全息3D显示面临的挑战:计算、传输和渲染

硬件君 2021-12-28

全息全息技术3d

1015 字丨阅读本文需 3 分钟

全息技术的先驱(Gabor、Leith、Upatnieks 和 Denisyuk)很早就预测,最终的 3D 显示将基于这种技术。这种信念植根于这样一个事实,即全息术是唯一可以呈现由人类视觉系统解释的所有光学线索的方法。全息 3D 显示一直是人们追逐的梦想,但是,面临着方方面面的挑战:计算、传输和渲染。对于计算所需的6.6 × 10 15触发器、3 × 1015 b/s 数据速率和 1.6 × 10 12相位像素等数字,这项任务非常艰巨。

在Light: Science & Application发表的一篇新评论论文中,亚利桑那大学的 Blanche 教授正在回顾全息 3D显示领域的最新成就;具体而言,在新的发展中的机器学习和神经网络算法,证明了计算机生成的全息图接近实时加工。论文的一部分还讨论了可以使用巧妙的压缩算法和光纤传输线解决的数据传输问题。最后,介绍了全息3D显示的最后一个障碍,就是渲染硬件。

随着更大更快的空间光调制器 (SLM),全息投影系统也在不断改进。硅基液晶(LCoS) 和微机电系统 (MEMS) 相位显示器的像素数正在增加数百万,新的光子集成电路相控阵正在取得真正的进展。这些系统离开实验室进入消费者世界只是时间问题。

各种电信设备根据其推出年份的近似比特率大小。从 1798 年提交给拿破仑波拿巴的光电报(或查普的信号量)开始,典型的传输速率约为每分钟 2 到 3 个符号(196 种不同类型),或 0.4 b/s。其次是电报,在 1840 年代初期使用塞缪尔·莫尔斯电码普及,达到大约 100 b/s 的速率。Graham Bell 的电话于 1876 年推出,支持高达 64 kb/s 的语音频率传输。1940 年代推出的早期 NTSC 黑白电子电视具有 525 条隔行扫描线,并以 26 Mb/s7 的比特率以每秒 29.97 帧的速率显示图像。彩色 NTSC 格式在 10 年后推出,将黑白带宽增加了两倍以适应红色、绿色和蓝色通道。最近,1990 年的 HDTV 720p@1.33 Gb/s、2010 年的超高清电视 2160p(4K)@12.7 Gb/s 和目前为 4320p(8K)@47.8 Gb/s。全息 3D 显示器预计将具有 3 × 1015 b/s 的数据速率,并且根据先前技术的推断,预计到 2100 年将出现商业化。图片来源:Pierre-Alexandre Blanche 目前为 4320p(8K)@47.8 Gb/s。

全息术仍然被认为是最终的技术,它将能够渲染人类视觉系统以查看 3D 投影图像所需的所有光学线索。所有其他技术,例如(自动)立体视觉、光场或体积显示,都会受到限制 3D 渲染的权衡。尽管如此,在实现全息显示之前,这些技术可能会被证明是导致更好视觉舒适度的垫脚石。

几年前阻止全息电视成为可能的一些大门已经解锁。现在可以快速计算 3D 全息图以正确控制遮挡和视差,这也是数据传输问题的解决方案。网络的确切架构(厚客户端或精简客户端)尚不清楚,但支持 Internet 移动通信的更高压缩率和更快的电信基础设施使全息电视的数据流传输变得可行,即使尚无法访问。

然而,仍有一些挑战有待解决。撰写本手稿时的两个主要障碍是在合理的时间内计算逼真的 3D 全息图,以及适合以高分辨率再现大型全息 3D 图像的电子设备。

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