操控悬浮粒子，空中三维成像，能听能摸！Nature和Science报道，裸眼3D新可能

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大数据文摘出品
来源：Nature
编译：木槿、刘俊寰
在 1977 年上映的科幻经典《星球大战》中，莱娅公主向卢克天行者和欧比旺发出了三维版求救影像。

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作为三维成像最初的灵感，直到40年后的今天，人类的3D成像依然远没有达到当年乔治·卢卡斯想象的效果——逼真、实时、裸眼，目前市面上常见的三维成像依然需要借助特定的硬件工具，比如VR眼镜、或者在某个特定的角度才可以。不过昨天，《自然》和《科学》同时在新闻版头条报道的一项来自英国萨塞克斯大学的研究，有望让科幻片中的裸眼3D变成现实。新的研究采用了一种多模态声阱显示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：利用超声波扬声器引导微小的粒子，可以同时传送视觉、听觉和触觉三种内容，并形成一个可以在空中改变形态的悬浮显示器。

操控悬浮颗粒，空中成像，还能触碰

半空中操控粒子变形态变换的背后其实是一个相对简单的装置，两个由256个微型扬声器组成的细长阵列通过超声波来移动粒子。因为移动的速度过快，肉眼所见是几厘米宽的不断变化的3D图像，在空中的展示效果就是一个快速变换的几何图形。

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在报道中，主要研究员平山龙治（Ryuji Hirayama）通过几个程序运行，就可以操作一系列悬浮颗粒，这些白色斑点可以跳跃起来，随即静止在空中。再次轻拍，斑点就变成了发光的蝴蝶形状，在黑匣子中还在拍打翅膀。

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丹尼尔·斯莫利实验室里的“蝴蝶”为了证明这不是魔术，平山在英国布莱顿苏塞克斯大学的同事迭戈·马丁内斯·普拉森西亚（Diego Martinez Plasencia）还将手伸到了盒子里。《自然》称，你甚至可以触摸和听到超声波扬声器引导微小的粒子产生震动和声音。更有趣的一点是，超声波扬声器不仅能产生图像，还可以产生声音和触感。当你触摸蝴蝶的时候，手指可能会感到颤抖。在《自然》报道的另一个研究案例中，伴随着皇后乐队《We Will Rock You》的歌声，空中出现了一张笑脸。

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a. 用于测量颗粒的球形度和直径的照相机装置；b. 不同粒径的最大线速度；c. 用不同的颗粒直径产生的笑脸图案。值得注意的是，用于创建这些效果的大多数微粒都是现成的。在演示了所有的效果之后，平山切断了电源，拍打着的蝴蝶和笑脸立刻消失了，形成它们的粒子在显示器的底座上轻轻弹跳着。平山将这些粒子拾起，将其装入盒子中，随时准备在空气中再度创造魔法。

追赶科幻的脚步：裸眼3D的新可能

“这令人兴奋。”杨百翰大学的物理学家丹尼尔·斯莫利（Daniel Smalley） 在接受《自然》杂志采访时候说道，他去年也公布了一项类似的技术，利用激光绕过一小块纤维素产生图像。

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斯莫利领导的电全息学小组致力于空间成像和全息投影领域的研究，Smalley表示，利用相同的粒子数和数据，他们团队的图像尺寸仅是萨塞克斯大学研究团队的十分之一，但分辨率要高 10 倍左右。他还说道，目前为止，很少有物理学家相信可以利用声音使粒子高速移动产生这样的效果。今年8月，英国布里斯托尔大学的物理学家福岛达树（Tatsuki fusimi）和合作者第一次证明了这种方法的可行性。但是他们的粒子需要更长的时间描绘形状，这意味着只有直径小于1厘米的图像才能看上去像单个连续的物体。斯莫利说，苏塞克斯团队的工作让他们相信，这些“不可能”的事情正在发生。11月13日Nature上介绍的声学装置被视为容积显示的3D图像生成技术的最新例子，该技术与全息图、虚拟现实和立体镜等技术有着根本的不同。这些更为熟悉的方法使用的是光学相关知识创造出深度错觉，对象可以是真人大小也可以是真实照片。但是全息图只能从特定角度看到，虚拟现实和立体镜需要戴上相关设备，相同之处大概是，长时间地利用这些技术进行观看，都将导致眼睛疲劳。相比之下，自由空间体积显示器（Free-space volumetric displays）利用的是激光、电场、雾投影等方法，产生的是真正的3D图像，观众可以从任何有利位置看到。如此看来，这或许是最接近于1977年电影《星球大战》中莱娅公主发出求救时使用的成像方式。

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事实上，对空间体积显示器的研究历史比《星球大战》要早得多。相比较于全息图而言，空间体积显示器有一个很大的优势，需要的计算能力要少很多。斯莫利说，尽管经过了几十年努力，自由空间体积显示器仍然局限于小而糙的图纸上，而且它们很难在商业上起步。尽管如此，他仍然希望把包括声悬浮在内的更为实用的技术进行结合，这也有助于空间体积显示器的落地商用，它既可以被用于实习医生详细的交互式模型中，也可以使人们能够与以3方式呈现的远亲进行聊天。萨塞克斯团队的声学方法或许用不了很长时间就能走出实验室，斯莫利说， “我敢打赌，这项技术的商业化进度会快于我们研究的许多其它技术。”

灯光和声音的魔术

市面上已有的三维显示器通常是通过制作2D图像和3D图像来工作。例如，Voxon VX1可以将光子投射到到屏幕上，屏幕上的光子上下快速振动。

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2006年，日本川崎Burton公司的首席执行官木村秀井首次尝试将图像直接绘制到三维空间上。木村秀井和合作者们开发了一项技术，该技术利用激光将电子从空气分子上击落，使其发光。通过高速移动激光的焦点，他们可以制造出发光的等离子体，形成一个粗糙的图像。木村说：“不需要任何东西，我们可以直接在空中创建3D图像。”他设想使用这种技术广播紧急信息，或者在体育赛事的球场上方投射3D用以重播回顾。日本筑波大学的计算机科学家和艺术家奥奇一（Yoichi Ochiai）说，等离子体技术产生相对稳定的图像，但是它也有一些限制，比如分辨率低，一次激光冲击等于图像中的一个点，而且激光强度太大，可能会有烧伤的风险。2016年，奥奇一的研究小组采用了等离子体技术，实现了利用低能量、短脉冲的激光制作能够安全接触的图像。由于直径只有几毫米，产生的图像比木村小组的要小得多。但是通过使用频率更高的激光和调制器将光束形成多个焦点，团队可以将分辨率提高到木村团队的10-200倍。如此，他们有能力创造更复杂的图像，如针头大小的仙女。声学3D显示器的灵感来自于20世纪60年代的电视连续剧《星际迷航》。受到电视剧中牵引光束的启发，在2012年，研究小组负责人斯里拉姆·萨勃拉曼尼亚（Sriram Subramanian）开创了利用声波制造高压点的先河，这些高压点可以捕捉和移动小物体。但直到2018年平山的到来，研究小组才找到了利用声音创造图像的方法。

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立体显示器中的地球仪。这张照片的曝光时间为0.025-20秒，只有在0.1秒内绘制的图像在人眼看来才是连续的。

为了呈现实体照片，一个粒子需要在不到0.1秒的时间里创建每个图像帧。到目前为止，声悬浮一直倾向于尽可能保持物体的稳定状态，从一个稳定点到另一个稳定点，运动以停止-开始的方式相对缓慢。平山的创新之处在于让粒子在静止前分开它们，然后使用专门为计算而设计的硬件来计算每一个新的目标点。这意味着研究小组能够以每秒钟40,000次的频率改变领域焦点。平山说，当一个2毫米宽的粒子穿过几厘米的空间时，速度可以达到每秒8.75米，看起来就像隐形传送。而当粒子运动时，一个快速变化的LED会使其沐浴在光线中，从而产生颜色。

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英国萨塞克斯大学的一个研究小组发明了一种可以在空中盘旋的虚拟蝴蝶。

但苏塞克斯技术有一个缺点，扬声器被限制在了显示器的两侧，这也限制了观看者与显示器互动的能力和尺寸大小。但是随着硬件的升级，萨勃拉曼尼亚说，可以使用一种不同的声波，使得扬声器能仅在一侧就能产生图像。研究人员还在努力提高他们对粒子如何对作用在其上的力作出反应的理解，这使得他们能够更快移动粒子，通过同时悬浮多个粒子来绘制更复杂的图像，并且更加紧密地整合视觉和触觉。在目前的设置中，触觉和图像并不完全出现在完全相同的位置，因为创建它们所需的场可能会相互干扰。奥奇一的团队找到了一种方法，通过触觉反馈的声场和用于在等离子体中绘制微小图像的激光结合触觉和视觉，而且这两个场互不干扰。目前研究小组已经用这种方法在空中画出了盲点。

创造面对面的远程临场感

北京北京航空航天大学大学从事3D显示设备的王琼华表示：任何3D显示器都会被拿来与《星球大战》的全息图相比较，这似乎已经成为了一个惯例。苏塞克斯的技术使得图像比以前的方法更大，还结合了声音，这更接近于再现的效果，但是这些照片还远远达不到真实。她说，要实现《星球大战》中的全息效果，可能还需要十年甚至更长的时间。但是英国德比大学专门研究3D技术的物理学家Barry Blundell告诫人们，“不应该试图用悬浮体显示技术来创造更丰富、更真实的图像，就好比，没人会把看雕塑和看绘画相比较”。同时他补充道，“与全息图像竞争只会让该技术走向商业化的死胡同，这种显示技术最好应用在其他媒体不可能呈现、同时又不需要大量细节的场景，例如用以显示复杂的3D运动。”斯莫利说，这一技术的交互感很具有启发性。例如，正在接受培训的外科医生可能会使用这种显示技术来模拟训练。当有了一百万个移动的粒子，“你就可以拥有一张无实体的脸，就能体会到面对面的远程临场感”。他说，与虚拟现实相比，能在空间中创造人的化身，这样的临场感无疑是更强的。在苏塞克斯实验室，要达到百万粒子级别的的显示似乎还有很长的路要走。该小组的方法是否可以达到如此效果，只有时间会证明。