“完美的”三維立體顯示是什么樣的？

　　科學(xué)家一直在追求的目標(biāo)，就是不需要輔助工具、不需要特殊角度、不限于特定觀看者，實(shí)現(xiàn)真正的裸眼 3D。

　　在 11 月 13 日的 Nature 雜志上，來自英國薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）的研究人員介紹了一種多模態(tài)聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：它是可以同時(shí)傳送視覺、聽覺和觸覺三種內(nèi)容為一體的懸浮體顯示器，而且其只使用了聲音傳導(dǎo)作為單一的工作原理。

　　這樣一來，該顯示的基本方式與全息圖、虛擬現(xiàn)實(shí)和立體鏡等技術(shù)就全然不同。那些人們更熟悉的方法使用光的技巧來創(chuàng)造深度的幻覺，給人們帶來逼真的效果。但全息圖只能從某些特定角度看到，虛擬現(xiàn)實(shí)和立體透鏡都需要戴頭盔或者眼鏡，而且所有這些技術(shù)都可能導(dǎo)致眼睛疲勞。相比之下，使用激光、電場、霧投影或其他方法來創(chuàng)建真正的 3D 圖像，可以讓人憑肉眼從任何角度都能看到。

　　研究人員設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)以聲學(xué)方式捕獲粒子，并在快速掃描顯示體積時(shí)用紅、綠、藍(lán)三種顏色的光對粒子進(jìn)行照射，以控制其顯示的顏色。同時(shí)，利用二次陷波器的分時(shí)復(fù)用、振幅調(diào)制和相位最小化方法，讓 MATD 可以將聽覺與觸覺內(nèi)容隨著視覺顯示一并呈現(xiàn)。

　　薩塞克斯大學(xué)工程與信息學(xué)院的 Ryuji Hirayama，也是論文的第一作者演示了該顯示系統(tǒng)在垂直和水平方向上操控的粒子速度，分別高達(dá) 8. 75 m/s 和 3. 75 m/s，其對粒子的操控能力要遠(yuǎn)優(yōu)于此前展示的其他光學(xué)或聲學(xué)方法的性能。除此之外，薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)為非接觸式、高速操縱物質(zhì)提供了機(jī)會(huì)，并將在計(jì)算制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得以應(yīng)用。

在空中盤旋的虛擬蝴蝶。來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　一、被科幻點(diǎn)燃的研究

　　3D 圖像顯示最早給人們帶來印象的，應(yīng)該是 1977 年上映的史詩級科幻電影《星球大戰(zhàn)》，萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發(fā)出求救信息的三維影像。而后，其續(xù)集又有很多三維立體顯示技術(shù)出現(xiàn)。人們之所以認(rèn)為《星球大戰(zhàn)》擁有偉大的意義，既是因其構(gòu)建出一個(gè)宏大的世界觀，也在于其在有限的技術(shù)條件下用想象力創(chuàng)造了一個(gè)童夢神話。3D 立體顯示技術(shù)，就是其中重要的概念之一。

　　目前市面上已有的立體顯示器通常是將 2D 圖像轉(zhuǎn)換為 3D 的。例如，Voxon VX1 將光子投射在一塊可以快速上下震動(dòng)的屏幕上，它會(huì)創(chuàng)造一個(gè)無需特殊眼鏡就能直接觀看的 3D 圖像。但由于這種顯示設(shè)備復(fù)雜的機(jī)械零件結(jié)構(gòu)，使其只能被鎖在玻璃后，還無法找到除了在博物館展示之外的合適應(yīng)用。

　　2006 年，位于日本川崎的 Burton 公司首席執(zhí)行官 Hidei Kimura 首先嘗試將圖像直接繪制在三維空間中，他與另一位學(xué)者共同開發(fā)了一種技術(shù)，能用激光將電子從空氣分子中敲除，從而讓它們發(fā)光。同時(shí)，通過高速移動(dòng)激光的焦點(diǎn)，他們可以造成連續(xù)的等離子體發(fā)光點(diǎn)以形成粗糙的圖像。當(dāng)時(shí)，Kimura 表示：“該技術(shù)不需要任何東西，就能在空氣中直接創(chuàng)造 3D 圖像。”他還設(shè)想使用這種技術(shù)在天空中廣播緊急信息，或是在體育比賽中將 3D 回放投射在場地上。

　　盡管經(jīng)過多年發(fā)展之后，等離子技術(shù)已經(jīng)可以產(chǎn)生相對穩(wěn)定的圖像，但它仍存在一些很大的限制：其分辨率低，一次激光爆發(fā)只相當(dāng)于圖像中的一個(gè)點(diǎn)，并且如果激光太強(qiáng)還可能灼傷到人。日本筑波大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Yoichi Ochiai 在發(fā)現(xiàn)這些問題后，展開了進(jìn)一步研究。

　　在 2016 年，Ochiai 的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種等離子顯示技術(shù)，他們使用低能量、短脈沖激光來制作可觸摸的圖像。這些圖像的寬度只有幾毫米，比 Kimura 團(tuán)隊(duì)的圖像要小得多。但因?yàn)槭褂玫募す饷}沖頻率更高，并且調(diào)制器讓激光擁有多個(gè)焦點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)將圖像的分辨率比 Kimura 團(tuán)隊(duì)的提高了 10~200 倍。他們還可以創(chuàng)造出更復(fù)雜的圖像，比如針頭大小的仙女。

　　而在薩塞克斯大學(xué)，聲學(xué)的 3D 顯示研究則受到另一部科幻作品的啟發(fā)：早在 1960 年代上映的電視劇《星際迷航》中就出名了的牽引光束。早在 2012 年，當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的 Sriram Subramanian 就開創(chuàng)出制造聲波并產(chǎn)生高壓點(diǎn)的方法來固定和移動(dòng)小物體。但一直到 2018 年，Ryuji Hirayama 來到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他們才找到了用聲音來創(chuàng)建圖像的方法。

　　Nature 雜志上所介紹的顯示設(shè)備并不復(fù)雜，只要敲擊一下鍵盤，Ryuji Hirayama 就能讓一顆小小的懸浮顆粒煥發(fā)生機(jī)。他能操作白色的斑點(diǎn)使其跳躍起來，在空中懸停、盤旋。再點(diǎn)擊一下，小圓點(diǎn)就會(huì)形成一個(gè)發(fā)光的蝴蝶；在黑色的盒子里打轉(zhuǎn)時(shí)，它還會(huì)扇動(dòng)翅膀。

來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　在半空中變形的背后，其實(shí)是一個(gè)相對簡單的設(shè)置：在懸浮的顆粒上下有兩個(gè)由 256 個(gè)微型揚(yáng)聲器組成的細(xì)長陣列，其通過產(chǎn)生超聲波來完成對粒子的移動(dòng)控制。因?yàn)槠湟苿?dòng)速度十分快，以至于肉眼所能看到的就是一幅直徑只有幾厘米、不斷演變的 3D 圖像。它在空中被直接繪制出來，就像用高速蝕刻機(jī)進(jìn)行素描一樣。

　　此外，其產(chǎn)生圖像的超聲波揚(yáng)聲器也能發(fā)出聲音，并讓人有觸覺的感知。如果向蝴蝶伸出手，人的手指可能會(huì)感到顫動(dòng)。在薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示的另一個(gè)案例中，一個(gè)笑臉伴隨著皇后樂隊(duì)的《We Will Rock You》在空中出現(xiàn)。

圖 a. 用于測量顆粒的球形度和直徑的照相機(jī)裝置；b. 不同粒徑的最大線速度；c. 用不同的顆粒直徑產(chǎn)生的笑臉圖案（來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　想要顯示出穩(wěn)定的圖像，懸浮的小顆粒需要在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建每個(gè)圖像幀。在此前的研究中，聲懸浮往往更關(guān)注于如何將物體保持得盡可能穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)速度則相對較慢。而 Hirayama 的研究創(chuàng)新在于，在粒子穩(wěn)定之前就將其敲出，并專門為計(jì)算其移動(dòng)路徑而設(shè)計(jì)出一個(gè)程序，規(guī)劃好粒子的每個(gè)新目標(biāo)點(diǎn)。

　　研究團(tuán)隊(duì)可以每秒改變焦點(diǎn)40000 次。Hirayama 表示，粒子的速度能達(dá)到 8.75 米/秒，這讓它們在跨越 2 毫米的空間時(shí)，就和瞬間移動(dòng)差不多。而當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)快速變化的 LED 會(huì)使其沐浴在光線中，從而產(chǎn)生顏色。

懸浮體顯示器呈現(xiàn)的地球儀，這張照片的曝光時(shí)間為 0.025-20 秒，只有在 0.1 秒內(nèi)繪制的圖像在人眼看來才是連續(xù)的圖像。來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　二、不可能的事情正在發(fā)生

　　Hirayama 研究團(tuán)隊(duì)的靈感來自于美國猶他州的楊百翰大學(xué)（The Brigham Young University）物理學(xué)家 Daniel Smalley 的工作，他領(lǐng)導(dǎo)的電全息學(xué)小組致力于空間成像和全息投影領(lǐng)域的研究。Smalley 表示，利用相同的粒子數(shù)和數(shù)據(jù)，他們團(tuán)隊(duì)的圖像尺寸僅是薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的十分之一，但分辨率要高 10 倍左右。

　　薩塞克斯大學(xué)的技術(shù)也尚存缺點(diǎn)：它需要在顯示屏的兩側(cè)使用揚(yáng)聲器，這限制了觀看者與顯示屏的交互能力，同時(shí)也限制了圖像的尺寸大小。但如果將硬件升級，Sriram Subramanian（另一位研究團(tuán)隊(duì)成員）表示只需要把揚(yáng)聲器放在顯示器的一側(cè)也可以用聲波創(chuàng)造出圖像。

　　此外，研究人員還致力于理解懸浮顆粒如何響應(yīng)壓力。這能幫助他們更快地移動(dòng)粒子，以便同時(shí)用多個(gè)粒子繪制出更復(fù)雜的圖像，并提供結(jié)合視覺和觸覺的多重體驗(yàn)。在當(dāng)前的設(shè)置中，觸覺反饋和圖像并不能完全重合，因?yàn)樗鼈兏髯詴?huì)形成互相干擾的場。

　　上面提到的日本筑波大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Yoichi Ochiai 的團(tuán)隊(duì)則找到了一種方法，能避免兩種場的互相干擾問題，使觸覺和視覺重合在一起。他們采用聲學(xué)場來獲得觸覺反饋，同時(shí)用激光脈沖繪制圖像，Ochiai 的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將該方法應(yīng)用于在空氣中繪制盲文點(diǎn)。

　　對于薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)，Daniel Smalley 表示：“到現(xiàn)在為止，很少有物理學(xué)家認(rèn)為可以使用聲音使顆粒移動(dòng)得足夠快來創(chuàng)建這樣的顯示器。今年 8 月，英國布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家 Tatsuki Fushimi 和他的合作者成為第一個(gè)證明這是可行的人，但是他們的顆粒需要更長的時(shí)間來描繪形狀，這意味著只有小于 1 cm 的圖像才能顯示為單個(gè)連續(xù)的對象。但薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果，讓我們相信之前認(rèn)為不可能的事情正在發(fā)生。”

Daniel Smalley 實(shí)驗(yàn)室的顯示出的蝴蝶。來源：Nate Edwards/BYU Photo

　　由于《星球大戰(zhàn)》和《鋼鐵俠》等電影給人們帶來的印象過于深刻，任何 3D 顯示都不可避免地會(huì)被拿來與電影中的全息圖像作比較。北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授王瓊?cè)A，其研究主要方向就是裸眼 3D 顯示技術(shù)，他說：“薩塞克斯大學(xué)的技術(shù)比以前類似的方法能創(chuàng)造出更大的圖像，并結(jié)合了聲音，這使得人們離重現(xiàn)（全息圖像）更近了。但這些圖像的尺寸仍然很小，也遠(yuǎn)非真實(shí)。”王瓊?cè)A認(rèn)為，要?jiǎng)?chuàng)造出《星球大戰(zhàn)》里的那種 3D 圖像或許還需要十年甚至更長的時(shí)間。

　　但英國德比大學(xué)（University of Derby）研究 3D 技術(shù)的物理學(xué)家 Barry Blundell 告誡說：“不應(yīng)該試圖用懸浮體顯示技術(shù)來創(chuàng)造更豐富、更真實(shí)的圖像。就好比，沒人會(huì)把看雕塑和看繪畫相比較。”他還補(bǔ)充解釋道，“與全息圖像競爭的努力只會(huì)讓該技術(shù)走向商業(yè)化的死胡同，這種顯示技術(shù)最好應(yīng)用在其他媒體不可能呈現(xiàn)、同時(shí)又不需要大量細(xì)節(jié)的場景，例如顯示復(fù)雜的 3D 運(yùn)動(dòng)等。”

　　對此，Daniel Smalley 則認(rèn)為有觸感的交互性非常有用。例如，外科醫(yī)生可能會(huì)利用這種顯示技術(shù)來進(jìn)行實(shí)習(xí)訓(xùn)練，比如練習(xí)將導(dǎo)管穿過心臟血管等操作。他還表示：“如果有一百萬個(gè)可移動(dòng)的粒子，那么就可以創(chuàng)造出一個(gè)脫離實(shí)體的臉，并進(jìn)行遠(yuǎn)程的面對面交互。”

　　“相比于虛擬現(xiàn)實(shí)手段提供的逼真圖像，在空氣中憑空創(chuàng)造出人的化身能提供更強(qiáng)的臨場感。這將會(huì)是一個(gè)令人興奮的設(shè)計(jì)。”他還認(rèn)為，薩塞克斯大學(xué)的聲學(xué)顯示方法不一定需要漫長的開發(fā)階段才能走出實(shí)驗(yàn)室。“在我們研究出其他技術(shù)之前，我敢打賭這種技術(shù)會(huì)首先商業(yè)化。”Smalley 說道。

　　當(dāng)然，在薩塞克斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，要實(shí)現(xiàn)百萬粒子級的顯示還有很長的路要走。

　　在演示了全部的顯示效果后，Hirayama 關(guān)掉了顯示器，拍打著翅膀的蝴蝶消失了，留下了創(chuàng)造它們的珠子在顯示器底座上彈跳。Hirayama 撿起它們并裝進(jìn)盒子，或許人們可以像期待魔術(shù)師的禮帽一樣，期待他的研究團(tuán)隊(duì)在未來帶來更令人興奮的顯示“魔術(shù)”。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的裸眼3D新突破：声音驱动，空中立体成像，能看能听还能摸的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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