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、實時、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、或者在某個特定的角度才可以。

　　不過昨天，《自然》和《科學(xué)》同時在新聞版頭條報道的一項來自英國薩塞克斯大學(xué)的研究，有望讓科幻片中的裸眼3D變成現(xiàn)實。

　　新的研究采用了一種多模態(tài)聲阱顯示器(Multimodal acoustic trap display，MATD)：利用超聲波揚聲器引導(dǎo)微小的粒子，可以同時傳送視覺、聽覺和觸覺三種內(nèi)容，并形成一個可以在空中改變形態(tài)的懸浮顯示器。

　　操控懸浮顆粒，空中成像，還能觸碰

　　半空中操控粒子變形態(tài)變換的背后其實是一個相對簡單的裝置，兩個由256個微型揚聲器組成的細(xì)長陣列通過超聲波來移動粒子。因為移動的速度過快，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快速變換的幾何圖形。

　　在報道中，主要研究員平山龍治(Ryuji Hirayama)通過幾個程序運行，就可以操作一系列懸浮顆粒，這些白色斑點可以跳躍起來，隨即靜止在空中。再次輕拍，斑點就變成了發(fā)光的蝴蝶形狀，在黑匣子中還在拍打翅膀。

　　丹尼爾·斯莫利實驗室里的“蝴蝶”

　　為了證明這不是魔術(shù)，平山在英國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聲器引導(dǎo)微小的粒子產(chǎn)生震動和聲音。

　　更有趣的一點是，超聲波揚聲器不僅能產(chǎn)生圖像，還可以產(chǎn)生聲音和觸感。當(dāng)你觸摸蝴蝶的時候，手指可能會感到顫抖。

　　在《自然》報道的另一個研究案例中，伴隨著皇后樂隊《We Will Rock You》的歌聲，空中出現(xiàn)了一張笑臉。

　　a.用于測量顆粒的球形度和直徑的照相機裝置;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，隨時準(zhǔn)備在空氣中再度創(chuàng)造魔法。

　　追趕科幻的腳步：裸眼3D的新可能

　　“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》雜志采訪時候說道，他去年也公布了一項類似的技術(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)，他們團隊的圖像尺寸僅是薩塞克斯大學(xué)研究團隊的十分之一，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產(chǎn)生這樣的效果。今年8月，英國布里斯托爾大學(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的時間描繪形狀，這意味著只有直徑小于1厘米的圖像才能看上去像單個連續(xù)的物體。

　　斯莫利說，蘇塞克斯團隊的工作讓他們相信，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)知識創(chuàng)造出深度錯覺，對象可以是真人大小也可以是真實照片。

　　但是全息圖只能從特定角度看到，虛擬現(xiàn)實和立體鏡需要戴上相關(guān)設(shè)備，相同之處大概是，長時間地利用這些技術(shù)進行觀看，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、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)出求救時使用的成像方式。

　　事實上，對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很大的優(yōu)勢，需要的計算能力要少很多。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)的更為實用的技術(shù)進行結(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)親進行聊天。

　　薩塞克斯團隊的聲學(xué)方法或許用不了很長時間就能走出實驗室，斯莫利說，“我敢打賭，這項技術(shù)的商業(yè)化進度會快于我們研究的許多其它技術(shù)。”

　　燈光和聲音的魔術(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。

　　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。通過高速移動激光的焦點，他們可以制造出發(fā)光的等離子體，形成一個粗糙的圖像。

　　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上方投射3D用以重播回顧。

　　日本筑波大學(xué)的計算機科學(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點，而且激光強度太大，可能會有燒傷的風(fēng)險。

　　2016年，奧奇一的研究小組采用了等離子體技術(shù)，實現(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焦點，團隊可以將分辨率提高到木村團隊的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的先河，這些高壓點可以捕捉和移動小物體。

　　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)實體照片，一個粒子需要在不到0.1秒的時間里創(chuàng)建每個圖像幀。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)，從一個穩(wěn)定點到另一個穩(wěn)定點，運動以停止-開始的方式相對緩慢。

　　平山的創(chuàng)新之處在于讓粒子在靜止前分開它們，然后使用專門為計算而設(shè)計的硬件來計算每一個新的目標(biāo)點。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。

　　平山說，當(dāng)一個2毫米寬的粒子穿過幾厘米的空間時，速度可以達(dá)到每秒8.75米，看起來就像隱形傳送。而當(dāng)粒子運動時，一個快速變化的LED會使其沐浴在光線中，從而產(chǎn)生顏色。

　　英國薩塞克斯大學(xué)的一個研究小組發(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)有一個缺點，揚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的能力和尺寸大小。但是隨著硬件的升級，薩勃拉曼尼亞說，可以使用一種不同的聲波，使得揚聲器能僅在一側(cè)就能產(chǎn)生圖像。

　　研究人員還在努力提高他們對粒子如何對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粒子，通過同時懸浮多個粒子來繪制更復(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，因為創(chuàng)建它們所需的場可能會相互干擾。

　　奧奇一的團隊找到了一種方法，通過觸覺反饋的聲場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，而且這兩個場互不干擾。目前研究小組已經(jīng)用這種方法在空中畫出了盲點。

　　創(chuàng)造面對面的遠(yuǎn)程臨場感

　　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。

　　她說，要實現(xiàn)《星球大戰(zhàn)》中的全息效果，可能還需要十年甚至更長的時間。

　　但是英國德比大學(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、更真實的圖像，就好比，沒人會把看雕塑和看繪畫相比較”。同時他補充道，“與全息圖像競爭只會讓該技術(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)、同時又不需要大量細(xì)節(jié)的場景，例如用以顯示復(fù)雜的3D運動。”

　　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)生可能會使用這種顯示技術(shù)來模擬訓(xùn)練。當(dāng)有了一百萬個移動的粒子，“你就可以擁有一張無實體的臉，就能體會到面對面的遠(yuǎn)程臨場感”。

　　他說，與虛擬現(xiàn)實相比，能在空間中創(chuàng)造人的化身，這樣的臨場感無疑是更強的。

　　在蘇塞克斯實驗室，要達(dá)到百萬粒子級別的的顯示似乎還有很長的路要走。該小組的方法是否可以達(dá)到如此效果，只有時間會證明。

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