“完美的”三维立体显示是什么样的？

　　科学家一直在追求的目标，就是不需要辅助工具、不需要特殊角度、不限于特定观看者，实现真正的裸眼 3D。

　　在 11 月 13 日的 Nature 杂志上，来自英国萨塞克斯大学（University of Sussex）的研究人员介绍了一种多模态声阱显示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：它是可以同时传送视觉、听觉和触觉三种内容为一体的悬浮体显示器，而且其只使用了声音传导作为单一的工作原理。

　　这样一来，该显示的基本方式与全息图、虚拟现实和立体镜等技术就全然不同。那些人们更熟悉的方法使用光的技巧来创造深度的幻觉，给人们带来逼真的效果。但全息图只能从某些特定角度看到，虚拟现实和立体透镜都需要戴头盔或者眼镜，而且所有这些技术都可能导致眼睛疲劳。相比之下，使用激光、电场、雾投影或其他方法来创建真正的 3D 图像，可以让人凭肉眼从任何角度都能看到。

　　研究人员设计的这个系统以声学方式捕获粒子，并在快速扫描显示体积时用红、绿、蓝三种颜色的光对粒子进行照射，以控制其显示的颜色。同时，利用二次陷波器的分时复用、振幅调制和相位最小化方法，让 MATD 可以将听觉与触觉内容随着视觉显示一并呈现。

　　萨塞克斯大学工程与信息学院的 Ryuji Hirayama，也是论文的第一作者演示了该显示系统在垂直和水平方向上操控的粒子速度，分别高达 8. 75 m/s 和 3. 75 m/s，其对粒子的操控能力要远优于此前展示的其他光学或声学方法的性能。除此之外，萨塞克斯大学研究团队表示，这项技术为非接触式、高速操纵物质提供了机会，并将在计算制造和生物医学等领域得以应用。

在空中盘旋的虚拟蝴蝶。来源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　一、被科幻点燃的研究

　　3D 图像显示最早给人们带来印象的，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发出求救信息的三维影像。而后，其续集又有很多三维立体显示技术出现。人们之所以认为《星球大战》拥有伟大的意义，既是因其构建出一个宏大的世界观，也在于其在有限的技术条件下用想象力创造了一个童梦神话。3D 立体显示技术，就是其中重要的概念之一。

　　目前市面上已有的立体显示器通常是将 2D 图像转换为 3D 的。例如，Voxon VX1 将光子投射在一块可以快速上下震动的屏幕上，它会创造一个无需特殊眼镜就能直接观看的 3D 图像。但由于这种显示设备复杂的机械零件结构，使其只能被锁在玻璃后，还无法找到除了在博物馆展示之外的合适应用。

　　2006 年，位于日本川崎的 Burton 公司首席执行官 Hidei Kimura 首先尝试将图像直接绘制在三维空间中，他与另一位学者共同开发了一种技术，能用激光将电子从空气分子中敲除，从而让它们发光。同时，通过高速移动激光的焦点，他们可以造成连续的等离子体发光点以形成粗糙的图像。当时，Kimura 表示：“该技术不需要任何东西，就能在空气中直接创造 3D 图像。”他还设想使用这种技术在天空中广播紧急信息，或是在体育比赛中将 3D 回放投射在场地上。

　　尽管经过多年发展之后，等离子技术已经可以产生相对稳定的图像，但它仍存在一些很大的限制：其分辨率低，一次激光爆发只相当于图像中的一个点，并且如果激光太强还可能灼伤到人。日本筑波大学的计算机科学家 Yoichi Ochiai 在发现这些问题后，展开了进一步研究。

　　在 2016 年，Ochiai 的研究团队开发了一种等离子显示技术，他们使用低能量、短脉冲激光来制作可触摸的图像。这些图像的宽度只有几毫米，比 Kimura 团队的图像要小得多。但因为使用的激光脉冲频率更高，并且调制器让激光拥有多个焦点，该团队将图像的分辨率比 Kimura 团队的提高了 10~200 倍。他们还可以创造出更复杂的图像，比如针头大小的仙女。

　　而在萨塞克斯大学，声学的 3D 显示研究则受到另一部科幻作品的启发：早在 1960 年代上映的电视剧《星际迷航》中就出名了的牵引光束。早在 2012 年，当时领导萨塞克斯大学研究团队的 Sriram Subramanian 就开创出制造声波并产生高压点的方法来固定和移动小物体。但一直到 2018 年，Ryuji Hirayama 来到实验室时，他们才找到了用声音来创建图像的方法。

　　Nature 杂志上所介绍的显示设备并不复杂，只要敲击一下键盘，Ryuji Hirayama 就能让一颗小小的悬浮颗粒焕发生机。他能操作白色的斑点使其跳跃起来，在空中悬停、盘旋。再点击一下，小圆点就会形成一个发光的蝴蝶；在黑色的盒子里打转时，它还会扇动翅膀。

来源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　在半空中变形的背后，其实是一个相对简单的设置：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，其通过产生超声波来完成对粒子的移动控制。因为其移动速度十分快，以至于肉眼所能看到的就是一幅直径只有几厘米、不断演变的 3D 图像。它在空中被直接绘制出来，就像用高速蚀刻机进行素描一样。

　　此外，其产生图像的超声波扬声器也能发出声音，并让人有触觉的感知。如果向蝴蝶伸出手，人的手指可能会感到颤动。在萨塞克斯大学研究团队展示的另一个案例中，一个笑脸伴随着皇后乐队的《We Will Rock You》在空中出现。

图 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（来源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　想要显示出稳定的图像，悬浮的小颗粒需要在不到十分之一秒的时间内创建每个图像帧。在此前的研究中，声悬浮往往更关注于如何将物体保持得尽可能稳定，运动速度则相对较慢。而 Hirayama 的研究创新在于，在粒子稳定之前就将其敲出，并专门为计算其移动路径而设计出一个程序，规划好粒子的每个新目标点。

　　研究团队可以每秒改变焦点40000 次。Hirayama 表示，粒子的速度能达到 8.75 米/秒，这让它们在跨越 2 毫米的空间时，就和瞬间移动差不多。而当粒子运动时，一个快速变化的 LED 会使其沐浴在光线中，从而产生颜色。

悬浮体显示器呈现的地球仪，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图像。来源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex

　　二、不可能的事情正在发生

　　Hirayama 研究团队的灵感来自于美国犹他州的杨百翰大学（The Brigham Young University）物理学家 Daniel Smalley 的工作，他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。

　　萨塞克斯大学的技术也尚存缺点：它需要在显示屏的两侧使用扬声器，这限制了观看者与显示屏的交互能力，同时也限制了图像的尺寸大小。但如果将硬件升级，Sriram Subramanian（另一位研究团队成员）表示只需要把扬声器放在显示器的一侧也可以用声波创造出图像。

　　此外，研究人员还致力于理解悬浮颗粒如何响应压力。这能帮助他们更快地移动粒子，以便同时用多个粒子绘制出更复杂的图像，并提供结合视觉和触觉的多重体验。在当前的设置中，触觉反馈和图像并不能完全重合，因为它们各自会形成互相干扰的场。

　　上面提到的日本筑波大学的计算机科学家 Yoichi Ochiai 的团队则找到了一种方法，能避免两种场的互相干扰问题，使触觉和视觉重合在一起。他们采用声学场来获得触觉反馈，同时用激光脉冲绘制图像，Ochiai 的研究团队已经将该方法应用于在空气中绘制盲文点。

　　对于萨塞克斯大学研究团队的这项技术，Daniel Smalley 表示：“到现在为止，很少有物理学家认为可以使用声音使颗粒移动得足够快来创建这样的显示器。今年 8 月，英国布里斯托大学的物理学家 Tatsuki Fushimi 和他的合作者成为第一个证明这是可行的人，但是他们的颗粒需要更长的时间来描绘形状，这意味着只有小于 1 cm 的图像才能显示为单个连续的对象。但萨塞克斯大学研究团队的结果，让我们相信之前认为不可能的事情正在发生。”

Daniel Smalley 实验室的显示出的蝴蝶。来源：Nate Edwards/BYU Photo

　　由于《星球大战》和《钢铁侠》等电影给人们带来的印象过于深刻，任何 3D 显示都不可避免地会被拿来与电影中的全息图像作比较。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授王琼华，其研究主要方向就是裸眼 3D 显示技术，他说：“萨塞克斯大学的技术比以前类似的方法能创造出更大的图像，并结合了声音，这使得人们离重现（全息图像）更近了。但这些图像的尺寸仍然很小，也远非真实。”王琼华认为，要创造出《星球大战》里的那种 3D 图像或许还需要十年甚至更长的时间。

　　但英国德比大学（University of Derby）研究 3D 技术的物理学家 Barry Blundell 告诫说：“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。”他还补充解释道，“与全息图像竞争的努力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，例如显示复杂的 3D 运动等。”

　　对此，Daniel Smalley 则认为有触感的交互性非常有用。例如，外科医生可能会利用这种显示技术来进行实习训练，比如练习将导管穿过心脏血管等操作。他还表示：“如果有一百万个可移动的粒子，那么就可以创造出一个脱离实体的脸，并进行远程的面对面交互。”

　　“相比于虚拟现实手段提供的逼真图像，在空气中凭空创造出人的化身能提供更强的临场感。这将会是一个令人兴奋的设计。”他还认为，萨塞克斯大学的声学显示方法不一定需要漫长的开发阶段才能走出实验室。“在我们研究出其他技术之前，我敢打赌这种技术会首先商业化。”Smalley 说道。

　　当然，在萨塞克斯大学的实验室里，要实现百万粒子级的显示还有很长的路要走。

　　在演示了全部的显示效果后，Hirayama 关掉了显示器，拍打着翅膀的蝴蝶消失了，留下了创造它们的珠子在显示器底座上弹跳。Hirayama 捡起它们并装进盒子，或许人们可以像期待魔术师的礼帽一样，期待他的研究团队在未来带来更令人兴奋的显示“魔术”。