“全息术”带你发现魔法世界的入口

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文 Saaally

来源：MovieWorldMap.com

从北京环球影城的开幕到哈利波特相关手游的发行，再到万圣夜的魔法装扮，这个秋天一直弥漫着浓郁的“魔法“气息。

距《哈利·波特》系列原著第一部发行已20年有余，霍格沃茨依然魅力不减。当年的小小巫师们大都已长大成人，但仍期待着某天能寻找到九又四分之三站台的踪迹，通过它进入神秘的魔法世界。而在奥兰多环球影城，人们似乎真的发现了它的入口。

站台穿墙魔法：游客正推着车穿过墙壁。来源：TwoWayMirrors.com

这神奇异象背后确有某种“魔法“原理存在——不过用我们的麻瓜通用语来说，它叫做科学。这是一种名为”佩珀尔幻象（pepper’s ghost）“的幻觉成像法。它并不复杂，却和大名鼎鼎的全息投影技术有着关键的联系。要想了解它的起源，我们需要回到一个真的曾经充满“黑魔法”的时代。

越害怕，越想看——早在数百年前，各种戏法、幻术等神秘表演就已成为人们的重要消遣途径。

主流观点认为，是科学家惠更斯（Christiaan Huygens）在17世纪正式发明了“魔灯（magical lantern）”，即幻灯机的雏形，通过透镜的组合将画片上的图像投射到某个位置。魔灯的推广和不断改良将当时的幻术表演又带到新高度。

惠更斯被认为是较早开发出魔灯的科学家。他的某张草图展示了他用魔灯演示的恐怖戏法——把头摘下来的过程。来源：wikipedia

最著名的幻术师之一、同样身为科学家的罗伯森（全名Étienne-Gaspard Robert，艺名Robertson）在昏暗的教堂废弃房间中上演恐怖秀——让观众处于封闭空间，用隐藏起来的魔灯播放逼真的鬼魂影像，配以惊悚的背景音效，成功打造了“恐怖剧院（horror theatre）”的表演形式。听起来很熟悉吧？没错，那时候就有“4D沉浸式鬼屋”了——人类喜欢找刺激已经不是一天两天了。罗伯森运用科学知识改良了魔灯，使之具有类似变焦的功能，让鬼魂和观众的互动更有空间感，并一举成名。

18世纪末至19世纪初，恐怖剧院表演风靡欧洲，并在民间认知中与神秘力量相联系。利用了人们一知半解、害怕又好奇的心理，一些江湖术士和号称有通灵术的人也以此行骗，获取钱财和声誉。

1797年罗伯森的恐怖秀现场，在当时的效果丝毫不亚于现在的“沉浸式鬼屋”，把观众们都吓坏了。这类演出掀起了恐怖剧院表演形式的风潮。来源：Wikipedia

1858年，英国科学家亨利·迪尔克斯（Henry Dircks）开发了一项新的舞台技术，通过观众席下设置的隐藏房间和灯光的巧妙配合，借助玻璃“半透半反”的特性，让演员的身影能够在舞台上“闪现”。

类似于魔术揭秘者，迪尔克斯不满于通灵骗局横行的现状，希望藉由这项更易阐明科学原理的技术让公众不再被装神弄鬼的夸张表演蒙蔽心智。他将其命名为“迪尔克斯幻境（Dircks Phantasmagoria）“。

迪尔克斯的设计中，剧场采用自然光照明，并需要让观众坐在很高的位置观看（H）。设置玻璃板（K），然后在观众席下方设置隐藏房间（L），当L房间的灯光突然照射演员（Y）时，观众可以通过玻璃看到其虚像（Y’）出现在舞台上。这需要整个剧场都重建才能实现，成本较高。来源：The Ghost! as Produced in the Spectre Drama，by Henry Dircks

由于需要将剧场大幅改造才能实施，迪尔克斯的点子迟迟没有打开销路。但同为科学家和发明家的约翰·亨利·佩珀尔（John Henry Pepper）注意到了它。佩珀尔也是一位热心科普人士，认同用科学启发民智的意义。他简化了这项技术，让它可以适用于大部分现有的剧场环境。它也以佩珀尔的名字更为闻名。

佩珀尔的简化版本更易实施，也更为人熟知。演员扮成的鬼魂藏在舞台地面下被遮挡处。舞台上设置了与地板呈45°角的玻璃，当灯光突然打在“鬼魂”身上时，从观众的视角就会看到“鬼魂”的虚像与舞台上的活动发生互动，产生令人惊奇的效果。来源：Magic-Holo.com

另一种版本的佩珀尔幻象。将隐藏房间设置在了主房间一侧，玻璃（绿色）与观众的视角（红色）呈45°。当隐藏房间的灯光比主房间更亮时，里面的鬼魂就能显示在玻璃上了。来源：TwoWayMirrors.com

可以说，是二人共同作用，让佩珀尔幻象在市场上获得成功，并最终成为至今在科学界都占据一席之地的投影技术。二人曾达成短暂的合作关系，只是迪尔克斯逐渐对此颇有微词，认为名誉的天平倾向于佩珀尔，而忽略了他的原创，并因此诟病媒体和佩珀尔所属的学校。

佩珀尔则在自己后来的一本书中，肯定了迪尔克斯的重要作用。好在后世的记载视角是更为全面的，现在通常将二人的名字一并提及，一位是创始人，而另一位是改良者。

现在，我们能在许多游乐园的特定场景体验佩珀尔幻象的神奇效果。前文提及的站台穿梭魔法，想必大家已窥见端倪——拍摄者所面对的镜面玻璃，反射的是站台墙壁的影像，又透射了游客正进入隧道的场景（光源集中打在游客身上，而保持黑暗状的隧道入口变得不可见），结合在一起就形成穿墙画面了。

绕到玻璃背后，就可以看到真正的站台墙壁，和正在进入黑暗隧道的游客。来源：TwoWayMirrors.com

除了游乐场和鬼屋，佩珀尔幻象作为一种类全息投影技术，也广泛应用在各类舞台表演中。我们常常看到，深受热爱但已不在人世的歌手通过这种方式回到现场；人气虚拟角色也能和真人同台演出。

2012年Coachella音乐节现场，Snoop Dog与已故歌手Tupac Shakur（右）的影像同台。来源：npr.org

想亲自尝试一下“全息术”？你可以购买或制作简易的小装置，利用佩珀尔幻象获得相当有立体感的投影效果。

利用手机加上这种倒金字塔形的装置，自己也可以制造一个“悬浮”影像出来。完整教程可以访问这个页面：https://www.boredpanda.com/3d-hologram-smartphone-diy-device-mrwhosetheboss/?utm_source=google&utm_medium=organic&utm_campaign=organic

我们距离科幻片中的“凭空造像”全息术，还有多远？来源：Iron Man

严格地说，佩珀尔幻象只是一种能形成类似全息效果的投影技术，而真正的全息技术远远更复杂，也更难实现。

我们都看过科幻电影中的全息术——一个完全悬浮在虚空中的显示屏或物体，人可以从任意角度观察它并互动。这里所指的全息投影技术（holography），来自希腊语词源holo，意为“全部的、完整的”。普通二维照片只记录下光的强度信息（振幅），而不包含深度信息（相位），在视觉上体现不出纵深感；全息图像则同时包含二者，从而完整地重建物体的立体像，形成立体视觉效果。

该技术由英国匈牙利裔科学家丹尼斯·盖伯于1947年发明，并让他获得诺贝尔物理学奖，最初被用于电子显微技术，后来由于激光的出现取得更广泛的进展。

简单来说，全息技术有点类似于将影像重新编码。这里涉及到相干光的干涉效应。

通过分光镜将激光分成两束，一束打在物体上，而另一束被称为参考光的则直接作用在全息胶片上，两束光在相遇的区域满足相同的频率、振动方向，和恒定的相位差，即为相干光。

它们共同在胶片上形成独特的干涉条纹图样——‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍这就是‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍记录物体影像的关键“密码”。（如果对什么是干涉条纹没有概念，可以联想一下油膜被阳光照射显示出的五彩斑斓的图案。）

要想解开密码，则需将与参考光相同的光线打在胶片上产生衍射，即可重建出物体的立体像，让观看者的眼睛接收到以假乱真的虚像。

利用相干光干涉效应制造全息图的过程。由分光镜将光分成两束：打在物体上光线和参考光。共同作用，形成能被胶片记录的干涉图样。实验室中的激光是能够满足相干性的理想光源。两个独立的普通光源则不能形成相干光，因此无法形成干涉条纹。来源：Wikipedia

重建物体的立体像的过程。来源：Wikipedia

不难理解，比起普通摄影技术，全息技术可被视为一种有潜力储存海量视觉信息的方式。只是由于技术的复杂性，科幻片里炫酷的空气全息成像在现实生活中还较为罕见。

现在人们能够接触到的一些全息产品，也仍然比较倚赖于特定的介质，如屏幕等。这样看来，比起昂贵的真·全息术，佩珀尔幻象也算是“梦想照进现实”的最简易操作法了。

数百年前那些看上去故弄玄虚的幻术表演在今日看来，对科学和艺术都起到了促进作用——各类早期光学设备为幻灯机、照相机、摄影技术的出现打下基础，而充满神秘和猎奇色彩的演出传统流传至今，以电影、戏剧、鬼屋、魔法乐园等形式吸引着好奇心不减的现代人们。

有人说，科学的世界没有魔法的位置，但换个角度想，科学又何尝不是一种“魔法”呢？用可依据的理论支持，把看似不可能的事情变为可能，带来奇妙的感动，这就是科学的恒久魔力吧。

Reference:

https://www.twowaymirrors.com/peppers-ghost-illusion/

https://skullsinthestars.com/2016/12/20/dircks-and-pepper-a-tale-of-two-ghosts/

https://www.vice.com/en/article/z44458/phantasmagoria-were-the-18th-century-suicide-scary-theaters-that-gave-us-movies--2

https://hauntedpalaceblog.wordpress.com/2013/03/17/phantasmagoria-the-eighteenth-century-horror-show/

https://www.boredpanda.com/3d-hologram-smartphone-diy-device-mrwhosetheboss/?utm_source=google&utm_medium=organic&utm_campaign=organic 

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E6%81%AF%E6%91%84%E5%BD%B1

https://en.wikipedia.org/wiki/Phantasmagoria

https://en.wikipedia.org/wiki/Pepper%27s_ghost

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