裸眼3D漸行漸近

文/金鳳

圖/東方IC

由知名演員凱特·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》于2019年12月28日在全國上映。該片采用“實景拍攝+三維特效”的方式制作，雖然是2D電影，卻有著極強的立體感，達到了無需戴眼鏡的“裸眼3D”效果。

多年來，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。

不久前《自然》和《科學》同時報道的一項來自英國薩塞克斯大學的研究，似乎真的讓科幻片中的裸眼3D顯示變成了現實。

無需眼鏡就能看3D影像

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，牽引著粒子在空中懸浮、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，一只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，這項技術的關鍵在于，“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，粒子具有散射性，又由于運動的速度非常快，當三色光投射向粒子時，基于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，然后就可以生成一些有趣的音效。

在薩塞克斯大學研究團隊展示的另一個案例中，一個笑臉伴隨著皇后樂隊的歌曲We Will Rock You在空中出現。

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%的聲波用于控制粒子的位置與運動，而剩余25%用于提供觸覺反饋。實驗中將調制頻率設為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，并結合了聲音、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有兩種途徑

目前，令大家興奮不已的裸眼3D顯示技術正在現實中尋找突圍機會。

“裸眼3D指的是眼睛不需要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分為借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于后者。”夏軍介紹，借助顯示屏顯示的裸眼3D分為多種，其中一種是采用2D顯示屏加光學元件，以便人眼在直接觀看時，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；另外，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，并且如果激光太強還可能灼傷到人。

2016年，小井洋一團隊開發了一種等離子顯示技術，他們使用低能量、短脈沖激光來制作可觸摸的圖像，其圖像分辨率比木村秀井團隊的提高了10到200倍。

走進生活仍需時間

有學者接受媒體采訪時表示，裸眼3D如果能“聯姻”5G，可以在教育、醫療、工業制造、廣告、游戲等領域大放異彩。不過，在學者們看來，目前裸眼3D技術想要走進生活并廣泛應用，都或多或少面臨技術瓶頸。

“借助平板顯示屏實現裸眼3D顯示的難點在于，目前顯示屏幕的分辨率還不夠高，容易產生立體視疲勞。對于多層屏幕顯示技術，因為視場角較小，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。”夏軍說。

而三維空間的裸眼3D顯示，急需攻克的難點更多。“用激光照射介質，在介質中成像的技術，對介質的透明度要求很高；用光在三維空間驅動粒子成像，這需要很多像素點，同時粒子的運動速度還要快，如果做小規模的展示還行，但如果做顯示終端，圖像分辨率難以解決，產業化將面臨挑戰。”而至于全息3D顯示，夏軍表示，目前缺乏超高分辨率的顯示器，像素還比較大，造成視場角小，觀看角度受限。

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相機結合，后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。此外，信號的傳輸標準也需要制訂，是直接傳輸3D信號還是在用戶端加工信號，需要明確。

裸眼3D要真正進入市場應用，還需要更精細化的技術迭代。