美猴王的腾云驾雾是如何实现的呢?

2016-04-04 17:11:29     作者:Gguiying      来源:原创

标签: 投影机 反射镜

3D全息投影技术不算特别新鲜,但也并非运用了真正的全息技术。立体动态全息还停留在实验室初级阶段,主要通过空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)实现,就是下图的小玩意儿。

凭借一段2分38秒的节目,辽宁卫视的春晚刷爆了微博微信。在6日晚上举办的辽宁春晚中,六小龄童为观众奉上了一个极具观赏性的节目——《金猴闹春》,好看到目瞪口呆。


当音乐响起,章金莱老师挥舞着金箍棒,有种时空交错的感觉,金箍棒的两端连接着童年和现在,金猴归来,唤醒情怀,燃爆了的3D特效,给你一个腾云驾雾的美猴王。












那么这种特效是如何实现的呢?


早在2014年公告牌音乐奖的颁奖仪式,就曾用这种技术“复活”了过世的天王迈克尔杰克逊。2015年的央视春晚,李宇春演唱《蜀绣》也用了类似技术。究竟这是项什么技术呢?



其实,这种3D全息投影技术不算特别新鲜,但也并非运用了真正的全息技术。立体动态全息还停留在实验室初级阶段,主要通过空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)实现,就是下图的小玩意儿。



上图中右侧亮的拇指盖大小的那一块相位型SLM售价十万人民币以上,要搭建一个稍微能看得过去的系统,例如生活大爆炸中某一集投射出个小地球啥的(其实现实做到的要小得多),没有百万美元是做不到的。


生活大爆炸中某一集投射出的小地球




下图就是SLM阵列设备,绝对是烧钱啊!



不仅仅是成本,计算全息所需的计算量极大,立体比平面的计算量更大,学者们提出了很多算法,类似于切片法、查表法等等,但是无论如何要动态演示对目前的计算机都是个严峻考验(这里说的计算机是至少64核内存128G的工作站,家用计算机就不必考虑了)。



上图是一张二维全息图,举个例子:这幅图面积只有几毫米,所以用CCD放大了。是不是觉得有些失望?这能叫全息?但现实就是,这是货真价实如假包换的全息。增加点阵数量(就是多花些成本)可以提高清晰度,使用三基色组合可以实现彩色,这些都实现了,只不过效果比电影里的视频中的差太远太远了。


我们再来看下图这个例子。




能做到上图这个效果,已经使用了240亿个像素点……


其实裸眼3D动态显示技术不只全息一项,不少其他技术目前实现的效果已经可以商业应用(如舞台和展会),而且被有意无意地冠以“全息”之名罢了。但是从前景看,最诱人的还是全息技术。下面我们就来科普一下那些伪全息裸眼设备。


投影机(显示屏)+半透膜的形式



这类技术其实与大家平时看到的投影机+幕布放映方式没有本质区别,只不过幕布换成了半透明的薄膜。关键就是那层半透明的薄膜。一方面要保证部分光可以透过,幕布后面的物体可以看得见;另一方面要有一定的漫反射,能够将投影上去的图案让大家看得到。在环境光很暗的条件下,薄膜几乎看不见,投影出的图案就像悬在空中,很科幻。




此类装置多见于舞台和展览,最广为人知的便是初音未来演唱会。这项技术的典型变种就是今年央视春节晚会上李宇春的节目,使用的叫做“45°投影膜”,原理图如下:



地面上有一个屏幕,然后钢架上架设一个45°倾斜的半透半反膜,其实根据初中物理学到的光学知识,大家就会明白,把半透半反膜当做一个镜子,那么地面屏幕上显示的东西恰好会被反射到观众的眼睛里,看起来就像是立着的。在环境光很暗的情况下,效果还是很惊艳的。


下图就是舞台在布置反射膜时候的施工图:


投影机(显示屏)+高速转镜
上面第一类装置其实并没有实现真正的立体显示,本质上与我们看2D电影没有区别,实际上没有立体效果,而且最佳观看角度是有限的,并非360°全景。


在此原理基础上继续考虑,45°反射的装置改进一下,如果在各个角度都加一个类似的反射薄膜或者反射镜,而且各个角度反射的光,恰好是人眼在这个位置应该看到的物体的样子,不就实现360°立体显示了吗?


现实中的确实现了这样的装置,投影机(或者屏幕)计算好不同角度应该显示的物体的样子,然后在中央设置一个高速旋转的镜子,将光反射出去。这样无论人在哪个角度观察,由于视觉暂留作用,都会看到物体真实的样子,仿佛一个真实物体悬在半空中。



不过装置一定要加透明罩的,否则镜子甩出来可就麻烦了……这项技术效果上其实是目前最接近于科幻电影中“全息投影”的样子,但是不能用手摸。


视觉障壁(Parallax barrier)



另一项就是大家津津乐道的任天堂3DS采用的特殊屏幕。大家都有看3D电影的经验,每个人佩戴一副3D眼镜,电影院提供的是偏振式,家用的往往是红绿或者红蓝眼镜,其实原理上都是让左右眼视觉信号隔绝,分别看到不同的、有一定视差的影像,从而产生立体效果。


在屏幕前要通过裸眼方式实现左右眼视觉信号的隔绝,要使用到视觉障壁技术。其实就是在LCD屏幕前加上一层挡光的“栅栏”,设计宽度和位置恰好让左眼与右眼接收不同的光线,如下图所示:



这样一来,裸眼就实现了以前需要佩戴眼镜才能实现的3D效果。当然从上图可以看出,这项技术对眼球的位置要求很高。

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