聲場操控粒子實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示，科幻的場景正變成現(xiàn)實(shí)

由好萊塢影星凱特·溫斯萊特和威廉·達(dá)福擔(dān)任配音的裸眼3D視效動畫片《尼斯大冒險(xiǎn)》將于年底上映，預(yù)計(jì)成為迎接2020年的跨年親子動畫首選。

《尼斯大冒險(xiǎn)》采用“實(shí)景拍攝+三維特效”的方式制作，雖然是2D電影，卻有著極強(qiáng)的立體感，達(dá)到了不需要戴眼鏡的“裸眼3D”效果。多年來，優(yōu)秀的科學(xué)家們一直在不斷努力推動裸眼3D這個“黑科技”的發(fā)展。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)漸行漸近。

近日《自然》以及《科學(xué)》同時(shí)報(bào)道的一項(xiàng)來自英國薩塞克斯大學(xué)的研究，卻真的讓科幻片中的裸眼3D顯示變成了現(xiàn)實(shí)。

可看、可聽、可“觸”的裸眼3D顯示

只要敲擊一下鍵盤，就能讓一顆顆小小的粒子在空中懸浮、盤旋、“舞蹈”。在英國薩塞克斯大學(xué)的這項(xiàng)最新研究中，操縱這些粒子的“上帝之手”，是一個被稱為“多模式聲鑷顯示”的裝置，研究人員在一個黑色的盒子里，用兩組微型揚(yáng)聲器組成的陣列發(fā)出超聲波，牽引著粒子在空中懸浮、快速移動。因?yàn)橐苿铀俣确浅？?，肉眼看到的便是一幅直徑幾厘米、不停演變?D圖像。在實(shí)驗(yàn)展示的畫面里，一只立體的彩色蝴蝶完全懸浮在空中，微微抖動翅膀。

“用聲場操控粒子實(shí)現(xiàn)3D顯示，這是一個很好的想法?！睎|南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授夏軍說，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于，“揚(yáng)聲器陣列釋放的超聲波引起空氣震蕩，在三維空間中產(chǎn)生隨時(shí)間快速變化的空氣壓強(qiáng)，空氣壓強(qiáng)的變化會產(chǎn)生聲輻射力，從而推動粒子的快速運(yùn)動。如果對二維聲波陣列進(jìn)行編碼，粒子就會按照規(guī)劃好的三維路線高速運(yùn)動?！?/p>

研究人員用紅綠藍(lán)三色光照明系統(tǒng)對懸浮移動中的粒子進(jìn)行照明，從而顯現(xiàn)出3D圖像。北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授、國際信息顯示學(xué)會會士王瓊?cè)A介紹，粒子具有散射性，又由于運(yùn)動的速度非?？?，當(dāng)三色光投射向粒子時(shí)，基于人眼的視覺暫留效應(yīng)，我們就能看到連續(xù)的圖像。

實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生圖像的超聲波揚(yáng)聲器也能發(fā)出聲音。通過控制多個揚(yáng)聲器陣列,該系統(tǒng)可以產(chǎn)生能被人耳聽見的聲音，然后就可以生成一些有趣的音效。

在薩塞克斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示的另一個案例中，一個笑臉伴隨著皇后樂隊(duì)的歌曲《We Will Rock You》在空中出現(xiàn)。

產(chǎn)生圖像的超聲波揚(yáng)聲器還能帶來觸覺感知。王瓊?cè)A表示，人的皮膚是可以感受到聲音的。生活中，在音響附近，人可以感受到聲音的振動?！霸谶@個實(shí)驗(yàn)中，聲波的一個周期里，其中75%的聲波用于控制粒子的位置與運(yùn)動，而剩余25%用于提供觸覺反饋。實(shí)驗(yàn)中將調(diào)制頻率設(shè)為250赫茲，以便降低噪聲，同時(shí)可以讓皮膚的觸感達(dá)到最佳?！?/p>

王瓊?cè)A在裸眼3D顯示技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)研究了15年，她說：“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、觸覺，這使得人們離理想的3D顯示更近了。但這些圖像的尺寸依然很小。”她認(rèn)為，要創(chuàng)造出《星球大戰(zhàn)》里萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發(fā)出求救信息的3D影像，或許還需要10年甚至更長的時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)裸眼3D主要有兩種技術(shù)途徑

令大家興奮不已的裸眼3D顯示技術(shù)，目前正在現(xiàn)實(shí)中尋找突圍。

“裸眼3D指的是眼睛不需要佩戴眼鏡或者頭盔等任何輔助設(shè)備，就可以看到3D圖像。目前裸眼3D分為借助顯示屏實(shí)現(xiàn)三維成像和在三維空間直接成像兩種技術(shù)方向，英國薩塞克斯大學(xué)的研究屬于后者?！毕能娊榻B，需要借助顯示屏顯示的裸眼3D，又分為多種，其中一種是采用2D顯示屏加光學(xué)元件，以便人眼在直接觀看的時(shí)候，看到3D圖像；還有一種是多層屏幕顯示，例如利用多層液晶顯示屏在空間重建具有角度信息的光場；還可以把多層屏幕變成三維空間中發(fā)光的物理屏幕，從而實(shí)現(xiàn)裸眼3D成像。

三維空間直接成像的裸眼3D顯示，則引起更多科學(xué)家的關(guān)注?！暗谝环N是用激光照射三維透明的介質(zhì)，通過激發(fā)介質(zhì)發(fā)光呈現(xiàn)3D圖像；第二種是用光驅(qū)動粒子，讓粒子在空間迅速運(yùn)動，再用另一束光去照射，在三維空間成像；第三種是全息3D顯示。”夏軍說。

此次《自然》的報(bào)道，還記錄了另一種裸眼3D技術(shù)的迭代。2006年，木村秀井與另一位學(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擊落，使其發(fā)光。通過高速移動激光的焦點(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。

日本筑波大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家兼藝術(shù)家小井洋一表示，這種技術(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，例如分辨率低，一次激光爆發(fā)只能點(diǎn)亮圖像中的一個點(diǎn)，并且如果激光太強(qiáng)還可能灼傷到人。

2016年，小井洋一的研究團(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，其圖像分辨率比木村秀井團(tuán)隊(duì)的提高了10—200倍。

走近生活還面臨多種技術(shù)瓶頸

有學(xué)者接受采訪時(shí)表示，裸眼3D如果能“聯(lián)姻”5G，可以在教育、醫(yī)療、工業(yè)制造、廣告、游戲等領(lǐng)域大放異彩。不過，在學(xué)者們看來，目前裸眼3D技術(shù)想要走進(jìn)生活廣泛應(yīng)用，都或多或少面臨技術(shù)瓶頸。

“借助平板顯示屏實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的難點(diǎn)在于，目前顯示屏幕的分辨率還不夠，另外容易產(chǎn)生立體視疲勞。對于多層屏幕顯示技術(shù)，因?yàn)橐晥鼋潜容^小，只能從特定的位置才能看到3D效果，所以在多人自由觀看時(shí)受到限制?！毕能娬f。

而三維空間的裸眼3D顯示，急需攻克的難點(diǎn)更多?！坝眉す庹丈浣橘|(zhì)，在介質(zhì)中成像的技術(shù)，對介質(zhì)的透明度要求很高；用光在三維空間驅(qū)動粒子成像，這需要很多像素點(diǎn)，同時(shí)粒子的運(yùn)動速度還要快，如果做小規(guī)模的展示還行，但如果做顯示終端，圖像分辨率難以解決，產(chǎn)業(yè)化將面臨挑戰(zhàn)?！倍劣谌?D顯示，夏軍表示，目前缺乏超高分辨率的顯示器，像素還比較大，造成視場角小，觀看角度受限。

王瓊?cè)A認(rèn)為，裸眼3D顯示的發(fā)展，需要產(chǎn)業(yè)生態(tài)的支撐，例如需要與3D相機(jī)相結(jié)合，后者可以模擬人的左右眼來拍攝，形成龐大的片源，再輔以計(jì)算機(jī)算法來補(bǔ)充信息。此外，信號的傳輸標(biāo)準(zhǔn)也需要制定，是直接傳輸3D信號還是在用戶端加工信號，需要明確。

裸眼3D要真正進(jìn)入市場應(yīng)用，還需要更精細(xì)化的技術(shù)迭代。