张艺谋的《天鹅湖》用了“全息技术”？非也！

本文为网易科学专稿，“科学人”网易科学旗下深度原创类栏目。投稿请联系：mike300@126.com

本期作者:摩摩尔

老谋子张艺谋最近又火了一把，G20峰会期间他所导演的文艺晚会《最忆是杭州》获得了中外媒体的如潮好评，而在晚会上演的九个节目中，最让小编过目难忘的是将经典芭蕾舞与虚拟影像技术完美结合的《天鹅湖》，据张艺谋的介绍，这种影像技术通常使用在室内表演，但用在室外并且是在水面上的环境中尚属首次，而这场演出的难度更是堪比奥运会开幕式。

在各路媒体关于《天鹅湖》的报道中，小编注意到大部分都认为张艺谋所使用的是“全息影像技术”，但实际上这只是有着“伪全息”之称的“佩珀尔幻象”技术，它与真正的全息影像技术大相径庭，为了以正视听，小编觉得有必要跟大家科普一下这两种虚拟影像技术之间的区别。

全息影像技术：仍处于概念阶段

英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·盖伯（Dennis Gabor）在1947年提出了名为“全息摄影术（Holography）”（以下简称“全息术”）的全新成像概念，并于1971年凭借该技术获得诺贝尔物理学奖。全息术利用光的干涉和衍射原理，以条文形式记录物体发射的特定光波，并在特殊条件下使其重现，形成逼真的三维图像，图像上记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以称之为“全息术”，意为“包含了全部信息”。

“全息术”的技术原理主要分为“拍摄”和“成像”两个步骤。在拍摄过程中，利用光的干涉原理记录物体的光波信息，被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束，另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图（也叫“全息照片”）。

而在成像的过程中，则利用光的衍射原理再现物体光波信息，全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象（原始象和共轭象）。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

如果你觉得上面的描述比较枯燥的话，看下小编给出的简单概括吧。“全息术”是一种利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的成像技术，这种技术可以实现裸眼3D，观众可以看到立体的虚拟人物。换句话说，全息术可以在空气里显示出影像，观众即便更换角度也不影响清晰度，而且人体能穿透画面走过去。这种技术在科幻巨制《星球大战》中出现的频次非常多，大家不妨自行脑补一下诸多角色通过全息影像相隔几个星系进行实时语音通讯的场面。

作为一项未来感极强的影像技术，全息术所使用的设备器材价格非常昂贵，同时对于技术的要求也非常苛刻，全息图像的计算量远远超过平面图像，学者们甚至为此提出了诸多算法（如切片法和查表法等）。此外，如果我们希望物体看起来真实的话，还需要综合考虑周围的灯光、舞台与观众的距离、物体的比例大小等因素。所以目前全息术基本上仍处于概念和实验阶段，而如今我们所看到的那些在舞台上展现的“全息投影”实际上是通过“佩珀尔幻象”来实现的。

佩珀尔幻象：“伪全息”的集大成者

由于佩珀尔幻象所达到的视觉效果与全息术类似，致使许多人将两者混淆在一起（貌似连老谋子都给弄错了），尤其是国内许多媒体在报道时也经常将它们混为一谈，简直是“假作真时真亦假”的节奏，实际上它们却是两种完全不同的技术。

客观讲，佩珀尔幻象是一种“伪全息”技术，该技术以让其风靡全球的伦敦理工学院工程师约翰･亨利･佩珀尔（John Henry Pepper）的名字命名，这种在舞台上与某些魔术表演相结合而产生幻觉的技术简单易行，仅仅通过一面平坦的玻璃与特定的光源就能在舞台上实现使物体突然出现或消失，或者是变形成其他物体的效果。

来看下佩珀尔幻象的技术原理。一块玻璃面向45度视线角度倾斜，在玻璃左下角观众视野外的一个演员扮演幽灵，在他身后由右下角投射照射光线，此时会有约10%的入射光被反射向观众，剩余的90%的光线则会透过玻璃。由明亮光照经反射后投向观众的那部分光线会在观众眼中呈现影像，观众由于视觉习惯，会认为影像是由“幽灵”所在的舞台位置经直线传播到他们眼中的，所以便相信是幽灵出现在了舞台上。如今，为了让观众眼中的幻象更加接近真实，许多舞台在搭建时会把透明玻璃换成单向透光性更好的全息膜，全息膜的一侧涂有特殊涂层，可以大大减少一侧光线的投射率，在保持清晰反射前方影像光线的同时，让背面背景图像清晰投射，这样观众看到的几乎是全部的发射虚像和清晰的背景，此外如果光源是纯黑背景的人像投影，观众眼里的真实感将会更强。

下面我们就用好莱坞视觉特效团队数字王国（Digital Domain）在2012年的美国摇滚音乐节上把已经过世16年的美国传奇饶舌歌手Tupac复活的案例，来讲述下佩珀尔幻象是如何“欺骗”你的眼睛的。

从上图可以看出，整个投影系统位于舞台前方，投影机在舞台的前上方，舞台前下方的地面被设计成高亮度的投影发射面，将要投影的素材成像在反射面上。从舞台台口斜向上到舞台前上方之间是一张用于反射投影的全息膜，Tupac的影像首先被投射到反射面上，然后呈现在全息膜上，最终在舞台上形成幻象，从观众角度看过去，就感觉像是Tupac身在舞台上一样（下图）。

除了Tupac之外，通过“佩珀尔幻象”复活的传奇人物还有“流行音乐之王”迈克尔･杰克逊和“情歌天后”邓丽君，下面这段视频是杰克逊在2014年通过虚拟影像技术在Billboard颁奖礼上亮相表演遗作《Slave To The Rhythm》，我们来一起感受下这如同神迹般的现场吧！

经过小编的分析，张艺谋的《天鹅湖》同样使用了“佩珀尔幻象”这种“伪全息”技术，而并非真正的全息术。从舞台的设计可以明显看出反射面和全息膜所在的位置，仔细看不难发现反射面上的图案和全息膜上显示出来的图案是一模一样的，只不过反射面上的图案要更长一些（这是为了保证全息膜上显示出正常比例的图案），所以小编推断投影机应该安置在舞台的正上方，而整个舞台的结构和下图类似，这实际上就是不折不扣的“佩珀尔幻象”技术在舞台设计中的应用。

现状PK：“佩珀尔幻象”技术完胜

经过以上分析，大家应该已经明白了“全息术”和“佩珀尔幻象”之间的区别了，简言之，“全息术”是一项利用光的干涉和衍射原理来将物体的三维影像重现的技术，而“佩珀尔幻象”则是利用光的反射原理和人类视觉的错觉来实现的一种舞台展示技术。

“佩珀尔幻象”技术目前已经被广泛应用在舞台表演、产品展示和发布会等领域，尤其是在舞台上，通过这种技术不仅可以复活那些已经不在人世的传奇巨星，同时还能通过各种创意编排，将舞台的视觉效果提升到一个新的高度。而“全息术”目前还停留在概念阶段，许多科学家还在为“全息术”走向民用不懈努力着，如果从普及程度来看，门槛较低的“佩珀尔幻象”技术完胜“全息术”。

不过全息术近年来也得到较大发展，去年就有一支来自韩国的研究团队成功制造出世界首例360度彩色全息图（下图）。若干台装置通过一系列高性能彩色激光投射出3英寸的全息图像，并且在各种颜色激光互不干扰的情况下衍射出复杂的颜色，虽然演示的形象非常简单，只是一个彩色的魔方，但是这个魔方可以从任何角度进行观看。不要小看了这个只有3英寸大小的全息图像，为了完成它，来自16个不同领域的科研人员参与了这个项目，花了整整两年时间和大量资金才研发完成，所以“全息术”委实不是盏省油的灯，要想实现《星球大战》中的情景，尚需时日。

结语

尽管“全息术”的技术难度要远远高于“佩珀尔幻象”，未来的使用场景、拓展性和想象空间也要更广，但目前的宠儿显然是“佩珀尔幻象”技术，至少它已经让我们体验到虚拟影像技术的神奇之处，正所谓“能抓到耗子的猫才是好猫”，也难免“佩珀尔幻象”的风头能在现阶段盖过“全息术”，甚至有取而代之的趋势。

当然，即便“佩珀尔幻象”是一种“伪全息”技术，但它说到底也不过是一种舞台展示手段而已，最重要的还是舞蹈创意、演员配合、影音灯光等人为因素，我相信即便柴可夫斯基在世，他看到张艺谋版本的《天鹅湖》，仍然会拍手称赞，毕竟大家并不在意你是通过什么技术来实现的，只要能过足眼瘾就够了！只不过小编想提醒的是，媒体同行们在报道此类事件之前，可否先做做功课，把这些前沿的技术搞搞清楚再落笔，尽量不要人云亦云以讹传讹，否则网友们还真以为我们已经进入“全息时代”了呢！

作者介绍:摩摩尔,“时事科学”非资深玩家|公众微信：imomoer

网易科学上期文章：白银案告破 解密立头功的"Y-STR检测技术"