在 1977 年上映的科幻經(jīng)典《星球大戰(zhàn)》中，萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發(fā)出了三維版求救影像。作為三維成像最初的靈感，直到40年后的今天，人類的3D成像依然遠(yuǎn)沒有達(dá)到當(dāng)年喬治·盧卡斯想象的效果——逼真、實(shí)時(shí)、裸眼，目前市面上常見的三維成像依然需要借助特定的硬件工具，比如VR眼鏡、或者在某個(gè)特定的角度才可以。不過幾天前，《自然》和《科學(xué)》同時(shí)在新聞版頭條報(bào)道的一項(xiàng)來自英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的研究，有望讓科幻片中的裸眼3D變成現(xiàn)實(shí)。新的研究采用了一種多模態(tài)聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：利用超聲波揚(yáng)聲器引導(dǎo)微小的粒子，可以同時(shí)傳送視覺、聽覺和觸覺三種內(nèi)容，并形成一個(gè)可以在空中改變形態(tài)的懸浮顯示器。半空中操控粒子變形態(tài)變換的背后其實(shí)是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的裝置，兩個(gè)由256個(gè)微型揚(yáng)聲器組成的細(xì)長(zhǎng)陣列通過超聲波來移動(dòng)粒子。因?yàn)橐苿?dòng)的速度過快，肉眼所見是幾厘米寬的不斷變化的3D圖像，在空中的展示效果就是一個(gè)快速變換的幾何圖形。
在報(bào)道中，主要研究員平山龍治（Ryuji Hirayama）通過幾個(gè)程序運(yùn)行，就可以操作一系列懸浮顆粒，這些白色斑點(diǎn)可以跳躍起來，隨即靜止在空中。再次輕拍，斑點(diǎn)就變成了發(fā)光的蝴蝶形狀，在黑匣子中還在拍打翅膀。
丹尼爾·斯莫利實(shí)驗(yàn)室里的“蝴蝶”為了證明這不是魔術(shù)，平山在英國(guó)布萊頓蘇塞克斯大學(xué)的同事迭戈·馬丁內(nèi)斯·普拉森西亞（Diego Martinez Plasencia）還將手伸到了盒子里。《自然》稱，你甚至可以觸摸和聽到超聲波揚(yáng)聲器引導(dǎo)微小的粒子產(chǎn)生震動(dòng)和聲音。更有趣的一點(diǎn)是，超聲波揚(yáng)聲器不僅能產(chǎn)生圖像，還可以產(chǎn)生聲音和觸感。當(dāng)你觸摸蝴蝶的時(shí)候，手指可能會(huì)感到顫抖。在《自然》報(bào)道的另一個(gè)研究案例中，伴隨著皇后樂隊(duì)《We Will Rock You》的歌聲，空中出現(xiàn)了一張笑臉。
a. 用于測(cè)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。值得注意的是，用于創(chuàng)建這些效果的大多數(shù)微粒都是現(xiàn)成的。在演示了所有的效果之后，平山切斷了電源，拍打著的蝴蝶和笑臉立刻消失了，形成它們的粒子在顯示器的底座上輕輕彈跳著。平山將這些粒子拾起，將其裝入盒子中，隨時(shí)準(zhǔn)備在空氣中再度創(chuàng)造魔法。“這令人興奮。”楊百翰大學(xué)的物理學(xué)家丹尼爾·斯莫利（Daniel Smalley） 在接受《自然》雜志采訪時(shí)候說道，他去年也公布了一項(xiàng)類似的技術(shù)，利用激光繞過一小塊纖維素產(chǎn)生圖像。
斯莫利領(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。他還說道，目前為止，很少有物理學(xué)家相信可以利用聲音使粒子高速移動(dòng)產(chǎn)生這樣的效果。今年8月，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的物理學(xué)家福島達(dá)樹（Tatsuki fusimi）和合作者第一次證明了這種方法的可行性。但是他們的粒子需要更長(zhǎng)的時(shí)間描繪形狀，這意味著只有直徑小于1厘米的圖像才能看上去像單個(gè)連續(xù)的物體。斯莫利說，蘇塞克斯團(tuán)隊(duì)的工作讓他們相信，這些“不可能”的事情正在發(fā)生。11月13日Nature上介紹的聲學(xué)裝置被視為容積顯示的3D圖像生成技術(shù)的最新例子，該技術(shù)與全息圖、虛擬現(xiàn)實(shí)和立體鏡等技術(shù)有著根本的不同。這些更為熟悉的方法使用的是光學(xué)相關(guān)知識(shí)創(chuàng)造出深度錯(cuò)覺，對(duì)象可以是真人大小也可以是真實(shí)照片。但是全息圖只能從特定角度看到，虛擬現(xiàn)實(shí)和立體鏡需要戴上相關(guān)設(shè)備，相同之處大概是，長(zhǎng)時(shí)間地利用這些技術(shù)進(jìn)行觀看，都將導(dǎo)致眼睛疲勞。相比之下，自由空間體積顯示器（Free-space volumetric displays）利用的是激光、電場(chǎng)、霧投影等方法，產(chǎn)生的是真正的3D圖像，觀眾可以從任何有利位置看到。如此看來，這或許是最接近于1977年電影《星球大戰(zhàn)》中萊婭公主發(fā)出求救時(shí)使用的成像方式。事實(shí)上，對(duì)空間體積顯示器的研究歷史比《星球大戰(zhàn)》要早得多。相比較于全息圖而言，空間體積顯示器有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，需要的計(jì)算能力要少很多。斯莫利說，盡管經(jīng)過了幾十年努力，自由空間體積顯示器仍然局限于小而糙的圖紙上，而且它們很難在商業(yè)上起步。盡管如此，他仍然希望把包括聲懸浮在內(nèi)的更為實(shí)用的技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，這也有助于空間體積顯示器的落地商用，它既可以被用于實(shí)習(xí)醫(yī)生詳細(xì)的交互式模型中，也可以使人們能夠與以3方式呈現(xiàn)的遠(yuǎn)親進(jìn)行聊天。薩塞克斯團(tuán)隊(duì)的聲學(xué)方法或許用不了很長(zhǎng)時(shí)間就能走出實(shí)驗(yàn)室，斯莫利說， “我敢打賭，這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)度會(huì)快于我們研究的許多其它技術(shù)。”市面上已有的三維顯示器通常是通過制作2D圖像和3D圖像來工作。例如，Voxon VX1可以將光子投射到到屏幕上，屏幕上的光子上下快速振動(dòng)。
2006年，日本川崎Burton公司的首席執(zhí)行官木村秀井首次嘗試將圖像直接繪制到三維空間上。木村秀井和合作者們開發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)利用激光將電子從空氣分子上擊落，使其發(fā)光。通過高速移動(dòng)激光的焦點(diǎn)，他們可以制造出發(fā)光的等離子體，形成一個(gè)粗糙的圖像。木村說：“不需要任何東西，我們可以直接在空中創(chuàng)建3D圖像。”他設(shè)想使用這種技術(shù)廣播緊急信息，或者在體育賽事的球場(chǎng)上方投射3D用以重播回顧。日本筑波大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和藝術(shù)家奧奇一（Yoichi Ochiai）說，等離子體技術(shù)產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的圖像，但是它也有一些限制，比如分辨率低，一次激光沖擊等于圖像中的一個(gè)點(diǎn)，而且激光強(qiáng)度太大，可能會(huì)有燒傷的風(fēng)險(xiǎn)。2016年，奧奇一的研究小組采用了等離子體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用低能量、短脈沖的激光制作能夠安全接觸的圖像。由于直徑只有幾毫米，產(chǎn)生的圖像比木村小組的要小得多。但是通過使用頻率更高的激光和調(diào)制器將光束形成多個(gè)焦點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)可以將分辨率提高到木村團(tuán)隊(duì)的10-200倍。如此，他們有能力創(chuàng)造更復(fù)雜的圖像，如針頭大小的仙女。聲學(xué)3D顯示器的靈感來自于20世紀(jì)60年代的電視連續(xù)劇《星際迷航》。受到電視劇中牽引光束的啟發(fā)，在2012年，研究小組負(fù)責(zé)人斯里拉姆·薩勃拉曼尼亞（Sriram Subramanian）開創(chuàng)了利用聲波制造高壓點(diǎn)的先河，這些高壓點(diǎn)可以捕捉和移動(dòng)小物體。但直到2018年平山的到來，研究小組才找到了利用聲音創(chuàng)造圖像的方法。
立體顯示器中的地球儀。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。為了呈現(xiàn)實(shí)體照片，一個(gè)粒子需要在不到0.1秒的時(shí)間里創(chuàng)建每個(gè)圖像幀。到目前為止，聲懸浮一直傾向于盡可能保持物體的穩(wěn)定狀態(tài)，從一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)以停止-開始的方式相對(duì)緩慢。平山的創(chuàng)新之處在于讓粒子在靜止前分開它們，然后使用專門為計(jì)算而設(shè)計(jì)的硬件來計(jì)算每一個(gè)新的目標(biāo)點(diǎn)。這意味著研究小組能夠以每秒鐘40,000次的頻率改變領(lǐng)域焦點(diǎn)。平山說，當(dāng)一個(gè)2毫米寬的粒子穿過幾厘米的空間時(shí)，速度可以達(dá)到每秒8.75米，看起來就像隱形傳送。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。
英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)明了一種可以在空中盤旋的虛擬蝴蝶。但蘇塞克斯技術(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)，揚(yáng)聲器被限制在了顯示器的兩側(cè)，這也限制了觀看者與顯示器互動(dòng)的能力和尺寸大小。但是隨著硬件的升級(jí)，薩勃拉曼尼亞說，可以使用一種不同的聲波，使得揚(yáng)聲器能僅在一側(cè)就能產(chǎn)生圖像。研究人員還在努力提高他們對(duì)粒子如何對(duì)作用在其上的力作出反應(yīng)的理解，這使得他們能夠更快移動(dòng)粒子，通過同時(shí)懸浮多個(gè)粒子來繪制更復(fù)雜的圖像，并且更加緊密地整合視覺和觸覺。在目前的設(shè)置中，觸覺和圖像并不完全出現(xiàn)在完全相同的位置，因?yàn)閯?chuàng)建它們所需的場(chǎng)可能會(huì)相互干擾。奧奇一的團(tuán)隊(duì)找到了一種方法，通過觸覺反饋的聲場(chǎng)和用于在等離子體中繪制微小圖像的激光結(jié)合觸覺和視覺，而且這兩個(gè)場(chǎng)互不干擾。目前研究小組已經(jīng)用這種方法在空中畫出了盲點(diǎn)。創(chuàng)造面對(duì)面的遠(yuǎn)程臨場(chǎng)感
北京北京航空航天大學(xué)大學(xué)從事3D顯示設(shè)備的王瓊?cè)A表示：任何3D顯示器都會(huì)被拿來與《星球大戰(zhàn)》的全息圖相比較，這似乎已經(jīng)成為了一個(gè)慣例。蘇塞克斯的技術(shù)使得圖像比以前的方法更大，還結(jié)合了聲音，這更接近于再現(xiàn)的效果，但是這些照片還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到真實(shí)。
她說，要實(shí)現(xiàn)《星球大戰(zhàn)》中的全息效果，可能還需要十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。但是英國(guó)德比大學(xué)專門研究3D技術(shù)的物理學(xué)家Barry Blundell告誡人們，“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”。同時(shí)他補(bǔ)充道，“與全息圖像競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)景，例如用以顯示復(fù)雜的3D運(yùn)動(dòng)。”斯莫利說，這一技術(shù)的交互感很具有啟發(fā)性。例如，正在接受培訓(xùn)的外科醫(yī)生可能會(huì)使用這種顯示技術(shù)來模擬訓(xùn)練。當(dāng)有了一百萬(wàn)個(gè)移動(dòng)的粒子，“你就可以擁有一張無實(shí)體的臉，就能體會(huì)到面對(duì)面的遠(yuǎn)程臨場(chǎng)感”。他說，與虛擬現(xiàn)實(shí)相比，能在空間中創(chuàng)造人的化身，這樣的臨場(chǎng)感無疑是更強(qiáng)的。在蘇塞克斯實(shí)驗(yàn)室，要達(dá)到百萬(wàn)粒子級(jí)別的的顯示似乎還有很長(zhǎng)的路要走。該小組的方法是否可以達(dá)到如此效果，只有時(shí)間會(huì)證明。相關(guān)報(bào)道：
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03454-yIEEE Spectrum
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