三星尖端技术研究所发布属于6G时代的3D全息技术

Esther｜编辑

与AR/VR技术相比，全息显示技术一直在发展，这项技术发明自1947年，它可以将虚拟影像显示在真实环境中，让你可以裸眼看到虚实结合的视觉效果。目前已有的几个具有代表性的方案包括：基于投影技术的Light Field Lab、基于佩珀尔幻象原理的“迈克尔·杰克逊”表演、凸透镜原理的Looking Glass、基于高速移动介质和光源的Voxon、高刷超声波粒子全息方案、全息风扇等等。

目前，全息风扇类的2D全息显示技术已经应用在商场等营销场景。与2D显示屏相比，3D全息显示屏同样利用光线来成像，区别在于显示的内容具有空间感。但真正的3D全息系统造价昂贵、难以量产生技术限制，一直难以大规模商业化。

注：本文主要涉及裸眼3D全息技术，是使用门槛比AR头显更低，更适合多人场景的技术。

因此，为了让全息技术能够应用于更多领域，三星尖端技术研究所（SAIT）的科研人员历时8年，研发了一种轻薄的全息显示屏幕，其原理是利用可操控的背光单元和全息视频处理器来控制光线，显示高质量3D全息影像，可视角度是一般水平的30倍。近期，SAIT科研人员在自然通讯期刊上发表了这项技术的相关论文，进一步对其进行解释。

科研人员表示：传统显示屏通过光线强度来表现深度，而全息技术不仅控制光线强度，还能显示出从多角度看都有3D观感的图像，是3D显示的最理想形式。3D全息显示结合了多种深度感知原理，包括双目视差、双眼角度、焦距调整、运动视差等。而市面上大多数3D显示方案通常仅结合其中部分原理。三星研发的全息显示技术几乎可以通过光线来完美复制物体，生成逼真的3D图像。

全息图实拍

另外，通常静态全息技术形式包括：1）银卤化物、光敏聚合物；2）纳米光学、超表面；相比之下，静态全息显示形式不支持高刷新率动态显示，而SAIT的技术利用空间光调制器（SLM），直接调节光波面，呈现动态的全息影像。

演示视频-实拍

据了解，这是一个基于光线衍射原理的3D全息显示方案，它的特点是在空间中成像，支持与屏幕前0.3米的手掌互动，这与传统基于双目视差原理的全息技术有所不同（此外，也不容易造成视觉辐辏冲突），因此真正的全息显示技术对于未来的交互式3D视频系统和界面足够重要。

关于商业化潜力

SAIT表示：全息显示技术难以商业化是因为以下几大难点：

    1）有限的视场角；

    2）光学元件笨重；

    3）计算量大。

为了解决这些问题，SAIT开发了一种名为S-BLU的特殊光学元件，其特点是只需要轻薄的光源（C-BLU），可以控制光源面板产生的背光，原理是将入射光转化成准直光线，并通过光束偏转器来调整光线角度。利用这种原理开发的全息显示屏可实现4K分辨率（3840××2160）、10英寸大小、0.6°可视角度。如果将全息图像通过S-BLU向观看者方向弯曲，那么可视角度约可提升30倍。

此外，通常显示面积越大，最佳观看角度会越小，二者大小成反比。也就是说，2mmx1mm的全高清全息显示屏可视角度为30°，而200mmx100mm的全息显示屏可视角度仅为0.3°。

总之，基于S-BLU的全息面板足够轻薄、平整，采用更成熟的显示器设计，更容易被主流市场接受。

计算全息图像则通过FPGA（场可编程门阵列），好处是可避免信息丢失和过渡采样，计算单元只需要一个芯片。

总之，三星打造了一个包含创建到复制整个完整流程的全息显示系统，有望推动全息显示的商业化。科研人员在论文中表示：建立全息显示的框架将成为解决商业化难题的关键，SAIT将持续推动全息作为未来的显示形式。

尽管如此，SAIT科研人员认为全息技术打开主流市场还需要很长时间，因为除了需要开发技术外，还需要发展全息内容、全息视频捕捉设备、全息数据传输流程等等。

应用场景方面，SAIT认为未来全息技术可用于远程医疗、图形可视化、虚拟导航、3D显示等等。起初，可能会出现全息键盘、全息菜单等应用，随着这项技术越来越常见，它可能还会用来创建基于手势、语音、眼球追踪、脑电波识别等其他输入方式的UI（用于AR眼镜等设备）。

对比其他全息技术

前面提到，市面上有各种各样的全息方案，应用更广泛的是2D全息技术，而真正的3D全息显示还在实验室探索阶段，难以商业化。目前已经向企业、设计师和开发者发售的Looking Glass全息显示屏支持多人从45个角度查看3D模型，但你无法直接触碰显示屏中的虚拟图像，而且售价599美元到3000美元，造价比较昂贵。

相比之下，Voxon全息显示设备支持更多观察角度，生成的3D虚拟模型看起来就像是真实存在的。它的原理是基于高速（4000fps）移动的平面介质，但这样的设计则更加依赖算力，设备体积笨重，而且售价高达1万美元。

而基于投影技术的Light Field Lab原理其实与SAIT的方案有些相似，都是利用光来形成3D全息影像，区别在于SAIT解决了计算成本的问题，通过算法来优化全息图像生成流程，计算单元仅需要一个芯片。

尽管如此，我们可能要等到6G时代才能看到三星推出全息相关产品，因为三星此前在6G白皮书中就曾提到，6G时代的三个关键服务是：真正的沉浸式XR、高质量移动式全息体验、数字化身。他们认为，全息图像将成为未来新一代媒介，它可通过显示出面部表情、手势动作，甚至丰富自然的肢体语言等。而这些还需要实时的面部、动作捕捉技术，将拍摄的三维图像实时传输到对方。未来，这种技术有望成为远程通讯、医疗、虚拟导航的新方式。

参考：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19298-4

（ END）