隱形斗篷真的存在嗎？

劉　建

如果你是哈里·波特迷，那么你肯定對隱身斗篷非常熟悉。在霍格沃茨學院的第一年，父親傳給哈里一件隱身斗篷。正如它的名字一樣，只要哈里鉆到這塊亮閃閃的銀布下面，馬上就可以隱身。

在小說世界，這似乎是完全可信的，但在現實世界里，有沒有可能制造出一件這樣的衣服呢?東京大學科學家開發的光學偽裝技術就讓隱身斗篷成為了現實。

光學偽裝技術

光學偽裝的工作原理：

光學偽裝是利用了一種稱為“增強現實”的技術。最早對這項技術進行研究的是20世紀60年代任教于哈佛大學和猶他大學的伊凡·蘇澤蘭及其學生。

什么是增強現實技術呢?

就是將電腦生成的信息添加到用戶的感官知覺中。比如說，假設你走在某個城市的街上，你看著街道兩邊的各種場所，額外信息浮現在眼前，可以豐富、增強正常視野。額外信息可能是某個餐廳當日的精選菜式，或劇場的演出時間表，甚至是車站的公車時間表。區分增強現實和虛擬現實的不同非常重要。虛擬現實的目的是取代真實世界，而增強現實是將有用的額外內容作為現實世界的補充。

多數增強現實系統需要用戶透過特殊的觀察設備進行觀察，從而看到帶有合成圖像的、增強的真實世界場景；另外還需要功能強大的電腦。光學偽裝除了以上條件外，還需要一些其他部件。以下是讓一個人隱身所需要的所有設備：1、一件由高反射性材料制成的外套；2、一臺攝影機；3、一臺電腦；4、一臺投影儀；5、特殊的半涂銀面鏡，稱為合成儀。

下面仔細研究一下各個部件。

斗篷：具有光學偽裝功能的斗篷由一種稱為回復反射材料的特殊材料制成。回復反射材料表面由成千上萬個細小的珠子構成。光線碰到珠子后，將逆著入射方向反射出去。回復反射材料很常見，交通燈、路標、自行車反光燈以及電影院銀幕等，都利用了回復反射的原

攝影機和電腦：回復反射外套實際上并不能讓人隱身，而且，它本身也是完全不透明的。它的實際作用類似于電影銀幕，將背景圖像投射到前面，造成隱身的幻像。捕捉背景圖像需要使用攝影機，該攝影機放在穿斗篷的人背后。攝影機的圖像必須是數碼格式，以便傳輸到電腦中進行處理。為了實現光學偽裝，計算機的硬件和軟件首先獲取攝影機捕捉的圖像，計算模擬現實圖像需要的透視圖，并將捕捉圖像轉化為投射到回復反射材料上的圖像。

投影儀和合成儀：電腦處理后的圖像需要投射到外套上。投影儀通過由可變光圈控制的闌孔投射光線來完成這一任務，可變光圈由不透明的薄片構成，轉動光圈可以改變中心闌孔的直徑。合成儀實際上是一種特殊的鏡子，它既能反射投射到斗篷上的圖像，又能讓斗篷上彈回的光線返回到用戶的眼睛。將合成儀放在用戶眼睛前面的適當位置，用戶通過合成儀既可以看到電腦增強后的圖像，又能接收周圍環境中的光線。這點非常關鍵，因為電腦生成的圖像必須和真實世界的場景完美結合，才能造成隱形的幻像，令人感覺更加真實。用戶必須通過鏡子中的窺孔才能看到增強現實世界。

隱身斗篷的完整系統

隱身斗篷究竟是如何讓一個人變成透明的呢?

一個人穿上由回復反射材料制成的斗篷之后，整個隱身的過程如下：

1、使用數碼攝像機捕捉穿斗篷的人背后的場景；

2、電腦處理捕捉到的圖像后進行必要的計算，調整靜態圖像或視頻，讓它在投射后顯得真實；

3、投影儀接收電腦傳送的增強圖像，通過針孔大小的闌孔，將圖像投射到合成儀上；

4、鏡面涂銀部分能夠完全反射光線，將投射的圖像傳送到穿斗篷的人身上；

5、斗篷的作用與電影銀幕類似，將光線直接返回光源處，也就是鏡面處；

6、從斗篷上反射回來的光線通過鏡面透明部分，進人用戶的眼睛。注意，斗篷上反射回來的光線包含了穿斗篷的人背后場景的圖像。

由于背景場景在回復反射材料上顯示出來，穿斗篷的人看起來好像就隱身了。同時，周圍環境中的其他光線也進入用戶眼睛，看起來好像一個完全正常的世界中存在隱身人。

頭戴式顯示器

當然，讓觀察者一直站在固定的合成儀后面是不實際的。如果用戶必須站在一個固定的位置，任何增強現實系統都沒有多少實際用處了。因此，多數的現實增強系統需要用戶在后背或髖部攜帶一臺電腦。這也是多數系統利用頭戴式顯示器的原因，頭戴式顯示器將合成儀和光學系統結合在一起，做成了便于佩帶的設備。

頭戴式顯示器分為兩類：光學透視顯示器和視頻透視顯示器。光學透視顯示器看起來像是一副高科技的風鏡，這種風鏡為每只眼睛分別提供現實和光學內容，使得用戶可以看到立體的增強現實圖像；視頻透視顯示器則是采用視頻混合技術，將頭戴式攝影機捕捉的圖像和電腦生成的圖像合成。

視頻透視顯示器

在視頻透視顯示器中，真實世界的視頻與合成圖像混合，在液晶屏幕上顯示出來。視頻透視顯示器的主要優點是：虛擬物體可完全覆蓋真實世界的物體，反之亦然。

目前，開發光學偽裝技術的科學家正在完善視頻透視顯示器的一個變體，它能將隱身斗篷發揮作用所需的所有部件集于一身。

頭戴式投影儀樣品

開發人員將這個設備稱為頭戴式投影儀，因為投影單元是頭盔的一個組成部分，所以需要兩套投影儀(每只眼睛一套)，以產生立體效果。

在現實世界中的應用

隱身斗篷是光學偽裝技術一項有趣的應用，它在航天、醫療、心理治療等方面都有廣泛的用途，但是，光學偽裝技術一項最有前途的應用不是讓物體隱形，而是讓物體現形。這種概念稱為交互遠程存在；也就是說，讓你仿佛同時在多個地方進行工作并感知不同的環境。

以下是其工作原理：

1、用戶A在某個地點，他的遠程存在機器人A和另一位用戶B位于另一個地點；

2、用戶B在某個地點，他的遠程存在機器人B和另一位用戶A位于另一個地點；

3、兩個遠程存在機器人表面都穿著回復反射材料，因此可用作屏幕；

4、通過兩地的攝影機和投影儀，兩位用戶的圖像都投射到遠程地點各自的機器人身上；

5、兩位用戶會覺得自己是和另一個人共事，而不是和機器人待在一起。

目前，交互遠程存在仍是科學幻想，但在科學家們的不斷努力下，這項技術終將成為現實。