风起元宇宙,全息投影才是真入口!

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1992年,科幻小说《雪崩》问世。

作者尼尔·斯蒂芬森不会想到,许多年后,赛博朋克的主人公 Hiro Protagonist 大战资本主义的故事没能被密切关注,反而为了讽刺社会黑暗而架构的虚拟世界观“元宇宙”,风靡了大街小巷,人尽皆知,就连街上的老头乐,都印满了“元宇宙的商业价值”。

元宇宙真正爆火,还是2021年10月29日,Facebook 取 Metaverse(元宇宙)之名,正式更名为 Meta(元)。互联网风云人物扎克伯格大声宣布,公司未来将以元宇宙为先,直接引爆人们对于元宇宙的好奇心。

在大多数元宇宙的概念中,包括 Meta 都认为,进入元宇宙的方式,是 VR 和 AR ,戴上头显,就能畅游数字世界。

我们先来看,元宇宙的概念,到底是什么:

元宇宙(Metaverse)是利用科技手段进行链接与创造的,与现实世界映射与交互的虚拟世界,具备新型社会体系的数字生活空间。

元宇宙的核心,是数字手段链接现实,将现实映射在虚拟世界,为现实世界增加虚拟事物,创造更丰富的生活体验。

映射虚拟世界的方式,除了VR和AR,充满科幻感的全息投影,同样是一种“创造虚拟”的技术。那全息投影,能不能成为元宇宙的入口。或者说,全息投影能够在元宇宙的体系中,发挥什么作用?

毕竟,四周空间填满蓝蓝绿绿的虚拟屏幕,在虚空中点动手指就能操控应用的感觉,相当科幻。

飞娱财经「产业观察」第31篇。

✎ 主笔/ 宇宙维修员

❊ 文章架构师/ 花哥

♡ 出品/ 飞娱财经

01 全息投影,在现实中如梦似幻

全息投影之所以被人民密切关注,得益于众多科幻电影中,主角轻轻挥一下手,在眼前就出现一块半透明的虚拟现实屏,主人公在屏幕上指指点点,窗口变换为不同形状,再甚至通过这块屏幕,还能虚拟出远在千里之外的人,进行面对面交谈。

在科幻电影的加持下,全息投影成为国民级的科幻期待,2019年,日本媒体对《21世纪最希望突破的尖端技术》调查中,选择全息投影的人占比67%,远超过VR和AR技术。

确实,随时随地投射在眼前的屏幕,相比还需要带着一个硕大头显的VR设备,不仅更加方便,而且科幻感更足,几乎满足了人类对于屏幕显示技术的全部想象。

而在元宇宙构建中,全息投影有着不可比拟的绝对优势。

第一,全息投影设备的轻量性。

全息投影技术不必佩戴任何设备,就能用双眼实际感受浮动在空气中的对象形体,将虚拟引入现实,这是任何 VR、AR 技术不具备的优势。

同时,由于裸眼体验,杜绝了VR设备的眩晕感,能够以更加真实的感官,在虚拟世界中畅游。

第二,全息投影可以将现实与虚拟充分融合。

完全漫游于纯虚拟的数字世界,固然是元宇宙的一种形式,但如果想要拓展更多的应用场景,元宇宙还是需要依托于现实世界。通过全息投影技术,可以在现实世界中,叠加一层虚拟世界,实现元宇宙在实际的生产生活中落地应用。

AR增强现实技术同样是在现实世界叠加虚拟内容,但AR技术必须依赖一个AR设备才能看到虚拟世界的存在,同时,AR只能由AR使用者看到,其他人对于AR使用者看到的世界,并不能感同身受。

但全息投影不同,全息投影通过投射虚拟事物,相当于在现实中完成了“布景”,只要在这个场景中的观众,所看到的虚拟事物,都完全一致。

第三,全息投影 ToB/G,VR设备 ToC,全息投影更容易完成产业基建。

元宇宙是媒介技术向前发展进程中,不可逆的趋势,但在广袤的地球,由于经济水平的不同,导致不同地区的人们对于进入元宇宙的入口不同。

VR设备由于其单人或双人使用的特性,决定着VR的设备,就如同手机一样,具有强烈的 ToC 属性,且因为短期内成本居高,单价较贵,并非所有人能够承担。

全息投影则是实现“一群人同时进入同一个元宇宙”的思路,通过全息投影,将现场所有观众引入同一个世界。例如演唱会现场,通过全息投影,可以将现场几万观众,同时带入主办方构建的虚拟世界;在贫困山区的课堂上,通过政府采购搭建的“全息智慧课堂”,能够有机会带着贫困山区的孩子们,接触元宇宙,减少山区儿童与城市儿童的认知断层。

由此来看,全息投影带有明显的 ToB 属性,采购方多为政府或企业,如果元宇宙真的成为未来的基础设施,那么大规模的、集群性的全息投影方案,可能更为政府部门所接受。

02 舞台,全息投影天然的应用场景

尽管全息投影的技术还远远没有成熟,但已经开始有一些应用场景开始尝试落地。

大多数人第一次在现实中接触全息投影,应该就是在博物馆中,透过小孔,观察 3D 画面里的立体演示。这是全息投影最早期的现实应用,只能通过固定角度观看简短的画面。

再往后,随着技术的突破,全息投影能够实现在一个平面范围内,都可以观看,可视角度大幅增加,同时,也能够支撑几个小时的画面投影,具备完整表演节目的基本条件。

2010年,全球知名二次元IP初音未来,举办“初音未来之日感谢祭演唱会”,成为人类文明史上,第一个使用全息投影技术举办演唱会的虚拟偶像。

这次的全息投影技术,实质上只能成为“半全息投影”,在维度上,只有2.5D,采用了日本KIMOTO公司的“Dilad Screen ”2.5D半全息透明屏,播放2.5D影像,简单的说就是在制作成不同透明度的屏幕上投影立体画面,并使用了双投影技术。

此后,除了2011年东京演唱会以外,初音未来其他的演唱会,基本均为此项技术。

这种技术是当前市面上能见到的全息投影技术的主要流派,其基本原理,是利用了光学上“佩伯尔幻像”,形成视觉欺骗。

“佩伯尔幻像”在魔术中经常使用,通过一张半透半反的“膜”,也就是所谓的透明全息膜,作为介质,使得物体在膜中形成虚像,因为是半透的,所以你可以看到膜后的景物,视觉上给人一种立体的错觉,再加上CG技术以及高亮度的灯光,这种立体影像就会给观众一种惟妙惟肖的真实感觉。

虽然看起来也是立体的,但佩伯尔幻像与真实的全息投影还是有一些差距。它需要光学材料折射光源才能形成立体视觉效果,观众也只能在特定的角度观影。除此以外,类似演出必须在黑暗环境才能实现,这与科幻电影中的效果相差甚远。

归根结底,全息投影的技术实现,本质上电影放映技术类似,都是对“光”的控制。先采集录制所需要的内容信息,再复原这些信息,只不过电影放映技术是采集并复原平面信息,而全息投影是要采集并复原立体信息。

电影放映技术是用幕布作为介质来承载内容,而目前全息投影的立体信息还没有一个成本低且稳定的介质,所以,当前大多数全息投影表演,多是利用“佩珀尔幻象”,叠加成熟的CG技术和舞台光影技术,带来不同寻常的超凡体验。

从初音未来2010年第一次使用全息投影技术进行表演,到如今全息投影舞台表演技术也进行了飞速的发展。

等到2019年邓丽君全息演唱会,逝世多年的歌后,再一次惟妙惟肖出现在舞台中央,释放天籁歌喉,穿越时间,依然惊艳世人;

再到2021年春晚,在张国立老师的生动解说下,利用全息投影技术再现的三星堆,让观众在电视机前,就能够“一眼看千年”,领略“沉睡数千年,一醒惊天下”的古蜀风采。

全息投影技术对传统舞台声光电技术有着颠覆性的改变,带给人们虚实结合的梦幻立体感受。

03 尝试未来教育,全息投影也在追求实用

如果全息投影只能停留在表演阶段,那么离真正改变人们的生活方式,就少了一些意义。

研究人员们一直没有放弃过对全息投影在功能性落地应用上的探索,2021年12月,联想研究院打造的沉浸式“未来黑板”HoloBoard,让人们看到全息投影在教育场景落地的曙光。

2021年12月,HoloBoard 成功入围素有“教育界的奥斯卡”之称的国际大奖——“重构教育奖”虚拟现实/增强现实类别决赛名单。通过大幅面沉浸式投影、高精度实时动作捕捉、双面多人增强现实渲染等先进技术的加持,HoloBoard 可以完成教学场景中各种虚实结合的互动和教学。

评委会对于 HoloBoard 有着充分的肯定:“利用沉浸式和新兴技术,为学生和教学机构提供了负担得起的、可扩展的教学服务,推动了教师授课和学生学习质量的提升。”

那么,HoloBoard,是如何利用全息投影技术,为学生打造出元宇宙般的学习体验?

HoloBoard 虽然名叫黑板,但其实,这更像是一整套教育互动技术,其主体,不仅包括用于演示画面的电子黑板,还包括音响设备、投影设备,甚至整个的教室,都是设备的一部分。

之所以将 HoloBoard 独立阐述,是因为 HoloBoard 的三大核心能力,正好对应了全息投影技术的三大应用场景。

第一项能力:远程投射能力。

HoloBoard 能够通过3D扫描和投射技术,将异地的老师,以3D全息影像的形式,投射到 HoloBoard 的虚拟教室当中,实现“面对面”授课。这具有非常大的现实意义,顶级名师在演播室授课,无数“分身”在全国各地的教室中,传递高质量的教育内容。

这项技术中,投影能力相对比较成熟,同前文所述各项舞台表演投影技术是一样的,难点在于实时传输能力,需要将异地的立体画面实时扫描,并通过网络传输到虚拟投影,这样能力一旦实现,科幻电影中的面对面“全息对话”,就有了实现的可能。

第二项能力:数字孪生。

数字孪生是3D投影能力的延伸,HoloBoard 的数字孪生体,可以通过在全息画面中,创造一个孪生的数字形象。例如通过 HoloBoard ,把自己镜像为孪生的宇航员形象,通过自己的动作控制屏幕里的宇航员,身临其境地在太空遨游。

图为:学生借助HoloBoard将自己镜像成宇航员与周围物体互动

第三项能力:可互动的沉浸场景。

全息投影能否真的像科幻电影一样,实现虚空触控,最核心的就是“互动”,如果只是单纯的画面投影,很难让人身临其境。但有了互动能力则不同,互动可以带来操作界面的交互,相当于有了承接执行指令的前端,能够实现的能力,就变得非常有想象空间。

HoloBoard 有一个真实场景实例,学生捡起一个小球,向屏幕抛去,当实体球击中屏幕时,屏幕上就会产生一个虚拟的小球,虚拟球会沿着实体球的轨迹移动,传递给屏幕上浮现的虚拟投影老师。虚拟与现实,非常自然地进行了衔接与转换。

除此之外,教师和学生可以在 HoloBoard 屏幕上执行三维建模任务。用手按压屏幕,根据按压的深度即可在屏幕上新建一个对应大小的3D模型。

借助弹性触觉反馈技术,在操作的时候,感觉就像把手伸进真正的场景中一样,会有身临其境的沉浸体验。

能够在黑板场景下实现按压建模,就能够实现软件虚空触控,通过点击进入不同的软件界面,实现更多交互。

不可否认的是,尽管 Holoboard 能够实现这些能力,但它依然只是一款原型机,距离实际应用还需要更多的突破。

04 “全息时代”,尚需时日

1947年,英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息投影术,他因此项工作获得了1971年的诺贝尔物理学奖。全息投影技术一直到1960年激光的发明才取得了实质性的进展。

随着技术的深入发展,相继出现了透射式全息、反射式全息、像面式全息、彩虹式全息、合成式全息、模压式全息、数字全息等技术。

经过长期不断的发展,2003年首次成功将全息投影技术应用于人们的日常生活中。可以预见,未来全息投影技术的应用不止于舞台、教育等。

但目前整个全息投影的技术,也都处在这种难以大规模应用的阶段,距离“全息时代”,尚需时日。


参考资料:

元宇宙助攻,3D全息投影风云再起

可触摸的全息投影!“空气触觉”技术让虚拟篮球亦有真实弹跳感

聚焦黑科技,我们距离真全息投影还有多远?

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