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聲場操控粒子實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示,科幻的場景正變成現(xiàn)實(shí)

汽車玩家 ? 來源:人民網(wǎng) ? 作者:人民網(wǎng) ? 2019-12-09 09:21 ? 次閱讀
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由好萊塢影星凱特·溫斯萊特和威廉·達(dá)福擔(dān)任配音的裸眼3D視效動(dòng)畫片《尼斯大冒險(xiǎn)》將于年底上映,預(yù)計(jì)成為迎接2020年的跨年親子動(dòng)畫首選。

《尼斯大冒險(xiǎn)》采用“實(shí)景拍攝+三維特效”的方式制作,雖然是2D電影,卻有著極強(qiáng)的立體感,達(dá)到了不需要戴眼鏡的“裸眼3D”效果。多年來,優(yōu)秀的科學(xué)家們一直在不斷努力推動(dòng)裸眼3D這個(gè)“黑科技”的發(fā)展。如今,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)漸行漸近。

近日《自然》以及《科學(xué)》同時(shí)報(bào)道的一項(xiàng)來自英國薩塞克斯大學(xué)的研究,卻真的讓科幻片中的裸眼3D顯示變成了現(xiàn)實(shí)。

可看、可聽、可“觸”的裸眼3D顯示

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(xué)的這項(xiàng)最新研究中,操縱這些粒子的“上帝之手”,是一個(gè)被稱為“多模式聲鑷顯示”的裝置,研究人員在一個(gè)黑色的盒子里,用兩組微型揚(yáng)聲器組成的陣列發(fā)出超聲波,牽引著粒子在空中懸浮、快速移動(dòng)。因?yàn)橐苿?dòng)速度非??欤庋劭吹降谋闶且环睆綆桌迕?、不停演變的3D圖像。在實(shí)驗(yàn)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(dòng)翅膀。

“用聲場操控粒子實(shí)現(xiàn)3D顯示,這是一個(gè)很好的想法?!睎|南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授夏軍說,這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于,“揚(yáng)聲器陣列釋放的超聲波引起空氣震蕩,在三維空間中產(chǎn)生隨時(shí)間快速變化的空氣壓強(qiáng),空氣壓強(qiáng)的變化會(huì)產(chǎn)生聲輻射力,從而推動(dòng)粒子的快速運(yùn)動(dòng)。如果對二維聲波陣列進(jìn)行編碼,粒子就會(huì)按照規(guī)劃好的三維路線高速運(yùn)動(dòng)。”

研究人員用紅綠藍(lán)三色光照明系統(tǒng)對懸浮移動(dòng)中的粒子進(jìn)行照明,從而顯現(xiàn)出3D圖像。北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授、國際信息顯示學(xué)會(huì)會(huì)士王瓊?cè)A介紹,粒子具有散射性,又由于運(yùn)動(dòng)的速度非???,當(dāng)三色光投射向粒子時(shí),基于人眼的視覺暫留效應(yīng),我們就能看到連續(xù)的圖像。

實(shí)驗(yàn)中,產(chǎn)生圖像的超聲波揚(yáng)聲器也能發(fā)出聲音。通過控制多個(gè)揚(yáng)聲器陣列,該系統(tǒng)可以產(chǎn)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示的另一個(gè)案例中,一個(gè)笑臉伴隨著皇后樂隊(duì)的歌曲《We Will Rock You》在空中出現(xiàn)。

產(chǎn)生圖像的超聲波揚(yáng)聲器還能帶來觸覺感知。王瓊?cè)A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(dòng)。“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,聲波的一個(gè)周期里,其中75%的聲波用于控制粒子的位置與運(yùn)動(dòng),而剩余25%用于提供觸覺反饋。實(shí)驗(yàn)中將調(diào)制頻率設(shè)為250赫茲,以便降低噪聲,同時(shí)可以讓皮膚的觸感達(dá)到最佳?!?/p>

王瓊?cè)A在裸眼3D顯示技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)研究了15年,她說:“薩塞克斯大學(xué)的技術(shù)比以前類似的方法能創(chuàng)造出更大的圖像,并結(jié)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(rèn)為,要?jiǎng)?chuàng)造出《星球大戰(zhàn)》里萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發(fā)出求救信息的3D影像,或許還需要10年甚至更長的時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)裸眼3D主要有兩種技術(shù)途徑

令大家興奮不已的裸眼3D顯示技術(shù),目前正在現(xiàn)實(shí)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(shè)備,就可以看到3D圖像。目前裸眼3D分為借助顯示屏實(shí)現(xiàn)三維成像和在三維空間直接成像兩種技術(shù)方向,英國薩塞克斯大學(xué)的研究屬于后者?!毕能娊榻B,需要借助顯示屏顯示的裸眼3D,又分為多種,其中一種是采用2D顯示屏加光學(xué)元件,以便人眼在直接觀看的時(shí)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(fā)光的物理屏幕,從而實(shí)現(xiàn)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(xué)家的關(guān)注?!暗谝环N是用激光照射三維透明的介質(zhì),通過激發(fā)介質(zhì)發(fā)光呈現(xiàn)3D圖像;第二種是用光驅(qū)動(dòng)粒子,讓粒子在空間迅速運(yùn)動(dòng),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?!毕能娬f。

此次《自然》的報(bào)道,還記錄了另一種裸眼3D技術(shù)的迭代。2006年,木村秀井與另一位學(xué)者共同開發(fā)了一種技術(shù),能用激光將電子從空氣分子中擊落,使其發(fā)光。通過高速移動(dòng)激光的焦點(diǎn),他們可以造成連續(xù)的等離子體發(fā)光點(diǎn)以形成粗糙的圖像。

日本筑波大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家兼藝術(shù)家小井洋一表示,這種技術(shù)已經(jīng)可以產(chǎn)生相對穩(wěn)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(fā)只能點(diǎn)亮圖像中的一個(gè)點(diǎn),并且如果激光太強(qiáng)還可能灼傷到人。

2016年,小井洋一的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種等離子顯示技術(shù),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(tuán)隊(duì)的提高了10—200倍。

走近生活還面臨多種技術(shù)瓶頸

有學(xué)者接受采訪時(shí)表示,裸眼3D如果能“聯(lián)姻”5G,可以在教育、醫(yī)療、工業(yè)制造、廣告、游戲等領(lǐng)域大放異彩。不過,在學(xué)者們看來,目前裸眼3D技術(shù)想要走進(jìn)生活廣泛應(yīng)用,都或多或少面臨技術(shù)瓶頸。

“借助平板顯示屏實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的難點(diǎn)在于,目前顯示屏幕的分辨率還不夠,另外容易產(chǎn)生立體視疲勞。對于多層屏幕顯示技術(shù),因?yàn)橐晥鼋潜容^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(shí)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(diǎn)更多。“用激光照射介質(zhì),在介質(zhì)中成像的技術(shù),對介質(zhì)的透明度要求很高;用光在三維空間驅(qū)動(dòng)粒子成像,這需要很多像素點(diǎn),同時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)速度還要快,如果做小規(guī)模的展示還行,但如果做顯示終端,圖像分辨率難以解決,產(chǎn)業(yè)化將面臨挑戰(zhàn)?!倍劣谌?D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?cè)A認(rèn)為,裸眼3D顯示的發(fā)展,需要產(chǎn)業(yè)生態(tài)的支撐,例如需要與3D相機(jī)相結(jié)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(jì)算機(jī)算法來補(bǔ)充信息。此外,信號(hào)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)也需要制定,是直接傳輸3D信號(hào)還是在用戶端加工信號(hào),需要明確。

裸眼3D要真正進(jìn)入市場應(yīng)用,還需要更精細(xì)化的技術(shù)迭代。

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