對二維聲波陣列進行編碼,粒子就會按照規劃好的三維路線高速運動,再用紅綠藍三色光對粒子進行照明就會顯現出3D圖像
由好萊塢影星凱特·溫斯萊特和威廉·達福擔任配音的裸眼3D視效動畫片《尼斯大冒險》將於年底上映,預計會成為迎接2020年的跨年親子動畫首選。
《尼斯大冒險》採用“實景拍攝+三維特效”的方式製作,雖然是2D電影,卻有着極強的立體感,達到了不需要戴眼鏡的“裸眼3D”效果。
多年來,優秀的科學家們一直在不斷努力推動裸眼3D這個“黑科技”的發展。如今,這項技術已經漸行漸近。
近日《自然》以及《科學》同時報道的一項來自英國薩塞克斯大學的研究,真的讓科幻片中的裸眼3D顯示變成了現實。
裸眼3D顯示
可看可聽可“觸”
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的這項最新研究中,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,用兩組微型揚聲器組成的陣列發出超聲波,牽引着粒子在空中懸浮、快速移動。
因為移動速度非常快,肉眼看到的便是一幅直徑幾厘米、不停演變的3D圖像。在實驗展示的畫面里,一隻立體的彩色蝴蝶完全懸浮在空中,微微抖動翅膀。
“用聲場操控粒子實現3D顯示,這是一個很好的想法。”東南大學電子科學與工程學院教授夏軍說,這項技術的關鍵在於,“揚聲器陣列釋放的超聲波引起空氣震蕩,在三維空間中產生隨時間快速變化的空氣壓強,空氣壓強的變化會產生聲輻射力,從而推動粒子的快速運動。如果對二維聲波陣列進行編碼,粒子就會按照規劃好的三維路線高速運動。”
研究人員用紅綠藍三色光照明系統對懸浮移動中的粒子進行照明,從而顯現出3D圖像。北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授、國際信息顯示學會會士王瓊華介紹說,粒子具有散射性,又由於運動的速度非常快,當三色光投射向粒子時,基於人眼的視覺暫留效應,我們就能看到連續的圖像。
實驗中,產生圖像的超聲波揚聲器也能發出聲音。通過控制多個揚聲器陣列,該系統可以產生能被人耳聽見的聲音,然後就可以生成一些有趣的音效。
產生圖像的超聲波揚聲器還能帶來觸覺感知。王瓊華表示,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。
“在這個實驗中,聲波的一個周期里,其中75%的聲波用於控制粒子的位置與運動,而剩餘25%用於提供觸覺反饋。實驗中將調製頻率設為250赫茲,以便降低噪聲,同時可以讓皮膚的觸感達到最佳。”王瓊華介紹說。
王瓊華在裸眼3D顯示技術領域已經研究了15年,她說:“薩塞克斯大學的技術比以前類似的方法能創造出更大的圖像,並結合了聲音、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。”她認為,要創造出《星球大戰》里萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發出求救信息的3D影像,或許還需要10年甚至更長的時間。
實現裸眼3D
主要有兩種技術途徑
令大家興奮不已的裸眼3D顯示技術,目前正在現實中尋找突圍。
“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備,就可以看到3D圖像。目前裸眼3D分為藉助顯示屏實現三維成像和在三維空間直接成像兩種技術方向,英國薩塞克斯大學的研究屬於後者。”夏軍說。
據介紹,需要藉助顯示屏顯示的裸眼3D,又分為多種,其中一種是採用2D顯示屏加光學元件,以便人眼在直接觀看的時候,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光的物理屏幕,從而實現裸眼3D成像。
三維空間直接成像的裸眼3D顯示,則引起更多科學家的關注。“第一種是用激光照射三維透明的介質,通過激發介質發光呈現3D圖像；第二種是用光驅動粒子,讓粒子在空間迅速運動,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》的報道,還記錄了另一種裸眼3D技術的迭代。2006年,木村秀井與另一位學者共同開發了一種技術,能用激光將電子從空氣分子中擊落,使其發光。通過高速移動激光的焦點,他們可以造成連續的等離子體發光點以形成粗糙的圖像。
日本筑波大學的計算機科學家兼藝術家小井洋一表示,這種技術已經可以產生相對穩定的圖像,但它仍存在一些很大的限制,例如分辨率低,一次激光爆發只能點亮圖像中的一個點,並且如果激光太強還可能灼傷到人。
2016年,小井洋一的研究團隊開發了一種等離子顯示技術,他們使用低能量、短脈衝激光來製作可觸摸的圖像,其圖像分辨率比木村秀井團隊的技術提高了10—200倍。
走近生活還面臨
多種技術瓶頸
有學者表示,裸眼3D如果能“聯姻”5G,可以在教育、醫療、工業製造、廣告、遊戲等領域大放異彩。不過,他們也表示,目前裸眼3D技術想要走進生活廣泛應用,都或多或少面臨技術瓶頸。
“藉助平板顯示屏實現裸眼3D顯示的難點在於,目前顯示屏幕的分辨率還不夠,另外容易產生立體視疲勞。對於多層屏幕顯示技術,因為視場角比較小,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受到限制。”夏軍表示。
王瓊華認為,裸眼3D顯示的發展,需要產業生態的支撐。例如需要與3D相機相結合,後者可以模擬人的左右眼來拍攝,形成龐大的片源,再輔以計算機算法來補充信息。(金鳳)
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