裸眼3D新打破声响驱动空中立体成像能看能听还能摸

“完美的”三维立体显现是什么样的？

科学家一直在寻求的方针，便是不需求辅助工具、不需求特别视点、不限于特定观看者，完成实在的裸眼 3D。

在 11 月 13 日的Nature杂志上，来自英国萨塞克斯大学（University of Sussex）的研讨人员介绍了一种多模态声阱显现器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：它是能够一起传送视觉、听觉和触觉三种内容为一体的悬浮体显现器，而且其只运用了声响传导作为单一的作业原理。

视频 | 视觉、听觉和触觉三位一体的悬浮体显现器介绍（来历：Univ. Sussex，Nature）

这样一来，该显现的根本办法与全息图、虚拟现实和立体镜等技能就全然不同。那些人们更了解的办法运用光的技巧来发明深度的错觉，给人们带来传神的作用。但全息图只能从某些特定视点看到，虚拟现实和立体透镜都需求戴头盔或许眼镜，而且所有这些技能都或许会引起眼睛疲惫。比较之下，运用激光、电场、雾投影或其他办法来创立实在的 3D 图画，能够让人凭肉眼从任何视点都能看到。

研讨人员规划的这个体系以声学办法捕获粒子，并在快速扫描显现体积时用红、绿、蓝三种色彩的光对粒子进行照耀，以操控其显现的色彩。一起，运用二次陷波器的分时复用、振幅调制和相位最小化办法，让 MATD 能够将听觉与触觉内容跟着视觉显现一起出现。

萨塞克斯大学工程与信息学院的 Ryuji Hirayama，也是论文的榜首作者演示了该显现体系在笔直和水平方向上操控的粒子速度，别离高达8.75 m/s和3.75 m/s，其对粒子的操控才干要远优于此前展现的其他光学或声学办法的功能。除此之外，萨塞克斯大学研讨团队表明，这项技能为非接触式、高速操作物质供给了时机，并将在核算制作和生物医学等范畴得以运用。

图 | 在空中中回旋扭转的虚拟蝴蝶（来历：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）

被科幻点着的研讨

3D 图画显现最早给人们带来形象的，应该是1977 年上映的史诗级科幻电影《星球大战》，莱娅公主向卢克天行者和欧比旺宣布求救信息的三维形象。然后，其续集又有许多三维立体显现技能出现。人们之所以以为《星球大战》具有巨大的含义，既是因其构建出一个庞大的世界观，也在于其在有限的技能条件下用想象力发明了一个童梦神话。3D 立体显现技能，便是其间重要的概念之一。

现在市面上已有的立体显现器通常是将 2D 图画转换为 3D 的。例如，Voxon VX1 将光子投射在一块能够快速上下轰动的屏幕上，它会发明一个无需特别眼镜就能直接观看的 3D 图画。但因为这种显现设备杂乱的机械零件结构，使其只能被锁在玻璃后，还无法找到除了在博物馆展现之外的适宜运用。

2006 年，坐落日本川崎的 Burton 公司首席执行官 Hidei Kimura 首要测验将图画直接制作在三维空间中，他与另一位学者共同开发了一种技能，能用激光将电子从空气分子中敲除，然后让它们发光。一起，经过高速移动激光的焦点，他们能够构成接连的等离子体发光点以构成粗糙的图画。其时，Kimura 表明：“该技能不需求任何东西，就能在空气中直接发明 3D 图画。”他还想象运用这种技能在天空中播送紧迫信息，或是在体育比赛中将 3D 回放投射在场地上。

虽然经过多年开展之后，等离子技能现已能够发作相对安稳的图画，但它仍存在一些很大的约束：其分辨率低，一次激光迸发只相当于图画中的一个点，而且假如激光太强还或许灼伤到人。日本筑波大学的核算机科学家 Yoichi Ochiai 在发现这样一些问题后，展开了进一步研讨。

在 2016 年，Ochiai 的研讨团队开发了一种等离子显现技能，他们运用低能量、短脉冲激光来制作可接触的图画。这些图画的宽度只需几毫米，比 Kimura 团队的图画要小得多。但因为运用的激光脉冲频率更高，而且调制器让激光具有多个焦点，该团队将图画的分辨率比 Kimura 团队的提高了 10~200 倍。他们还能够发明出更杂乱的图画，比方针头巨细的仙女。

而在萨塞克斯大学，声学的 3D 显现研讨则遭到另一部科幻著作的启示：早在1960 时代上映的电视剧《星际迷航》中就知名了的牵引光束。早在 2012 年，其时领导萨塞克斯大学研讨团队的 Sriram Subramanian 就开创出制作声波并发作高压点的办法来固定和移动小物体。但一直到 2018 年，Ryuji Hirayama 来到试验室时，他们才找到了用声响来创立图画的办法。

Nature杂志上所介绍的显现设备并不杂乱，只需敲击一下键盘，Ryuji Hirayama 就能让一颗小小的悬浮颗粒勃发活力。他能操作白色的斑驳使其跳动起来，在空中悬停、回旋扭转。再点击一下，小圆点就会构成一个发光的蝴蝶；在黑色的盒子里打转时，它还会扇动翅膀。

（来历：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）

在半空中变形的背面，其实是一个相对简略的设置：在悬浮的颗粒上下有两个由 256 个微型扬声器组成的细长阵列，其经过发作超声波来完成对粒子的移动操控。因为其移动速度十分快，以至于肉眼所能看到的便是一幅直径只需几厘米、不断演化的 3D 图画。它在空中被直接制作出来，就像用高速蚀刻机进行素描相同。

此外，其发作图画的超声波扬声器也能宣布声响，并让人有触觉的感知。假如向蝴蝶伸出手，人的手指或许会感到颤抖。在萨塞克斯大学研讨团队展现的另一个事例中，一个笑脸伴跟着皇后乐队的《We Will Rock You》在空中出现。

图 | a. 用于丈量颗粒的球形度和直径的照相机设备；b. 不同粒径的最大线速度；c. 用不同的颗粒直径发作的笑脸图画（来历：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）

想要显现出安稳的图画，悬浮的小颗粒需求在不到十分之一秒的时刻内创立每个图画帧。在此前的研讨中，声悬浮往往更重视于怎么将物体坚持得尽或许安稳，运动速度则相对较慢。而 Hirayama 的研讨立异在于，在粒子安稳之前就将其敲出，并专门为核算其移动途径而规划出一个程序，规划好粒子的每个新方针点。

研讨团队能够每秒改动焦点40000次。Hirayama 表明，粒子的速度能到达 8.75 米/秒，这让它们在跨过 2 毫米的空间时，就和瞬间移动差不多。而当粒子运动时，一个快速改变的 LED 会使其沐浴在光线中，然后发作色彩。

图 | 悬浮体显现器出现的地球仪，这张相片的曝光时刻为 0.025-20 秒，只需在 0.1 秒内制作的图画在人眼看来才是接连的图画（来历：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）

不或许的作业正在发作

Hirayama 研讨团队的创意来自于美国犹他州的杨百翰大学（The Brigham Young University）物理学家 Daniel Smalley 的作业，他领导的电全息学小组致力于空间成像和全息投影范畴的研讨。Smalley 表明，运用相同的粒子数和数据，他们团队的图画尺度仅是萨塞克斯大学研讨团队的十分之一，但分辨率要高 10 倍左右。

萨塞克斯大学的技能也尚存缺陷：它需求在显现屏的两边运用扬声器，这约束了观看者与显现屏的交互才干，一起也约束了图画的尺度巨细。但假如将硬件晋级，Sriram Subramanian（另一位研讨团队成员）表明只需求把扬声器放在显现器的一侧也能够用声波发明出图画。

此外，研讨人员还致力于了解悬浮颗粒怎么呼应压力。这能协助他们更快地移动粒子，以便一起用多个粒子制作出更杂乱的图画，并供给结合视觉和触觉的多重体会。在当时的设置中，触觉反应和图画并不能彻底重合，因为它们各自会构成相互搅扰的场。

上面说到的日本筑波大学的核算机科学家 Yoichi Ochiai 的团队则找到了一种办法，能防止两种场的相互搅扰问题，使触觉和视觉重合在一起。他们选用声学场来取得触觉反应，一起用激光脉冲制作图画，Ochiai 的研讨团队现已将该办法运用于在空气中制作盲文点。

关于萨塞克斯大学研讨团队的这项技能，Daniel Smalley 表明：“到现在为止，很少有物理学家以为能够正常的运用声响使颗粒移动得满足快来创立这样的显现器。本年 8 月，英国布里斯托大学的物理学家 Tatsuki Fushimi 和他的合作者成为榜首个证明这是可行的人，可是他们的颗粒需求更长的时刻来描绘形状，这在某种程度上预示着只需小于 1 cm 的图画才干显现为单个接连的目标。但萨塞克斯大学研讨团队的成果，让咱们信任之前以为不或许的作业正在发作。”

图 | Daniel Smalley 试验室的显现出的蝴蝶（来历：Nate Edwards/BYU Photo）

因为《星球大战》和《钢铁侠》等电影给人们带来的形象过于深入，任何 3D 显现都不可防止地会被拿来与电影中的全息图画作比较。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授王琼华，其研讨首要方向便是裸眼 3D 显现技能，他说：“萨塞克斯大学的技能比曾经相似的办法能发明出更大的图画，并结合了声响，这使得人们离重现（全息图画）更近了。但这些图画的尺度依然很小，也远非实在。”王琼华以为，要发明出《星球大战》里的那种 3D 图画或许还需求十年乃至更长的时刻。

但英国德比大学（University of Derby）研讨 3D 技能的物理学家 Barry Blundell 劝诫说：“不应该试图用悬浮体显现技能来发明更丰厚、更实在的图画。就比方，没人会把看雕塑和看绘画比较较。”他还弥补解释道，“与全息图画竞赛的尽力只会让该技能走向商业化的死胡同，这种显现技能最好运用在其他媒体不或许出现、一起又不需求很多细节的场景，例如显现杂乱的 3D 运动等。”

对此，Daniel Smalley 则以为有触感的交互性十分有用。例如，外科医生或许会运用这种显现技能来进行实习操练，比方操练将导管穿过心脏血管等操作。他还表明：“假如有一百万个可移动的粒子，那么就能够发明出一个脱离实体的脸，并进行长途的面对面交互。”

“比较于虚拟现实手法供给的传神图画，在空气中随便发明出人的化身能供给更强的临场感。这将会是一个令人兴奋的规划。”他还以为，萨塞克斯大学的声学显现办法不一定需求绵长的开发阶段才干走出试验室。“在咱们研讨出其他技能之前，我敢打赌这种技能会首要商业化。”Smalley 说道。

当然，在萨塞克斯大学的试验室里，要完成百万粒子级的显现还有很长的路要走。

在演示了悉数的显现作用后，Hirayama 关掉了显现器，拍打着翅膀的蝴蝶消失了，留下了发明它们的珠子在显现器底座上弹跳。Hirayama 捡起它们并装进盒子，或许人们能够像等待戏法师的弁冕相同，等待他的研讨团队在未来带来更令人兴奋的显现“戏法”。

-End-

参阅：

Hirayama, R., Martinez Plasencia, D., Masuda, N. & Subramanian, S. Nature 575, 320–323 (2019).

Fushimi, T., Marzo, A., Drinkwater, B. W. & Hill, T. L. Appl. Phys. Lett. 115, 064601 (2019).

Smalley, P. E. et al. Nature 553, 486–490 (2018).

https:///articles/d41586-019-03454-y