雖然虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)充滿了未來(lái)感，但是它們并不是新鮮事物。20世紀(jì)90年代，VR技術(shù)曾伴隨著三維顯示技術(shù)的爆發(fā)而紅火一時(shí)，并被諸多領(lǐng)域所關(guān)注。1995年，日本任天堂公司發(fā)布了著名的革命性VR游戲產(chǎn)品“虛擬男孩”（VirtualBoy），瞬間成為當(dāng)年最受關(guān)注的科技產(chǎn)品之一。然而，由于圖像質(zhì)量不理想、產(chǎn)品售價(jià)昂貴、時(shí)間延遲較大和生態(tài)內(nèi)容不夠豐富等問(wèn)題，早期的VR產(chǎn)品均未取得顯著的成績(jī)，第一次VR浪潮也隨之轉(zhuǎn)入低谷。進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)均得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能已經(jīng)足以支持圖形質(zhì)量更高、時(shí)間延遲更小的VR/AR產(chǎn)品。2008年蘋(píng)果公司的iPhone發(fā)布后，智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了空前的發(fā)展。智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促使顯示器件和傳感器價(jià)格下降、尺寸縮小和性能提高，為VR/AR產(chǎn)品的普及奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2012年4月，谷歌公司聯(lián)合創(chuàng)始人Brin佩戴谷歌眼鏡空降發(fā)布會(huì)，宣告了谷歌眼鏡的正式亮相。作為2012年最具關(guān)注度的科技產(chǎn)品之一，谷歌眼鏡成功開(kāi)啟了新一輪的VR熱潮。隨后，其他科技巨頭也迅速跟進(jìn)，積極投身于VR技術(shù)的研發(fā)，并在此基礎(chǔ)上將AR和混合現(xiàn)實(shí)（mixed reality，MR）等技術(shù)也帶入了快速發(fā)展的軌道。隨著VR/AR技術(shù)的快速發(fā)展，VR/AR產(chǎn)品的使用場(chǎng)景已擴(kuò)展到許多領(lǐng)域，如視頻、游戲、工程、軍事、教育、醫(yī)療、房產(chǎn)和零售等。許多企業(yè)搭上了VR/AR發(fā)展的東風(fēng)，在品牌效應(yīng)和資本投資等方面都獲得了巨大的成功。

由于VR/AR廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和巨大的市場(chǎng)價(jià)值，因此得到了來(lái)自消費(fèi)者和產(chǎn)業(yè)界共同的關(guān)注，并被認(rèn)為是最有可能成為繼個(gè)人電腦和智能手機(jī)后的“下一代計(jì)算平臺(tái)”。為緊跟時(shí)代發(fā)展，在“下一代平臺(tái)”到來(lái)之前站穩(wěn)腳跟，各行業(yè)的領(lǐng)袖企業(yè)都積極行動(dòng)，以求在VR/AR產(chǎn)業(yè)中占有一席之地。

總體上，目前VR/AR產(chǎn)業(yè)布局可以分為硬件和內(nèi)容兩大部分。其中，硬件部分可分為感知、處理、反饋和整機(jī)集成4大板塊，內(nèi)容部分則涵蓋了視頻、游戲、直播等諸多方面。圖1展示了如今VR/AR的產(chǎn)業(yè)布局情況及各主要領(lǐng)域內(nèi)的代表性企業(yè)。在硬件領(lǐng)域，美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)***處于領(lǐng)跑地位；在內(nèi)容領(lǐng)域，美國(guó)、日本和中國(guó)大陸則稍稍領(lǐng)先。

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圖1 ?國(guó)際企業(yè)在VR/AR行業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)

目前，VR/AR產(chǎn)業(yè)布局雖然已經(jīng)較為完善，但是無(wú)論從技術(shù)上還是市場(chǎng)上，對(duì)比個(gè)人電腦和智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)，VR/AR產(chǎn)業(yè)僅停留在初級(jí)發(fā)展階段?！俺跫?jí)”主要體現(xiàn)在硬件成本高、產(chǎn)品售價(jià)貴、內(nèi)容質(zhì)量偏低和市場(chǎng)容量較小等4個(gè)方面。隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的下降以及內(nèi)容的進(jìn)一步豐富，VR/AR產(chǎn)業(yè)一定會(huì)在將來(lái)迎來(lái)更大的發(fā)展。據(jù)美國(guó)高盛集團(tuán)預(yù)計(jì)，2025年時(shí)，VR/AR產(chǎn)業(yè)每年創(chuàng)造的價(jià)值將達(dá)800億美元。其中，硬件領(lǐng)域創(chuàng)造的價(jià)值接近450億美元，主要集中在頭盔顯示器件（head mount display，HMD）、處理器、追蹤系統(tǒng)和觸覺(jué)反饋等4?個(gè)方面；軟件領(lǐng)域創(chuàng)造的價(jià)值約為350?億美元，主要集中在游戲、視頻和直播等領(lǐng)域（圖2）。目前，中國(guó)需及時(shí)掌握VR/AR產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)、緊跟產(chǎn)業(yè)步伐、加大產(chǎn)業(yè)投入，才能保持具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VR/AR產(chǎn)業(yè)的健康和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中的顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的區(qū)別

要了解目前主流VR/AR產(chǎn)品使用的技術(shù)方案，就有必要對(duì)VR/AR進(jìn)行區(qū)分。VR產(chǎn)品可以讓使用者置身于不同于現(xiàn)實(shí)的另一個(gè)世界中。這個(gè)世界，可以是完全由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬世界（如游戲、電影中的場(chǎng)景），也可以是不在眼前的真實(shí)世界（如體育直播）。AR產(chǎn)品則是讓使用者看清眼前真實(shí)場(chǎng)景的同時(shí)，再看到一些真實(shí)世界中不存在的事物。一般來(lái)說(shuō)，VR產(chǎn)品屏幕不透明，而AR產(chǎn)品則使用可以透光的屏幕

除VR/AR概念以外，近年來(lái)還涌現(xiàn)出了許多新的相關(guān)概念，如混合現(xiàn)實(shí)（mix reality，MR）和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（extended reality，XR），例如，微軟公司將自主開(kāi)發(fā)的頭戴產(chǎn)品Hololens稱為MR產(chǎn)品，而沒(méi)有將其歸類(lèi)為AR產(chǎn)品。從本質(zhì)上看，MR產(chǎn)品是一種更高形態(tài)的AR產(chǎn)品，該產(chǎn)品允許使用者在真實(shí)世界中與虛擬信息進(jìn)行交互，從而將顯示內(nèi)容變得更加貼近現(xiàn)實(shí)。XR則是由美國(guó)高通公司提出的另一全新概念，認(rèn)為XR技術(shù)涵蓋了VR、AR和MR等技術(shù)，使用者可以根據(jù)自己的意愿選擇真實(shí)世界和虛擬世界的融合程度，在各種模式間進(jìn)行自由切換。從原理上來(lái)說(shuō)，這些全新概念都可以歸類(lèi)在VR/AR概念中（圖4）?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，VR/AR技術(shù)將在未來(lái)相互融合，設(shè)備將能夠智能地從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式，因此，本文對(duì)這些概念將不做詳細(xì)區(qū)分，統(tǒng)一以VR/AR描述。

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主流虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品方案

1、基于雙目視覺(jué)的VR/AR?產(chǎn)品

以美國(guó)谷歌公司的DaydreamVR、三星電子的Gear VR、HTC?集團(tuán)的HTC Vive、索尼電子的PlayStation VR?以及Oculus?公司的Oculus Rift?等多種頭戴式VR產(chǎn)品為代表的雙目視覺(jué)VR產(chǎn)品，是當(dāng)前最為主流的VR?顯示系統(tǒng)，其主要目的是創(chuàng)造沉浸式的立體體驗(yàn)。其原理如圖5所示，有2種主要實(shí)現(xiàn)方法，圖5（a）為菲涅爾透鏡解決方案，是當(dāng)前最為常見(jiàn)的方案。VR產(chǎn)品中兩塊屏幕（或一塊屏幕的左右兩部分）顯示兩幅稍有不同的圖像，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡后到達(dá)人眼。兩幅稍有不同的圖像經(jīng)過(guò)大腦處理后融合，給人以立體的沉浸感受。圖5（b）為柱透鏡解決方案，在常用VR產(chǎn)品中已不十分常見(jiàn)。待顯示的圖像經(jīng)過(guò)處理后，得到對(duì)應(yīng)于左右兩個(gè)視角的不同圖像。將得到的圖像在顯示屏上以一定規(guī)律排列，使左右視角對(duì)應(yīng)圖片分別進(jìn)入人眼，經(jīng)過(guò)大腦處理后融合，便可獲得立體體驗(yàn)。

以微軟Hololens、Atheer?為代表的雙目視覺(jué)AR?產(chǎn)品，其基本原理與雙目視覺(jué)VR產(chǎn)品十分相似。不同的是，當(dāng)雙目視覺(jué)原理應(yīng)用于AR產(chǎn)品時(shí)，需要保證人眼看到顯示器顯示圖像的同時(shí)能夠看到外界環(huán)境。為了達(dá)到這一目的，可以通過(guò)設(shè)計(jì)光路使顯示虛擬環(huán)境的屏幕與觀察真實(shí)環(huán)境的視窗互不重合，也可以直接采用透明的顯示器件使虛擬場(chǎng)景和真實(shí)環(huán)境均可以通過(guò)顯示器件。圖6展示了一種使用波導(dǎo)器件和全息光學(xué)元件（holographic optical elements，HOE）的AR?產(chǎn)品。微顯示器加載需要顯示的圖像，通過(guò)自由曲面元件耦入波導(dǎo)，并傳播至全息光學(xué)元件處。全息光學(xué)元件既可以讓外部環(huán)境光線進(jìn)入人眼，也可以使經(jīng)波導(dǎo)入射的光線衍射進(jìn)入人眼，并最終實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的疊加。

為了獲得現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)動(dòng)視差效果和遮擋效果，使VR/AR體驗(yàn)更為逼真，基于雙目視覺(jué)的VR/AR產(chǎn)品常常需要在重力感應(yīng)器和陀螺儀等元件的配合下才能正常使用。然而，使用該類(lèi)型產(chǎn)品時(shí)，由于人眼的會(huì)聚點(diǎn)和調(diào)焦點(diǎn)不在一起，不可避免地會(huì)產(chǎn)生輻輳—調(diào)焦沖突（圖7）。長(zhǎng)期佩戴該類(lèi)產(chǎn)品，可能會(huì)感到眩暈、疲勞等感覺(jué)，使用感受不是十分理想。

2、基于光場(chǎng)顯示技術(shù)的VR/AR?產(chǎn)品

以Magic Leap?公司的Magic Leap One?為代表的VR/AR產(chǎn)品運(yùn)用的是光場(chǎng)顯示技術(shù)，其原理如圖8所示。為了獲取待顯示圖像的光場(chǎng)信息，一個(gè)由眾多微透鏡組成的透鏡陣列被放置于場(chǎng)景和相機(jī)中間；每個(gè)微透鏡均能形成待顯示圖像不同方位視角的微小圖片；當(dāng)透鏡陣列中微透鏡的數(shù)量足夠多，相機(jī)像素足夠小，可以認(rèn)為相機(jī)記錄的是待顯示圖像經(jīng)過(guò)微透鏡陣列后的光場(chǎng)信息；根據(jù)光路可逆原理，當(dāng)這些微小圖片經(jīng)顯示器件加載并再次經(jīng)過(guò)透鏡陣列后，便可以恢復(fù)記錄的待顯示圖像。

基于光場(chǎng)顯示技術(shù)的VR/AR產(chǎn)品無(wú)需相干光源，可以顯示動(dòng)態(tài)三維圖像。與基于雙目視覺(jué)的產(chǎn)品相比，基于光場(chǎng)顯示的產(chǎn)品具有更好的運(yùn)動(dòng)視差和遮擋效果。然而，使用一般的顯示器件時(shí)，產(chǎn)品分辨率比較低，深度范圍也比較小。Magic Leap的創(chuàng)新之處在于使用了一種名為fiber optic projector的核心技術(shù)。這種“投影儀”與傳統(tǒng)意義上的顯示器件相比尺寸小且功耗低，因此Magic Leap One可以顯示出比市面上其他基于光場(chǎng)顯示的VR/AR產(chǎn)品更高分辨率的圖像。但目前仍舊沒(méi)能完全解決分辨率下降和輻輳—調(diào)焦沖突等問(wèn)題。

基于全息光學(xué)的VR/AR?解決方案

全息技術(shù)的原理

為了解決基于雙目視覺(jué)與光場(chǎng)顯示技術(shù)的VR/AR產(chǎn)品解決方案的不足之處，基于全息光學(xué)的VR/AR解決方案目前受到了更多的關(guān)注。全息技術(shù)是一種利用干涉條紋實(shí)現(xiàn)三維物體再現(xiàn)的技術(shù)。干涉條紋中的振幅和相位信息，在參考光的照射下，可在空間中完整重建。由于重建的是物體的“全部信息”，因此這種技術(shù)被形象地稱為“全息術(shù)”。全息光學(xué)完整工作流程分為“干涉記錄”和“衍射再現(xiàn)”兩步，其原理如圖9所示。

假設(shè)物光波和參考光波分別用O(x,y)?和R(x,y)?表示，它們?cè)谌⒂涗浢娓缮姣B加后，光強(qiáng)分布式為

I(x,y)=|O(x,y)+R(x,y)|2=O(x,y)2 +R(x,y)2 +O*(x,y)R(x,y)+O(x,y)R*(x,y)（1）

式中，O(x,y)2?和R(x,y)2?只包含強(qiáng)度信息，不包含相位信息，可以被視為常數(shù)項(xiàng)，與待顯示圖像的重建無(wú)關(guān)；O*(x,y)R(x,y)?和O(x,y)R*(x,y)既包含強(qiáng)度信息，又包含了相位信息，能將物光波的場(chǎng)分布轉(zhuǎn)換成干涉條紋的強(qiáng)度分布，被稱為干涉項(xiàng)，將參與待顯示圖像的重建。其中，O(x,y)R*(x,y)?參與重建的光場(chǎng)信息和原物光波O(x,y)比較，僅僅是振幅信息不同，相位信息完全相同，因此觀察者可以通過(guò)觀察這一部分光場(chǎng)信息，發(fā)現(xiàn)待重建圖像的虛像；O*(x,y)R(x,y)?和O(x,y)R*(x,y)對(duì)稱共軛，觀察者通過(guò)觀察這一部分光場(chǎng)信息，可以看到待重建物體的實(shí)像。

計(jì)算全息技術(shù)

在某一全息系統(tǒng)中，若全息圖的記錄、重建過(guò)程都是通過(guò)光敏材料實(shí)現(xiàn)，則這樣的全息系統(tǒng)稱為光學(xué)全息系統(tǒng)。然而，由于實(shí)驗(yàn)中使用的膠片等光敏材料多為一次性材料，一般不可反復(fù)擦寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只要實(shí)驗(yàn)臺(tái)稍微晃動(dòng)，就可能導(dǎo)致干涉條紋出現(xiàn)偏差，從而影響重建像的準(zhǔn)確性。此外，實(shí)驗(yàn)完成后，為了得到全息圖，還需對(duì)膠片采取顯影、定形和晾干等措施，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)漸漸可以代替全息干板實(shí)現(xiàn)干涉條紋的記錄，這種技術(shù)被稱為計(jì)算全息技術(shù)，由Kozma等在1965年提出。計(jì)算全息優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：第一，通過(guò)計(jì)算機(jī)生成全息圖，避免了全息圖記錄過(guò)程中實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)操作因素對(duì)于全息圖質(zhì)量的影響；第二，生成的全息圖可以存儲(chǔ)為各種圖片格式，與光學(xué)全息相比，全息圖的復(fù)制、傳播和攜帶都更加容易，并且隨時(shí)可以使用計(jì)算機(jī)再現(xiàn)驗(yàn)證全息圖的正確與否；第三，計(jì)算全息既可以記錄實(shí)際物體，也可以通過(guò)Auto CAD、SolidWorks等三維建模軟件記錄實(shí)際并不存在的物體，對(duì)于待重建物體的選擇擁有極高的自由度。而在衍射重建過(guò)程中，為了加載全息圖，計(jì)算全息技術(shù)常常需要配合空間光調(diào)制器一起使用。

用于VR/AR?系統(tǒng)的計(jì)算全息裝置示意如圖10所示。待顯示虛擬場(chǎng)景的全息圖經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置上傳至空間光調(diào)制器。當(dāng)參考光照射空見(jiàn)光調(diào)制器時(shí)，衍射光場(chǎng)可以經(jīng)分束鏡到達(dá)人眼。而外界真實(shí)環(huán)境則通過(guò)分束鏡的另一通光方向進(jìn)入人眼。

基于全息技術(shù)的三維顯示方案系統(tǒng)緊湊、無(wú)串?dāng)_和深度反轉(zhuǎn)、不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，是當(dāng)前較為理想的VR/AR解決方案。雙目視覺(jué)方案、光場(chǎng)顯示方案以及全息光學(xué)方案可以提供的三維視覺(jué)感知信息如表1所示?？梢钥闯觯⒐鈱W(xué)VR/AR方案可以提供所有類(lèi)型的三維視覺(jué)感知，并且不存在輻輳—調(diào)焦沖突，具有十分良好的觀看體驗(yàn)，是當(dāng)前備受認(rèn)可的VR/AR方案之一。

基于計(jì)算全息技術(shù)的VR/AR?新發(fā)展

由于現(xiàn)有的運(yùn)用空間光調(diào)制器來(lái)進(jìn)行全息顯示的技術(shù)空間帶寬積受限，呈現(xiàn)圖像的尺寸和觀察的視場(chǎng)角都較小，目前硬件的計(jì)算能力也僅能支持較小尺寸或較小視角的實(shí)時(shí)全息顯示。相比之下，將全息與近眼顯示相結(jié)合，只對(duì)眼睛的視場(chǎng)里顯示相應(yīng)的信息，可以提高光學(xué)重建和減輕計(jì)算的負(fù)擔(dān)，提高信息的利用率。

2014年韓國(guó)慶北國(guó)立大學(xué)Moon等提出了以LED為光源的彩色全息近眼顯示系統(tǒng)的模型，并證明了它的可行性。該系統(tǒng)是由兩個(gè)單目系統(tǒng)組成的雙目系統(tǒng)，為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊密，LED光源被耦合到多模光纖并傳輸至顯示模塊，除去光源部分，光還需經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器和傅里葉濾波器以及目鏡，最終在觀察者眼前成像（圖11）。

2015年劍橋大學(xué)的Chen等在提出運(yùn)用層析法來(lái)進(jìn)行計(jì)算全息圖計(jì)算后，運(yùn)用頭戴式顯示器的概念來(lái)驗(yàn)證新算法的計(jì)算效率和顯示圖像的交互功能，并搭建了模擬光路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)的原理如圖12所示，由空間光調(diào)制器顯示的計(jì)算全息圖經(jīng)由4f?系統(tǒng)在人眼瞳孔位置成像。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，在兩個(gè)透鏡之間還放置了物體來(lái)消除零級(jí)衍射光線，防止其聚焦在錯(cuò)誤的位置損傷眼睛，從而保證了觀察者的眼睛安全。

2017年北京理工大學(xué)劉娟團(tuán)隊(duì)提出的透視型三維近眼顯示系統(tǒng)，利用全息光柵作為頻率濾波器來(lái)提高顯示圖像質(zhì)量。光柵濾波器實(shí)際上作為4f?系統(tǒng)中頻域上的加法濾波器，4f系統(tǒng)中的輸入平面上是以一定間隔上傳到空間光調(diào)制器上的2個(gè)全息圖，當(dāng)2個(gè)全息圖之間的距離和光柵的周期滿足一定條件時(shí)，就可以在4f系統(tǒng)的輸出平面得到2個(gè)全息圖生成的復(fù)合場(chǎng)，重建的波前傳輸一定距離后就可以得到較高質(zhì)量的重建圖像（圖13）。該團(tuán)隊(duì)制作出了這個(gè)近眼顯示裝置并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)能夠生成具有深度信息的三維圖像，并且可以佩戴和觀察。

2017年劍橋大學(xué)微軟研究院Maimone等提出了基于相位型全息顯示的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在對(duì)已有技術(shù)的拓展中嘗試實(shí)現(xiàn)了可變焦和大視場(chǎng)的彩色全息近眼顯示。分別對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在顯示高分辨率彩色圖像、單像素變焦控制與擴(kuò)大視場(chǎng)角等方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖14為驗(yàn)證大視場(chǎng)與可變焦系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)光路與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

全息光學(xué)VR/AR?方案面臨的挑戰(zhàn)

全息圖生成算法

基于全息光學(xué)的VR/AR系統(tǒng)在算法和硬件兩大領(lǐng)域均要面對(duì)許多挑戰(zhàn)。其中，在算法領(lǐng)域，加快計(jì)算全息圖生成速度就是首先要面對(duì)的重要問(wèn)題。

點(diǎn)源法和面元法是生成計(jì)算全息圖的最基本算法。具體的方式是三維物體被分成許多點(diǎn)或平面基元，提供了三維場(chǎng)景的精確幾何信息。然而，VR/AR系統(tǒng)中需要顯示的三維場(chǎng)景信息量巨大，如果采用點(diǎn)源法或面元法生成計(jì)算全息圖，將會(huì)耗費(fèi)海量的計(jì)算時(shí)間，且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的要求也十分苛刻。1995年，Lucente提出了查表法（look-up table，LUT），該方法首先計(jì)算出物空間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)光源在目標(biāo)平面形成的干涉條紋，再將條紋結(jié)果存入查找表中。對(duì)物體進(jìn)行全息記錄時(shí)，只需將物空間中各點(diǎn)與表中結(jié)果進(jìn)行匹配并疊加即可，省去了一次又一次重復(fù)計(jì)算的過(guò)程，加快了計(jì)算全息圖的生成速度。但是，查表法對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量和讀寫(xiě)性能要求太高。隨后，Tomoyoshi、Kim和Nishitsuji等分別從不同角度改進(jìn)了查表法，提高了查表運(yùn)算的效率。此外，OpenCL、FPGA、分布并行處理和陣列計(jì)算等硬件加速技術(shù)近年來(lái)的快速發(fā)展也為點(diǎn)源法速度提升創(chuàng)造了條件。從現(xiàn)有的研究結(jié)果可以看出，硬件加速后的點(diǎn)源法計(jì)算速度大幅提高。同時(shí)，這些硬件加速算法對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求也變得越來(lái)越高。

為了解決點(diǎn)源法和面元法的計(jì)算速度問(wèn)題以及查表法對(duì)于硬件的依賴問(wèn)題，Trester等提出了層析法，這種算法首先需要對(duì)重建物體在空間分層得到一系列平面信息，再對(duì)所得平面信息依次進(jìn)行傅里葉變換得到計(jì)算全息圖。隨后，Sando等、Bayraktar等、Chen等和清華大學(xué)的Zhao等從不同方面改進(jìn)了層析法，解決了計(jì)算全息圖生成過(guò)程中計(jì)算量龐大、計(jì)算速度慢的問(wèn)題。然而，多數(shù)基于層析法的計(jì)算全息圖生成算法有傍軸近似，在近距離光學(xué)重建質(zhì)量會(huì)降低，在大數(shù)值孔徑系統(tǒng)中計(jì)算誤差會(huì)更嚴(yán)重。此外，三維場(chǎng)景平面的采樣間隔和全息圖平面上的采樣間隔不同，采樣間隔與計(jì)算距離和波長(zhǎng)相關(guān)。很多算法被提出用來(lái)解決采樣間隔的問(wèn)題，例如菲涅耳卷積算法，移動(dòng)菲涅耳算法和多步菲涅耳算法，然而這些算法增加了運(yùn)算量。

Li等和Shaked等使用的立體透視法是計(jì)算三維場(chǎng)景計(jì)算全息圖的另一種解決方案。這種算法的特點(diǎn)是將多視圖投影原理用在了三維場(chǎng)景的獲取上。該方法通過(guò)數(shù)碼相機(jī)或者計(jì)算機(jī)獲取三維場(chǎng)景各個(gè)角度的投影，并在所得的一系列二維圖像上加入角度偏置，反映二維圖像的位置信息。隨后對(duì)上述帶有角度偏置的二維圖像做快速傅里葉變換，并在全息面疊加、編碼，最后得到三維場(chǎng)景計(jì)算全息圖。立體透視法獲得各個(gè)角度投影圖的過(guò)程方便、快捷，計(jì)算過(guò)程也較為簡(jiǎn)單，適合用于虛擬物體的全息圖計(jì)算。但是，因?yàn)樵讷@取實(shí)際物體各方向的投影信息時(shí)，常常需要透鏡陣列的配合使用，導(dǎo)致了可投影的角度范圍較小。因此，該方法不能用于大場(chǎng)景物體的重建。

空間帶寬積的擴(kuò)展

對(duì)于基于全息原理的VR/AR系統(tǒng)，其圖像顯示效果仍然很大程度上受到空間光調(diào)制器特性的制約，其中最為突出的問(wèn)題，就是空間光調(diào)制器的像素總數(shù)決定了顯示系統(tǒng)的空間帶寬積，限制了系統(tǒng)能呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)總量，從而影響了三維圖像的分辨率。為了增加系統(tǒng)的顯示效果，研究者一般采用空間光調(diào)制器拼接技術(shù)來(lái)擴(kuò)展顯示系統(tǒng)的空間帶寬積。2008年，韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)Hahn等使用空間光調(diào)制器陣列擴(kuò)充了顯示系統(tǒng)空間帶寬積并擴(kuò)大了顯示的視場(chǎng)角；2013年，新加坡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心Lum等使用8×3的空間光調(diào)制器陣列，將全息圖的總像素?cái)?shù)拓展37×107像素。盡管空間光調(diào)制器拼接技術(shù)能夠有效提高顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)量，獲得質(zhì)量較高的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景重建效果，但是陣列系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴。因此，使用空間光調(diào)制器陣列實(shí)現(xiàn)三維顯示還面臨成本和技術(shù)瓶頸。

除了空間光調(diào)制器拼接技術(shù)，新材料技術(shù)的涌現(xiàn)為基于全息光學(xué)原理的VR/AR系統(tǒng)擴(kuò)展空間帶寬積提供了新的思路。2008年Tay等在《Nature》發(fā)表了美國(guó)亞利桑那大學(xué)的在全息三維實(shí)時(shí)顯示領(lǐng)域的研究進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了基于一種大尺寸可刷新的光折變聚合物全息顯示屏。2013年，Smalley等在《Nature》發(fā)表了“基于各向異性漏光模式耦合新型空間光調(diào)制器”，克服了現(xiàn)有空間光調(diào)制器的功能局限，實(shí)現(xiàn)偏振選擇、衍射角度擴(kuò)大等功能。2015年，Gu等在《Nature Communications》上發(fā)表了“基于石墨烯材料開(kāi)發(fā)的寬視角全彩色三維顯示技術(shù)”，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的多波長(zhǎng)光學(xué)波前調(diào)控

2016年Wang等提出了一種基于超構(gòu)表面的全息顯示。該器件中的核心材料可以被用作相位調(diào)制介質(zhì)。當(dāng)溫度介于熔點(diǎn)溫度和玻璃轉(zhuǎn)移溫度之間時(shí)，正常的Ge2Sb2Te5（GST）材料會(huì)從非結(jié)晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)。在這種溫度條件下，若有短脈沖高能量飛秒激光照射GST材料，被照射的像素點(diǎn)會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)變回到非結(jié)晶狀態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)的GST材料具有非常明顯的折射率區(qū)別。若按照需求逐點(diǎn)改變像素折射率，完整的全息圖或者三維光場(chǎng)信息就可以被寫(xiě)進(jìn)材料中。而且，如果使用一束比寫(xiě)入信息的飛秒激光能量更強(qiáng)的飛秒激光照射GST材料，原先寫(xiě)入的信息就可以被完整地擦寫(xiě)掉（圖16）。

將材料GST用于全息三維顯示時(shí)，具有現(xiàn)存選擇性激光熔化（selectivelaser melting，SLM）無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：（1）改材料最高光能利用率可達(dá)99%以上；（2）其像素間隔可以小至0.59?μm，可以帶來(lái)非常大的衍射角度，使圖像的顯示范圍更廣。但是，該材料的不足也比較明顯：（1）它對(duì)于制作和裝配的精度要求極高，微小的誤差會(huì)明顯降低顯示質(zhì)量；（2）GST材料目前的刷新效率還比較低，暫時(shí)不能完成高分辨率的實(shí)時(shí)三維顯示。

從學(xué)術(shù)界對(duì)于新型納米復(fù)合材料和新型光學(xué)調(diào)制器件的研究態(tài)勢(shì)來(lái)看，未來(lái)將會(huì)是革命性材料與器件大展身手的時(shí)代。上述體全息光學(xué)技術(shù)基于體光柵的布拉格選擇性，可進(jìn)行波長(zhǎng)、角度、偏振等多種復(fù)用記錄信息。同時(shí)，體光柵本身攜帶三維物體的相位信息，經(jīng)全息再現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)三維顯示，有望成為下一代高密度三維記錄和高分辨率三維顯示技術(shù)。

結(jié) 論

從VR/AR產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、VR/AR產(chǎn)品主流顯示技術(shù)方案、VR/AR技術(shù)與全息光學(xué)的結(jié)合點(diǎn)以及基于全息光學(xué)的VR/AR產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)等4個(gè)方面分析了全息光學(xué)VR/AR產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，并得出以下結(jié)論。

1）VR/AR產(chǎn)品被認(rèn)為是最有可能成為“下一代計(jì)算平臺(tái)”的產(chǎn)品，但仍存在硬件成本高、產(chǎn)品售價(jià)貴、內(nèi)容質(zhì)量偏低和市場(chǎng)容量較小等問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)步、價(jià)格的下降以及內(nèi)容的進(jìn)一步豐富，VR/AR產(chǎn)業(yè)一定會(huì)在將來(lái)迎來(lái)更大的發(fā)展。

2）主流VR/AR方案主要可歸為雙目視覺(jué)類(lèi)型和光場(chǎng)顯示類(lèi)型。其中，雙目視覺(jué)類(lèi)型VR/AR產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生輻輳—調(diào)焦沖突，可能會(huì)讓人有眩暈、疲勞等感覺(jué)；光場(chǎng)顯示類(lèi)型VR/AR產(chǎn)品也存在分辨率下降問(wèn)題和輻輳—調(diào)焦沖突等缺點(diǎn)。

3）全息技術(shù)的三維顯示方案系統(tǒng)緊湊、沒(méi)有串?dāng)_和深度反轉(zhuǎn)、不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，被認(rèn)為是當(dāng)前較為理想的VR/AR解決方案。將全息與近眼顯示相結(jié)合，只對(duì)眼睛的視場(chǎng)里顯示相應(yīng)的信息，可以提高光學(xué)重建和減少計(jì)算的負(fù)擔(dān)，提高信息的利用率。

4）在基于全息技術(shù)的VR/AR解決方案中，加快計(jì)算全息圖生成速度和擴(kuò)展顯示系統(tǒng)的空間帶寬積是當(dāng)前面臨的兩大挑戰(zhàn)。改進(jìn)算法技術(shù)、使用革命性的材料與器件，將是全息VR/AR的發(fā)展趨勢(shì)。