【48812】全息术：3D显现的未来

  全息术是一种能够记载光波前（包含其起伏和相位）并重建的技能，其主要运用光的衍射来发生虚拟三维图画。

  先驱者们在很早就预言全息是完成完美3D 显现的终究办法，是由于全息术是现在可满意适配人类视觉体系光学要求的仅有办法。多年以来，研讨者们都在为完成这一方针不断尽力。

  随后，以全息3D 显现为要点，总结了运用机器学习和神经网络算法完成实时全息核算的新进展；

  为了直观地描绘全息3D 显现的难度，作者运用数据传输速率（比特率，b/s）作为衡量目标。

  假定完成一个45°视场，60Hz 刷新率，8位分辨率，50cm×50cm屏幕巨细的全息彩色显现，在所运用光源为500nm状况下，所需求的比特率约为3×10¹⁵b/s。

  图1 展现了全息和其他通讯技能所需的数据速率（按开展时刻顺序排列）比照状况。

  1798年的摇臂信号机大约每分钟可传输2~3个符号，约0.4bit/s。

  1940年代呈现的黑白电视可显现29.97帧/s的视频，传输速率达26Mb/s。

  最新的8K 高清则需求47.8Gb/s的传输。（注：以上所需传输速率为紧缩前的数据量）而全息3D 彩色显现比特率是8K 高清的6万倍，所以完成全息3D 显现的难度清楚明了。

  依照图1中的开展时刻轴猜测，完成商业化的全息3D显现大约要到2100年。

  开展轨道或许不是无法改动的，一切的这一切取决于人类的不断尽力。尽管完成难度十分大，但全息依然被以为是完成3D 显现的终极技能。这是由于全息术是现在可满意适配人眼视觉体系光学要求的仅有办法。

  人眼视觉体系从外部获取的许多信息中来进行深度感知，而其间绝大多数重要的深度感知要素是二维信息，这中心还包含暗影（shading + shadowing），透视方向（perspective），相对巨细（relative size），遮挡（occlusion），含糊度（blurriness + haze）。

  如下图2展现了在一个二维平面上的三个球，但其包含了以上罗列的二维深度感知要素，这些二维深度感知要素经过人眼视觉体系后，咱们会以为它们是存在于三维空间中的球。所以无论是绘画，相片，或是印象，只需上面的二维深度感知要素被植入，咱们人眼就会发生三维感知作用，不然光学图画幻觉就会发生。因而3D 显现体系第一步是要确保以上二维深度感知要素，其次再参加和处理其他一些三维感知要素，如立体视差，运动观察和视觉辐辏调理抵触（vergence-accommodation conflict，VAC）等等。

  1. 根据立体视差（Stereo disparity）：常见于现在3D影院，需求穿戴3D眼镜，存在VAC。

  2. 裸眼3D 显现（Autostereoscopy）：常用透镜阵列完成光场三维成像；需求用户固定在特定方位，存在VAC。

  3. 根据运动视差 （Motion Parallax，Multiview）：相当于用户可移动的裸眼3D，存在VAC，所需比特率低，约10⁵ Gb/s，也是现在研讨的热门。

  4. 立体显现（volumetric displays）：经过预先界说好的三维空间进行光发射，散射，照明以显现三维图画。图画就像悬浮在空中，给人以极大的视觉上的冲击。但存在遮挡问题，且成像体积遭到约束。

  以上这些3D 显现技能各有利弊及其适用的使用场景，且许多遭到人眼视觉体系约束而没有办法处理。但这些技能在终究全息术老练之前，仍将持续向前为朝着用户表现更舒适，显现作用更佳的方向持续前进。

  全息术被证明是现在仅有可满意一切人眼视觉体系所需求素的3D 显现技能。但其应战是巨大的，主要从三个方面论述：

  核算机数字全息（Computed Generated Holograms, CGH）的呈现极大地推动了全息核算的开展。运用基尔霍夫和菲尼尔衍射理论核算由相位板在特定衍射间隔上发生恣意图画。可是10¹⁵b/s 等级(720p video)的数据比特率需求让核算变得巨大且耗时。而这需求更为简练的全息核算算法，而且对应的针对全息核算的特定硬件渠道也十分必要。

  由于超大的数据传输需求，树立有用的数据传输网络模型，无失真的衍射数据紧缩算法十分重要。

  为了生成高质量的全息图形，以3×10¹⁵b/s 比特率为例，大约需求23万个4K 空间光调制器（SLM），15000台电脑来处理对应的数据，这些听起来很荒诞的数字再一次表现了全息3D显现的完成难度之大。全息数据生成器材和办法一般可分为以下几类：

  ii. 微机电体系（MEMS）：刷新率快，高集成度，但现在器材功率低。德州仪器处于领头羊，其下一代的高功率的相位调制器也正在研制。

  iv. 相位阵列光子集成芯片：微纳标准的相位阵列由一系列光波导组成并完成晶圆尺度的大规模集成。如图3，这些相位阵列经过片上的声光或热光调制器来改动其相位，并用光栅耦合出射。其长处是快速，相位易操控，片上大规模集成。缺陷是相位分辨率较低，导致有较大的衍射旁瓣。

  全息仍被以为是完成理想3D 显现的终究技能。尽管现在还没有老练完善的处理方案，但这无法掩盖人们为其所做出的巨大贡献，科学家们正史无前例地将项技能变成实际。

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