新型高性能计算机：让三维全息技术离实际应用更近！
导读
近日，日本计算机科学家们成功地开发出一种特殊用途的计算机，它能够将高质量的三维全息图像以视频的形式展现出来。
背景
科幻电影《星球大战》中出现了许多令人不可思议的高科技，“全息技术”便是其中一个典型的例子。
（图片来源：电影《星球大战》）
什么是全息技术？简单说，全息技术就是利用光线干涉与衍射原理，记录并再现物体真实的三维图像的技术。首先，它利用干涉原理记录物体光波信息，使之成为一张全息照片；然后，再利用衍射原理再现物体光波信息，使图像显示出来。
全息技术有着悠久的历史。从1960年科学家们发明首个激光器开始，许多研究都涉及到了激光全息图像。为了对这些模拟技术进行数字化处理，并开发电子全息技术以展示三维全息图像视频，“计算能力”需要达到每秒处理10帧以上的数据，而每帧包含1万亿个像素点。因此，硬件以及相应的软件开发，成为了这一领域中的最大挑战。
此外，用二维数据构建三维物体，要适当地考虑一些因素，例如：双眼视差、运动视差、辐辏角、焦距调整，并根据人的体验来展开评估。目前，普通的三维电视采用双眼视差来实现立体观测，但是儿童却不能使用这项技术，因为它有可能损伤儿童健康。这种风险来自于一种“差异”，即大脑意识到的距离不同于眼睛聚焦的距离。
这也就是著名的“视觉辐辏调节冲突”（vergence-accommodation conflict），随着时间的推移，观看者融合图像的难度将增加，从而造成眼部的疲劳和不适。接下来，让我们通过一幅图来详细解释一下：
（图片来源：参考资料【2】）
在上图中，观看真实物体与三维显示器上的虚拟物体时的情况分别位于左边和右边。 (A)、(B) 分别表示，在两种不同情况下的视线聚合距离与焦点距离。(C)、(D) 分别表示，视网膜中的观测点及其两侧图像的清晰度对比。由上图可见，(D) 表示：观测三维显示器上虚拟物体时，观测点及其两侧的图像同样清晰；(C)表示：观测真实世界物体时，两侧图像与观测点相比显得模糊不清。
由此可见，三维显示器的屏幕发出的光线，并没有体现出这种深度信息。换句话说，它并没有因为各个虚拟对象的深度不同而发出差异化的光线，却是与平面图像一样，基本上是相互一致的。可是，眼睛的焦点调节不能匹配这种深度，从而产生了“视觉辐辏调节冲突”。这与人类的正常生理规律相违背，会带来视觉疲劳和不适感。
因此，世界各国的许多研究人员，都在投入时间与精力去研究“视频全息技术”，因为视频全息技术有望让更多人安全地享受三维电视。
接下来，为了让大家对“全息技术”有一个更为生动具体的认识，先带大家回顾以往介绍过的经典案例：
1）澳大利亚国立大学的物理学家们发明了一种由超材料组成的微型纳米设备，并用它构建高质量的全息图像。
（图片来源：澳大利亚国立大学）
2）中国与澳大利亚的联合研究小组成功研制出世界上最薄的全息设备。未来，这项技术有望将三维全息显示集成到智能手机中，让人们通过裸眼观看全息图像。
（图片来源：皇家墨尔本理工大学）
3）美国亚利桑那大学研究团队开发出一种基于全息技术的创新方案，使得平视显示器具有更大的眼动范围（eye box），更便于观看。
（图片来源： Pierre-Alexandre Blanche / 亚利桑那大学）
4）韩国研究团队设计出一种三维全息显示系统，当观看者在桌面周围走动时，能同时观看完整三维影像，实现360度全方位的观看体验。
（图片来源：Yongjun Lim，韩国电子通信研究院 5G千兆通信研究实验室）
创新
今天，让我们来看看日本科学家在视频全息技术方面取得的新成果。
近日，日本计算机科学家们成功地开发出一种特殊用途的计算机，它能够将高质量的三维全息图像以视频的形式展现出来。研究团队的领头人是日本千叶大学（Chiba
University）的教授 Tomoyoshi Ito，他一直致力于开发新硬件，以提升全息投影的速度。
技术
Ito 是一名天文学家与计算机科学家，自1992年起，就开始研究用于全息技术的特制计算机，也称为“HORN”。HORN-8 采用了一种称为“振幅型”的计算方法，用于调整光线强度。在一篇于2018年4月17日发表在《自然电子学（ Nature Electronics ）》期刊上的论文中，HORN-8 被认为是全世界用于全息技术、最快速的计算机。
研究人员通过新开发的“相位型” HORN-8，实现了调整光线相位的计算机方法，成功地将全息信息通过具有高质量图像的三维视频展现出来。2018年9月28日，这项研究发表在《光学快报（Optics Express）》期刊上。
在最新“相位型” HORN-8 中，FPGA（现场可编程门阵列）板上安装了8个芯片。这种计算方法可以避免处理速度方面的瓶颈问题。在这种计算方法中，芯片之间的相互通信被阻止了。在这个方案中，HORN-8 计算速度的提高与芯片的个数成正比，所以它能更清晰地展现视频全息技术。
（图片来源：Tomoyoshi Ito）
价值
Ito 表示：“我们通过利用信息工程、电气技术、电子工程方面的知识，以及计算机科学与光学方法的学习，开发出用于三维全息技术的高速计算机。25年来，一直在我们实验室学习的学生们，付出了值得称赞的努力，展开跨学科的研究，最终实现这项成果。”
Takashi Nishitsuji，以前是 Ito 实验室的学生，现在是东京都立大学的助理教授，领导了这个实验。他表示：“HORN-8 是许多人的智慧、技能和努力的成果。我们想要继续研究 HORN，为了它的实际应用，从不同的角度尝试其他方法。”
关键字
参考资料
【1】http://igpr.chiba-u.jp/global/info/PR_ITOT_2018.html
【2】http://jov.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2122611
【3】Takashige Sugie, Takanori Akamatsu, Takashi Nishitsuji, Ryuji Hirayama,
Nobuyuki Masuda, Hirotaka Nakayama, Yasuyuki Ichihashi, Atsushi Shiraki,
Minoru Oikawa, Naoki Takada, Yutaka Endo, Takashi Kakue, Tomoyoshi
Shimobaba and Tomoyoshi Ito, “High-performance parallel computing for
next-generation holographic imaging”, Nature Electronics, vol. 258 issue
1, pp.254-259, April 2018, pp. 254–259, doi: doi.org/10.1038/s41928-018-0057-5
【4】Takashi Nishitsuji, Yota Yamamoto, Takashige Sugie, Takanori Akamatsu, Ryuji Hirayama, Hirotaka Nakayama, Takashi Kakue, Tomoyoshi Shimobaba, and Tomoyoshi Ito, “Special-purpose computer HORN-8 for phase-type electro-holography”, Optics Express Vol. 26, Issue 20, pp. 26722-26733, September 2018, doi: doi.org/10.1364/OE.26.026722
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