全像攝影將為元宇宙帶來新生命

2023-03-30
作者 Théodore Marescaux,Swave Photonics執行長暨創始人

科幻小說有助於人類展望未來。那麼,自從科幻小說《雪崩》(Snow Crash)出版以來發生了什麼,未來真的會有元宇宙嗎?

對大多數人來說,「元宇宙」(metaverse)是在一年前才剛剛進入詞典中,人們會知道這個詞彙是因當時Facebook將公司名稱更改為Meta Platforms,實際上,它的起源要比這古老得多。1992年,作家Neal Stephenson在他的科幻小說《雪崩》(Snow Crash)中創造了這個詞,該小說設想了一個虛擬世界,在這個虛擬世界中,人們無論身在何處,都可以採用與物理世界幾乎完全相匹配的逼真現實主義方式,與其他人和「事物」無縫互動。

科幻小說有助於人類展望未來。那麼,自從《雪崩》出版以來發生了什麼,未來真的會有元宇宙嗎?

 

元宇宙的時代真的會來臨嗎?

 

隨著擴增實境/虛擬實境(AR/VR)頭戴式裝置(headset)的出現,元宇宙拼圖已開始呈現,這實現了基本的沉浸式虛擬體驗。基於全像顯示的元宇宙體驗將成為主流,不過在這之前還有很長的路要走。但困擾虛擬世界的技術障礙終於被克服了,這其中,全像技術是一個關鍵驅動因素。

延展實境(Extended reality,簡稱XR)和完全沉浸式數位體驗將塑造未來十年,不僅在實現虛擬元宇宙,而且在把虛擬內容嵌入物理環境方面,將成為一個主要優勢。這些平台將是包括娛樂、教育、時尚、遊戲、電子商務、視訊會議等領域的未來。

元宇宙是一種將網際網路視為一個基於AR、VR和混合實境(MR),以及由區塊鏈支援的對等信任等級的單一、通用和沉浸式虛擬世界的願景。所有的數位實境的變體都屬於XR的範疇,最近已擴展到包括全像擴展實境(HXR)。

這些術語之間的關鍵區別在於其對物理和數位世界描繪的真實程度,以及平台可以在多大程度上能夠讓用戶沉浸在體驗中。在以下資料排序中,越往下虛擬體驗越好:

.AR (低沉浸感)將數位元素疊加在物理世界上;

.MR (中等沉浸)將物理世界與虛擬元素相融合,以創建一個這些元素可以互動的環境;

.VR (高沉浸感)是一種物理世界和數位世界完全融合並作為單一體驗呈現給用戶的環境;

.XR (混合沉浸感)是一個總括術語,包括透過利用將數位元素添加到物理或現實世界環境中來改變現實的任何類型的技術;

.HXR (完全沉浸感)是元宇宙的聖杯,提供逼真、高解析度的3D影像,可以用肉眼觀看,無任何折衷。

目前,所有模式的沉浸式數位技術(HXR除外,這是一種非常新的技術)都正在各種應用中應用,例如AR/VR眼鏡和耳機。儘管效果好壞參半,在增強用戶體驗方面仍在取得重大進展,但在元宇宙能夠擴展之前,很多問題仍有待解決。

例如,即使是最先進的XR應用,聚焦的也是單一使用者,使用者只能物理呈現在半靜態環境中,且只能部分地適應。這種方法與元宇宙的要求相去甚遠,主要在於無法提供高等級的沉浸感,而高等級沉浸感意味著,用戶將有效地變成環境的一部分,並且幾乎與數位創建的元素無法區分。

要完全「沉浸」,使用者必須能夠注視附近的一個點,然後立即注視遠處的另一個點。然而,今天的3D AR/VR技術僅限於一個固定焦點。在現實生活中,這意味著你不能在閱讀一本書時,從正在閱讀的書頁上向上瞥一眼,然後將目光聚焦到遠處的樹葉上。此外,如今的虛擬體驗只能透過耳機或處方眼鏡來實現,許多使用者覺得這些穿戴式裝置很煩人,甚至讓人產生頭疼的狀況。因此,儘管AR/VR頭戴式裝置和眼鏡已上市數年,但它們的局限性極大地減緩了這種可能改善生活的技術被採用的機會。

簡單地說,現有的沉浸式視覺化技術(AR/VR/XR)存在缺陷,由於其既有的技術限制,無法準確地表示現實。完全沉浸將需要廣闊的視野、廣闊的色域、極高的動態範圍(亦即從極低到極高的光照水準)、將頭部圍繞物體移動以從任何角度觀察物體的能力,以及在任意多個距離上對人物聚焦的能力。

全像攝影的新生命

Dennis Gabor在1960年代末期發明了全像攝影技術,並於1971年因這一成就獲得諾貝爾物理學獎。該技術能夠將照射到物體上的雷射所產生的光波記錄下來並事後重建,方法是透過在第一波前疊加第二光波(稱為參考光束)。

與攝影不同,全像技術可以創建3D影像。這是一種多用途技術,廣泛用於醫學、國防、天氣預報、VR、數位藝術等領域的數十種應用。

如果能夠在虛擬世界中精準實現,由於全像影像是由電腦生成,可以透過創建更真實的環境,同時消除眼睛疲勞的不利影響,從而能夠顯著提高XR的性能。全像圖片本身就是3D的,並為觀察者提供深度感知線索,因此用戶可以在虛擬空間中漫遊,可以從多個角度看東西,有時甚至可以看到物體的背面。空間光調變器、高密度CMOS元件和衍射光學的快速發展,使得高畫素密度能夠提供逼真、彩色和高品質的3D影像,而無需使用者佩戴特殊透鏡。

實現全像3D體驗所需的基本因素之一是CMOS技術的利用,因為其價格低廉且可擴展性強。儘管MEMS元件是研究人員的首選,但MEMS元件的效果卻不如CMOS元件,而且價格昂貴得多。因為CMOS方案採用小於投射光半波長的畫素,因此僅在一個晶片上就可以實現三個數量級以上的畫素。CMOS技術可以提供數10億畫素,而不是傳統成像方法所能達到的百萬畫素。這意味著,使用晶片上的2D全像圖,可以重建光波並用於3D觀看,可以從所有方向上呈現整個場景,並可完美聚焦空間中的任何一點。

3D全像技術利用的是數位衍射光學,透過改變光振幅和相位來控制光波,從而創建出利用折射光學方法根本無法實現,或者需要非常複雜、笨重、昂貴的光學元件才能實現的光學形狀和光學圖案。

物理世界和數位世界的融合即將到來,領先的科技公司在元宇宙相關技術上進行了巨額投資,如晶片組、軟體、開發平台、穿戴式裝置、全像顯示器和元宇宙應用等。HXR技術將在實現元宇宙方面發揮重要作用,重塑人類未來十年相互交流、共用資訊和體驗虛擬世界的方式。

(參考原文:Holography Will Bring the Metaverse to Life,by Théodore Marescaux)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20233月號

 

 

 

活動簡介

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