全息照相将为元宇宙带来新生命

对大多数人来说，“元宇宙”一年前刚进入学科词典后，他们才知道这个词，实际上，它的起源要比这古老得多。1992年，作家Neal Stephenson在他的科幻小说《雪崩》(Snow Crash)中创造了这个词。该小说设想了一个虚拟世界。在这个虚拟世界中，人们无论身在何处，都可以采用与物理世界几乎完全相匹配的逼真现实主义方式，与其他人和“事物”无缝交互。

科幻小说有助于人类展望未来。那么，自从《雪崩》出版以来发生了什么，未来真的会有元宇宙吗？

随着增强现实/虚拟现实(AR/VR) 设备的出现，元宇宙拼图已开始呈现，这实现了基本的沉浸式虚拟体验。但基于全息显示的元宇宙体验想要成为主流，还有很长的路要走。如今，困扰虚拟世界的技术障碍终于被克服了，这其中，全息技术是一个关键驱动因素。

扩展现实(XR)和完全沉浸式数字体验将塑造未来十年，不仅在实现虚拟元宇宙方面，而且在将虚拟内容嵌入物理环境方面，成为一个主要优势。这些平台将是很多业务的未来，包括娱乐、教育、时尚、游戏、电子商务、视频会议等。

元宇宙是互联网作为一个基于AR、VR和混合现实(MR)的单一、通用和沉浸式虚拟世界的愿景，以及由区块链支持的对等信任级别。所有的数字现实变体都属于扩展现实的范畴，最近已扩展到包括全息扩展现实(HXR)。

这些术语之间的关键区别在于其对物理和数字世界描绘的真实程度，以及平台可以在多大程度上能够让用户沉浸在体验中。在以下列表中，越往下虚拟体验越好：

     ·AR(低沉浸感)将数字元素叠加在物理世界上。

     ·MR(中等沉浸)将物理世界与虚拟元素相融合，以创建一个这些元素可以交互的环境。

     ·VR(高沉浸感)是一种物理世界和数字世界完全融合并作为单一体验呈现给用户的环境。

     ·XR(混合沉浸式)是一个总括术语，包括通过利用将数字元素添加到物理或现实世界环境中来改变现实的任何类型的技术。

     ·HXR(全沉浸式)是元宇宙的圣杯，提供逼真、高分辨率的3D图像，可以用肉眼观看，无任何折衷。

目前，所有模式的沉浸式数字技术(HXR除外，这是一种非常新的技术)都在各种用例中应用，例如AR/VR眼镜和耳机，尽管效果好坏参半。在增强用户体验方面仍在取得重大进展，但在元宇宙能够扩展之前，很多问题仍有待解决。

例如，即使目前最先进的XR应用，聚焦的也是单用户，用户只能物理呈现在半静态环境中，且只能部分地适应。这种方法与元宇宙的要求相去甚远，主要在于无法提供高级别的沉浸感，而高级别沉浸感意味着，用户将有效地变成环境的一部分，并且几乎与数字创建的元素无法区分。

要完全“沉浸”，你必须能够注视附近的一个点，然后立即注视远处的另一个点。然而，今天的3D AR/VR技术仅限于一个固定焦点。在现实生活中，这意味着你不能在阅读一本书时，从正在阅读的书页上向上瞥一眼，然后将目光聚焦到远处的树叶上。此外，如今的虚拟体验只能通过耳机或专用眼镜设备来实现，许多用户觉得这些可穿戴设备很烦人，甚至令人头疼。因此，尽管AR/VR头戴式耳机和眼镜已上市数年，但它们的局限性极大地减慢了这种增强技术的普及速度。

简单地说，现有的沉浸式可视化技术(AR/VR/XR)存在缺陷，由于其固有的技术限制，无法准确地表示现实。完全沉浸将需要广阔的视野、广阔的色域、极高的动态范围(即，从极低到极高的光照水平)、将头部围绕物体移动以从任何角度观察物体的能力，以及在任意多个距离上对人物聚焦的能力。

全息照相的新生命

Dennis Gabor在20世纪60年代末发明了全息照相术，并于1971年因这一成就获得诺贝尔物理学奖。该技术能够将照射到物体上的激光所产生的光波记录下来并事后重建，方法是通过在第一波前上叠加第二光波(称为参考光束)。与摄影不同，全息术可以创建三维图像。这是一种多用途技术，广泛用于医学、国防、天气预报、虚拟现实、数字艺术等领域的多种应用。

如果能够在虚拟世界中精准实现，由于全息图像是由计算机生成的，可以通过创建更真实的环境，同时消除眼睛疲劳的不利影响，从而能够显著提高XR的性能。全息图片本身就是3D的，并为观察者提供深度感知线索，因此用户可以在虚拟空间中漫游，可以从多个角度看东西，有时甚至可以看到物体的背面。空间光调制器、高密度CMOS器件和衍射光学的快速发展，使得高像素密度能够提供逼真、彩色和高质量的3D图像，而无需用户佩戴特殊透镜。

实现全息3D体验所需的基本因素之一是CMOS技术的利用，因为其价格低廉且可扩展性强。尽管MEMS器件曾是研究人员的首选，但MEMS器件的效果却不如CMOS器件，而且价格昂贵得多。因为CMOS方案采用小于投射光半波长的像素，故仅在一个管芯上就可以实现三个数量级甚至更多的像素。CMOS技术可以提供数千兆像素，而传统成像方法所能达到的像素数则仅为兆级。这意味着，使用芯片上的2D全息图，可以重建光波并用于3D观看，可以从所有方向上呈现整个场景，并可完美聚焦空间中的任何一点。

3D全息技术利用的是数字衍射光学器件。该光学器件通过改变光振幅和相位来控制光波，从而创建出利用折射光学方法根本无法实现的、要么是需要非常复杂、笨重、昂贵的光学部件才能实现的光学形状和光学图案。

物理世界和数字世界的融合即将到来，领先的科技公司在元宇宙相关技术上进行了巨额投资，如芯片组、软件、开发平台、可穿戴设备、全息显示器和元宇宙应用等。HXR技术将在实现元宇宙方面发挥重要作用，重塑人类未来十年相互交流、共享信息和体验虚拟世界的方式。

(参考原文：Holography Will Bring the Metaverse to Life）

本文为《电子工程专辑》2023年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅