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實現虛擬偶像的全像術 ──《知識大圖解》

看看最新科技如何用光線重現3D物體,甚至使其更逼真!

本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號),全見版請點擊圖片放大。

本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號),全見版請點擊圖片放大。

全像術(hologram)的原理與用環繞音效錄製交響樂十分類似──聲音一旦被錄下,就算請不到交響樂團來演奏,我們仍能一遍又一遍地重現音樂。

全像術記錄的不是聲音,而是光被物體散射所形成的干擾圖形。如此我們便可事後重製散射光,製造出該物體實際存在的錯覺。捕捉全像需要雷射光源,最常使用的是紅色的氦氖雷射。先以分光鏡將光束分開,接著每道新的光束會循不同路線照射在全像記錄盤上。第一道光束──物射束(object beam)會照射在物體本身,第二道則照射在記錄盤上,作為製作干擾圖形的參考依據。

每道光束在抵達目標以前,都會通過一個鏡片。全像記錄器的鏡片有別於照相機鏡片,其目的不是要聚光,而是散光。物射束照射在物體上時,光會反射與折射,部份光束會射往全像片的方向。物射束抵達全像片後,會與參考光束(reference beam)發生碰撞,並形成干擾圖形。光敏感化學物質所製造的微粒能忠實記錄干擾圖形,其原理就如同攝影技術。

曝光的全像片基本上比較像CD,而不像攝影負片。儲存的資訊無法光靠肉眼閱讀,它看起來更像是一連串凹凸不平的波形線條。若想觀看全像圖,我們必須將光源照射在底片上。

全像片主要分為兩種,每種觀看的方式都不一樣。觀看穿透式全像片時,我們要將單色光照透底片,藉此製造出單一顏色(通常為綠色)的浮動3D圖像。倘若是在鈔票上所看到的反射式全像片,其回彈的光線則可能是多彩的。

製造全像片的過程跟傳統攝影一樣,要慎防其他光線滲入,因此我們通常必須在暗房裡方能錄製全像片。由於大部分全像雷射為紅色,傳統暗房的紅光會破壞全像片,因此必須以綠光或藍綠光取代。

全像片對環境因子也比一般攝影敏感得多。由於要將大量資訊裝載在如此小的空間裡,雷射光只要出現細微的偏差,就可能會破壞全像。地板振動或身體動作所造成的空氣振動,甚至人的呼吸都可能干擾全像製作過程。

全像片雖然製作困難,但它所能儲存的容量卻非常不可思議。全像圖片完全是立體的,從每個角度都能觀看。影像可以縮放,而用某波長製造的全像也可以用另一波長來觀看,所製造出的全像與觀察光的波長等比例。因此理論上來說,我們只要用X光來製造全像,然後在可見光下觀看,就能做出極度微小,小至分子規模般細緻的全像。儘管理論如此,但此一概念尚未被具體實現。

全像技術所面臨的最大挑戰是製造會移動的全像;就跟攝影底片一樣,傳統全像片一旦經過曝光,影像就會固定下來。蘇格蘭公司Holoxica研發了可以儲存預錄全像影片的全像螢幕。這種螢幕的光源在後方,可以向上投射全像。螢幕允許動態變換預錄影像,藉此改變可見的投射畫面。接著只需透過簡易干擾圖形的組合,就能製造出較複雜的影像,這有點類似像素在液晶螢幕上形成影像的原理。

真正的移動全像也許尚未問世,但Musion、AV Concepts和Hologramica等公司已利用先進的數位媒體技術,創造出擬真的一比一大小3D投射影像。這幾家公司創造了虛擬樂團「街頭霸王」(Gorillaz)、讓鋼琴家與其全像分身四手聯彈,甚至讓音樂家死而復生(請見「死而復生」一欄)。

麗茲.貝瑞(Liz Berry)是3D全像投射公司Hologramica的主任,我們跟她討論到佩珀爾幻象(Pepper’s Ghost)這個古老的神奇舞台表演:「佩珀爾幻象原本用於維多利亞劇院,目的是要製造出超自然的效果。他們會在觀眾眼前放置一個被光打亮的表演者,並在表演者和觀眾之間架一塊玻璃。觀眾不知道自己正透過玻璃看著舞台,因為玻璃是透明的。而表演者的反射看起來就像是個靈異幻影。如今我們利用的則是高解析度影片,並以特殊研發的金屬薄片取代玻璃。影像會投射在地板上的隱藏螢幕,因此你只看得到金屬片上的反射,影像就這麼變出來了!」

「這種全像幻影基本上就是透過2D的高解析影片來投射成像。雖然追根究底來說,我們所製造的並非全像,但大眾還是會認為它是3D全像。有時我會想,我們應該要舉辦個命名大賽,找出比較好的名字,但我猜現在我們只能繼續用全像來稱呼它了!」

英國Beagle Media公司將這項技術作了小型應用,該公司研發了最先進的全像放映機之一:Holo。他們利用Mac Mini桌上型電腦和140公分的三星螢幕,將2D影像投射成看似3D的影像。除此之外,動作感應器也讓使用者能以手勢來即時操作物體。

錯覺技術也可用來研發可觸碰式全像。幻象玩具是經典的錯覺技術:只要將物體置於一片朝上的凹面鏡片底部,然後再蓋上另一面頂部有開口的凹面鏡。內室裡反射的光線會將影像聚焦在開口,讓物體看起來像是憑空立在上頭。

東京大學的研究人員正利用此項技術,試圖研發出可與使用者互動的全像。他們利用任天堂Wii遙控器上的紅外線感測器來追蹤手部動作,而空中的超音波訊號則負責製造微小的壓力波,藉此模擬碰觸的感覺。微軟公司也正針對Kinect感應器研發類似的技術。

這類技術的潛力無窮。全像影像不但可用於娛樂、藝術和教育,應用於媒體科學、科技設計和擴增實境的潛力也無可限量。以色列的醫生已能在手術過程中利用互動式全像,即時重製器官的模型,藉此協助手術;加拿大安大略省皇后大學的人體媒體實驗室(Human Media Lab)也在設計Skype視訊的3D版本(右下圖),目前正在研發初期。

真正的移動式全像目前看起來可能有點像1980年代的液晶螢幕,但看看如今的液晶螢幕已發展到什麼地步了。對Hologramica公司來說,這就彷彿挑戰不可能的任務:「我們可以讓車子漂浮、把芭蕾舞者變成水晶天鵝、在舞台上做出一些其他方式所無法做到的效果。正所謂眼見為憑,人們只要看著這些影像,就會完全投入其中,視其如同真實。」

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號),全見版請點擊圖片放大。

死而復生

2012年,已於1996年過世的音樂家圖派克.夏庫爾(Tupac Shakur)在柯契拉(Coachella)音樂節的舞台上加入了饒舌歌手史奴比狗狗(Snoop Dogg)跟德瑞博士(Dr. Dre)的表演,讓現場觀眾又驚又喜。

如今只需透過真實影片、電腦合成影像、替身和動作捕捉技術等數位科技,就能讓死去的表演者復活,再次回到舞台上。這種幻象利用Musion Eyeliner全像技術製造;《How It Works知識大圖解》訪問了Hologramica公司的主任麗茲.貝瑞,談談這些神奇幻象的製造與投影方法。

「要投射某個人像,你必須為該對象拍下連續且完整的全身照,作成高解析度的影片。這個任務可透過拍攝影片來達成,或你運氣很好,找到某個你的拍攝對象現有的影片。或者,你也可以運用電腦合成影像。然而,更多時候你得混合多種技術。舉例來說,當初創造出法蘭克.辛納屈(Frank Sinatra)的身影,就是混合了新舊影片,以電腦合成為擬真的全像。

「表演中的每個元素都必須看起來很逼真。燈光必須正確,這是最重要的元素。不過我認為舞台本身一開始就得謹慎設計,如此方能最有效、最優雅地佈置好眾多龐大的器材,這些器材所擺設的位置必須非常精準。有些需要考慮的事項完全屬於技術性,有些則需要創意,也需要好的影像,最後透過電腦技術將真實影像與虛擬影像毫無瑕疵地融合在一起。」

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第14期(2015年11月號)

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