實現虛擬偶像的全像術 ──《知識大圖解》

2015/12/03 |

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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。

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。」

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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