元宇宙中的動態全息三維顯示：發展與挑战

發表於 2022-04-13 20:23 作者： 區塊鏈情報速遞pro

研究背景

元宇宙是一個與現實世界相互平行、彼此影響並且始終在线的數字虛擬世界。用戶可在元宇宙中生活、娛樂、學習和工作，开展虛擬購物、在线學習和博物館遊覽等活動。2021年，Facebook公司宣布更名爲Meta，計劃集全公司之力進軍元宇宙行業。這一舉動推動了元宇宙行業的爆發式發展。國內，百度公司發布了旗下首個元宇宙產品“希壤”，並通過希壤APP舉辦了百度AI开發者大會，最高可容納10萬人同屏互動。

作爲元宇宙的重要技術支撐，三維顯示可以爲元宇宙用戶提供更具沉浸感的交互體驗。三維顯示效果最爲關鍵的評價指標是三維深度线索，它泛指一切可以爲用戶提供深度感知的特徵信息，具體可分爲线性透視、遮擋、陰影、紋理以及先驗知識等心理學深度线索和雙目視差、視軸會聚、聚焦、運動視差以及遮擋變化等生理學深度线索，如圖1所示。三維顯示系統提供的深度线索越豐富，顯示畫面的立體性、真實性和沉浸性越強。全息三維顯示是一種基於波前衍射重建的三維顯示技術，可以提供所有種類的深度线索，具有優秀的三維呈現能力，在元宇宙領域具有十分廣闊的應用前景。

圖1 三維顯示中的各類三維深度线索

主要內容

作者首先介紹了計算全息技術的發展歷史和重要節點。隨後，分析了高質量全息動態三維顯示面臨的挑战，介紹了已有的解決方案，比較了各類方案的優勢與不足。最後，分析了高質量全息動態三維顯示的未來研究方向，包括低噪聲全息圖的獲取、像質優化和畸變校正技術的开發以及三維內容源的構建，並對三維顯示在元宇宙中的應用進行了展望。

• 計算全息技術的發展歷史和重要節點

計算全息技術的發展簡史可以由圖2概括。自1966年德國科學家Lohmann等人提出該技術至今，計算全息的發展一直呈現出“軟硬並進、交替上升”的局面。在理論模型和計算方法領域，計算全息的研究目標是尋找波前重建精確度更高的物理模型、开發更具實時性的全息計算方法；在調制器件和硬件系統領域，計算全息的研究目標是設計並制造高分辨率的快速調制器件、構建更高空間帶寬積的全息顯示系統。可以預見，計算全息技術在未來仍會沿着這兩大方向繼續开拓。

圖2 計算全息技術的發展簡史和代表性節點

• 高質量全息動態三維顯示面臨的挑战和解決方案

爲了使用戶在賽博空間中沉浸式的瀏覽和交互，元宇宙應用對三維顯示的質量提出了極高的要求。對於動態三維計算全息顯示而言，當前的挑战集中在三個方面：第一，計算全息圖重建質量受限；第二，調制器件性能參數受限，顯示系統存在調制誤差；第三，三維內容源匱乏，全息顯示展示度不足。圍繞上述問題，當前計算全息領域的研究者展开了以下研究：

• 設計低噪聲的全息圖計算方法

全息圖的優化是計算全息的重要研究方向，其目的是降低全息計算中的噪聲、提升全息重建質量，具體可分爲隨機相位優化法、迭代優化法和深度學習優化法等三大類[1, 4]，各類方法的優缺點如表1所示。

表1 全息圖優化方法的性能對比

• 开發像質優化和畸變校正技術

全息圖的光學重建質量會受到光學元件制造精度和裝配精度的影響。通過像質優化和畸變校正技術消除全息重建中的誤差，可以避免光學元件的重新安裝與調整，比較適合用在集成度較高的全息顯示系統中。像質優化和畸變校正技術具體可分爲基於波前補償的優化方案、基於澤尼克系數的補償方案和基於相移測量的補償方案等三大類[2]，各類方案的優缺點如表2所示。

表2 全息畸變校正方案的特點對比

• 獲取三維內容源，構建高帶寬三維顯示系統

當前的三維視頻內容通常根據雙目視覺原理渲染，難以直接應用於計算全息三維顯示中。獲取適用於全息顯示的三維內容是目前計算全息面對的重大課題。常用的三維內容獲取方法有建模法、拍攝法和二維轉三維法[3]，各類方法的優缺點如表3所示。

表3 三維內容源生成方法的特點對比

總結與展望

動態全息三維顯示未來的發展方向主要包括：設計低噪聲的全息圖計算方法，實現高質量、低噪聲的全息重建；开發高精度的波前畸變校正技術，實現高復現、無畸變的全息顯示；开發高速度、易兼容的三維內容制作方法，實現全息三維內容庫的擴展。隨着器件、算法和系統的不斷發展與突破，動態全息顯示作爲視覺友好的真三維顯示技術，將爲元宇宙平台的發展與完善提供有力支撐。

作者介紹

通訊作者

何澤浩

何澤浩，男，博士，清華大學精密儀器系博士後。2021年獲得清華大學光學工程專業博士學位。2021年度博士後創新人才支持計劃入選者，2021年度清華大學“水木學者”計劃入選者。研究方向包括三維顯示、計算全息及全息通訊等。

第一作者

曹良才

曹良才，清華大學精密儀器系教授、博士生導師，國際光學工程學會（SPIE）會士和美國光學學會（OPTICA）會士，教育部長江學者特聘教授。2005年獲得清華大學光學工程專業博士學位，畢業後留校工作至今，加州大學聖塔克魯茲分校和麻省理工學院訪問學者，研究方向主要爲全息光學成像與顯示技術。

參考文獻

[1] He Z, Sui X, Zhang H, et al. Frequency-based optimized random phase for computer-generated holographic display [J]. Applied Optics, 2021, 60(4): A145-A154.

[2] He Z, Sui X, Jin G, et al. Distortion-correction method based on angular spectrum algorithm for holographic display [J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15(11): 6162-6169.

[3] He Z, Sui X, Cao L. Holographic 3D display using depth maps generated by 2D-to-3D rendering approach [J]. Applied Sciences, 2021, 11(21): 9889.

[4] Wu J, Liu K, Sui X, et al. High-speed computer-generated holography using an autoencoder-based deep neural network [J]. Optics Letters, 2021, 46(12): 2908-2011

撰稿人：何澤浩 曹良才

單位：清華大學

標題：元宇宙中的動態全息三維顯示：發展與挑战

地址：https://www.coinsdeep.com/article/2291.html

鄭重聲明：本文版權歸原作者所有，轉載文章僅為傳播信息之目的，不構成任何投資建議，如有侵權行為，請第一時間聯絡我們修改或刪除，多謝。