略有差異，圖像經神經中樞的融合反射及視覺心理反應便産生了三維立體感。因此，根據這個原理，可以将3D顯示技術分為兩種：一種是利用人眼的視差特性産生立體感；另一種，就是在空間顯示真實的3D立體影像——基于全息影像技術的立體成像。

實際上，許多科幻電影裡都出現了全息影像一般的場景。在《星球大戰》系列電影中，角色們在相隔幾個星系的距離下，能夠通過全息影像進行實時語音通訊；在《鋼鐵俠》中，鋼鐵俠大手一揮，空氣中便憑空出現了一些立體影像。

全息，即全部信息，全息影像是真正的三維立體影像，人們不需要佩戴立體眼鏡或其他任何的輔助設備，就可以在不同的角度裸眼觀看影像。

1947年，英國人丹尼斯蓋博（Dennis Gabor）在研究電子顯微鏡的過程中，提出了全息攝影術（Holography）這樣一種全新的成像概念，并獲得了諾貝爾獎。全息術的成像利用了光的幹涉原理，以條紋形式記錄物體發射的特定光波，并在特殊條件下使其重現，形成逼真的三維圖像，這幅圖像記錄了物體的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以稱之為全息術，意為包含了全部信息。

不過，在當時的條件下，全息圖像的成像質量很差，隻是采用水銀燈記錄全息信息，但由于水銀燈的性能太差，無法分離同軸全息衍射波，因此大量的科學家花費了十年的時間卻沒有使這一技術有很大進展。

1962年，美國人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息術的基礎上，将通信行業中“側視雷達”理論應用在全息術上，發明了離軸全息技術，帶動全息技術進入了全新的發展階段。這一技術采用離軸光記錄全息圖像，然後利用離軸再現光得到三個空間相互分離的衍射分量，可以清晰的觀察到所需的圖像，有效克服了全息圖成像質量差的問題。

1969年，本頓發明了彩虹全息術，能在白熾燈光下觀察到明亮的立體成像。其基本特征是，在适當的位置加入一個一定寬度的狹縫，限制再現光波以降低像的色模糊，根據人眼水平排列的特性，犧牲垂直方向物體信息，保留水平方向物體信息，從而降低對光源的要求。彩虹全息術的發明，帶動全息術進入了第三個發展階段。傳統全息技術采用鹵化銀等材料制成感光膠片，完成全息圖像信。

20世紀60年代末期，古德曼和勞倫斯等人提出了新的全息概念———數字全息技術，開創了精确全息技術的時代。到了90年代，随着高分辨率CCD的出現，人們開始用CCD等光敏電子元件代替傳統的感光膠片或新型光敏等介質記錄全息圖，并用數字方式通過電腦模拟光學衍射來呈現影像，使得全息圖的記錄和再現真正實現了數字化。

全息三維顯示技術的優點是真實感較強，顯示的物體跟原物體完全相同，其産生的深度感在心理感受方面也比較強烈。也就是說，人們觀看全息像時會得到與觀看原物時完全相同的視覺效果，其中包括各種位置視差，這也是全息三維顯示的理論依據。從這種意義上來說，全息才是真正的三維圖像。

一個全息的未來

顯然，在諸多的三維顯示技術中，全息技術的3D顯示是極其特别的存在，它在全息記錄材料上記錄的是物光波的振幅和位相信息，全息圖再現的是物光波，而不是一對或幾對立體圖像。此外，用全息方法也可實現體視三維圖像顯示，它的特點是觀察時無須其他光學器件輔助。

并且，全息學的原理适用于各種形式的波動，如X射線、微波、聲波、電子波等。隻要這些波動在形成幹涉花樣時具有足夠的相幹性即可。

不過，真正的全息成像如今還沒有真正進入應用階段。其實，目前我們所能看到的關于全息3D的應用，大多運用的是一種僞裝的全息技術——即全息投影。真正的全息影像可以不通過過任何介質，從地平線上的空氣中就能顯示出來影像，而且觀看角度可以随意變換，體驗者能夠從三維立體的畫面之中穿梭自如。

如果能把全息技術應用到電影技術上，那麼真正的3D電影将脫離銀屏在立體三維空間中上演，并且完全摘掉偏振眼鏡，實現裸眼3D技術。可以想象，如今，随着全息技術的日漸成熟，全息3D走進電影院已經指日可待。

全息技術在投影方面可以應用在各種展示場合，一切需要展示的東西都可以用到全息投影。比如，醫療方面，激光全息技術首先在眼科疾病診治的應用中獲得了成功，一張全息照片提供的信息相當于480張普通眼底照片所提供的信息。

在眼科疾病的診斷過程中，利用激光全息成像技術可以提供整個眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對整個眼睛圖像的不同進行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術提供眼睛各個部位單獨的三維立體圖像以做深入的檢查。

另外，全息技術的成熟，還将帶來前所未有的交互體驗。運用全息技術可以虛拟出一個鍵盤，同時運用激光傳感技術讓我們能夠在虛拟的鍵盤上進行操作。

除光學全息外，當前，紅外、微波和超聲全息技術也在快速發展，這些全息技術在軍事偵察和監視上都具有重要意義。比如，一般的雷達隻能探測到目标方位、距離等，而全息照相則能給出目标的立體形象，這對于及時識别飛機、艦艇等有極大作用，因此也備受人們的重視。

超聲全息照相能再現潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進行水下偵察和監視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫療透視以及工業無損檢測等。

除用光波産生全息圖外，已發展到可用計算機産生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學元件，如各種透鏡、光栅、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，适合于宇宙飛行使用。使用全息圖存儲資料，具有容量大、易提取、抗污損等優點。

3D顯示的未來總是越來越靈活，也是越來越逼真的，這不僅将給人們帶來許多獨特的體驗，更為醫療檢測、軍事應用等帶來新的發展。

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