能看能听还能摸,这才是真正的裸眼 3D | 近未来 ㉒

近未来

11-17 10:00

裸眼 3D,一种不用戴设备就能看到立体图像的技术。

回想一下你记忆中的裸眼 3D:

80 后可能想到了《星球大战》里莱娅公主在一道蓝光里发出了 3D 版的求救信号。

90 后可能想到了斯塔克用全息投影和触控技术做出了钢铁侠的盔甲。

00 后可能想到《蜘蛛侠》里神秘客用全息幻境迷惑了所有人的眼睛。

虽然电影就像一场梦,但这个梦现在离我们更近了一步。

萨塞克斯大学的学者们开发出了一种全息图显示器,可以让你直接用肉眼在同一时间看到、听到、感觉到 3D 图像,它可能最贴近我们想象中的「裸眼 3D」。

在实验展示的画面里,一只立体的彩色蝴蝶,正完全悬浮在空中,微微抖动翅膀。

▲研究中显示的抽象蝴蝶. 图片来自:萨塞克斯大学

虽然现在还只能展示一些简单的画面,但项目负责人 Sri Subramanian 表示

它将能置于任何显示方法之上,让我们比以往更接近「终极显示」。

能看,能听,还能摸

什么技术能共同激发起视觉、听觉、触觉?——声悬浮。

声悬浮,即利用声波振动来悬空操控微小的物体。1940 年以来,科学家们开始研究声悬浮的概念。

▲ 第一个可以对粒子施加力以使其悬浮和操纵的声全息图。图片来自:Asier Marzo,Bruce Drinkwater 和 Sriram Subramanian©2015

过去 10 年间,这项技术得到了很大提升,声学系统现在已经能像声波牵引光束一样推拉小颗粒,那么这些小颗粒,就能在我们的视线里进行「3D 打印」,形成我们想看的物体,还能 360 度显示。

这和以往的全息技术完全不同。

这项新技术不仅完全抛弃了屏幕,也无需眼镜或其它仪器来辅助,而是直接在你的眼皮底下呈现。它还不再限于特定观看者,大家都能一起融入这个虚拟世界。

▲ 图片来自:Holovect

研究人员把这次的全息设备称为 「多模态声阱显示器」(Multimodal acoustic trap display,后续简称 MATD)。

实验其实很简单。

他们制作了一个 10cm 长的盒子,顶部和底部有 512 个微型扬声器阵列,当这些扬声器发出超声波,就能通过空气中的震动,用编程操控着比芝麻还小的塑料颗粒。

然后他们使用红、绿、蓝三色的光照射这些悬浮着的颗粒,就可以控制光的颜色。

这项技术并不是初来乍到,这次的突破就在于它「更快更持久」。

快的地方在于,它能让其中的粒子以每秒近 9 米的速度垂直滑动、每秒 3.75 米的速度水平滑动,这种粒子处理能力优于迄今为止展示出来的其它光学或声学方法。去年类似苏塞克斯大学研究的新系统中,粒子每秒移动才不到一米。所以 MATD 的显示效果也会优化很多。

持久的地方在于,因其极快的速度,它能让人完全忽视里面运动的颗粒,而是只感知到其中连续的、不断演变的图像,从而带来视觉的持久性。

除了被看见,它还能被听见。

通过控制多个扬声器阵列,该系统可以产生能被人耳听见的「噪音」,然后就可以生成一些有趣的音效。

MATD 的共同创始人 Diego Martinez Plasencia 博士说:

即使我们听不到超声波,但它仍然是一种机械波,能通过空气传递能量。当我们聚焦这种能量时,就可以产生音频刺激你的耳朵。

超声波也是它能让人有真实触感的原因。

当扬声器把振动集中在一个点上,你的手轻触上去,就能拥有「反弹」的感觉,譬如摸到那只展示中的蝴蝶,手指就会感到颤抖。未来这也能为人们与 3D 图像的互动带来更多的触觉反馈。

研究人员多次演示了这个「神奇」的过程:

他们让一个笑脸随着《We Will Rock You》渐渐变亮;他们通过几个运行程序,来操作空气中的悬浮颗粒;他们创建了一个视听倒数计时器,用户可以直接点击全息显示器来启动和停止——听觉、触觉,都随着视觉显示开始层层叠叠一起出现。

当我们「裸视」后,我们可以干什么

当 3D 图像不再只是可以观赏的内容,当这些内容与真实物体越来越相似,当观看者能一起参与其中并与之互动,这种「全感知」,就是 MATD 比起其它全息技术最独特的优势。

你可能很容易想到《黑镜》里的场景——某天醒来后,你想要 3D 投影出来的人会 360 度立体呈现,笑着跟你说早安。你们或许能拥抱一下,或许还不能,但当你走出家门,他(她)至少能转身和你告别。

▲ 图片来自:《黑镜》,仅为示意图

只是「全感知」暂时还无法实现,目前这种对 3D 运动的呈现、带来触感的交互技术,其实更适合作为可视化工具来使用。

研究团队表示,它对从事生物医学,设计或建筑工作的专业人员来说会有很大的帮助。譬如外科医生用它来实习训练,操作把导管穿过心脏血管等。

杨百翰大学电气与计算机工程副教授 Daniel Smalley 说道:

如果有一百万个可移动的粒子,甚至可以创造出一个脱离实体的脸,进行远程的面对面交互。

▲ Daniel Smalley

项目负责人 Sri Subramanian 指出,它不需要接触物体就能操控物体的功能,还能在实验室中混合化学物质而不污染化学物质,进行精准的药物或芯片等实验。

放大来看,可视化空中数据,也会是我们可以期待的一环。Daniel Smalley 认为通过 3D 视图来呈现出太空垃圾如何分布,能够指导宇航员更直观地避免宇宙中的碰撞。

毕竟现在有两万个以上大于 10cm 的碎片,正以每小时约 36000 公里的平均速度在地球上空飞行。这些碎片对新卫星的发送和宇航员的太空任务会造成越来越大的威胁

▲地球周围的太空垃圾. 图片来自:NASA

虽然这其中需要用到多种技术,但「声悬浮」的商业化也没我们想的那么困难和科幻。

研究人员表示 MATD 是通过低成本和可商购的硬件组建的,所以价格不是很高,任何人都有机会在未来创建一个。

当然了,专用的硬件肯定还是会带来更好的性能,就像蜘蛛侠穿上钢铁侠给他的战衣就变成了「战斗机」一样。

新的裸眼 3D 离我们还有多远?

尽管市面上已经涌现很多产生 3D 图像的设备,但各方面还不太令人满意。

电视和电影屏幕可以通过 3D 眼镜看 3D 图像,但不能进行交互;舞台上的全息图只能从特定角度观看;虚拟现实和立体透镜都要戴设备,但这些设备要不就是太重,要不就是不好用,相对来说轻和好的,价格又不亲民。

▲图片来自:Unsplash

少数无需设备而实现「裸眼 3D」的技术,比如激光、电场、雾投影等,要不是硬件复杂,或者展示图像分辨率不够,要不就是缺乏标准化的用户交互模式。

尽管前年出现过一个可以让我们直接手动交互的 3D 显示器 Holoplayer One,但还只限于让开发人员去探索如何有效使用 3D 界面。

所以我们经常上一秒被科幻片惊艳,下一秒就被现实打回原形。

▲图片来自:Unsplash

不过因为 MATD 的出现,虚拟现实似乎又呈现出了它激进而可信的一面。

只是,在这个新技术进入我们的家门之前,还有很多工作要做。

MATD 当前还只在实验室完成了验证,只能显示简单的图形,如笑脸、蝴蝶环形节、小型金字塔,相对复杂的就是可以旋转的地球仪。

如果要呈现真实地球周围的卫星以及更详细的图像,则还需要让粒子以难以想象的高速来运动,因为「粒子的速度决定了可以显示的图形的大小和复杂程度」。

当你和 MATD 进行交互时,可能也很难确保 MATD 能进行准确的触觉反馈。当前触觉反馈和图像还不能完全重合,两者会形成互相干扰的场。

触觉和声音的同步也遇到了这个难题。随着越来越多超声发生器被用于产生声音或反馈,研究人员还发现颗粒响应会变慢,速度降低了近一半。

另外,对于是否考虑让这项「裸眼 3D」技术真正商业化,研究员 Asier Marzo 说道:

我们还需要进行更多的分析、更多的模拟,查看它在人们在家中可以创造什么,以及显示拟真图像到底具有什么实用价值。

▲ 图片来自:Interestingengineering

所以总的来说,「裸眼 3D」目前仍处于一个初级的、不成熟的阶段,还有很多改进和可供发挥的空间。

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授王琼华,研究的主要方向就是裸眼 3D 显示技术,他表示

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。

他认为要创造出《星球大战》里的那种 3D 图像,或许还需要 10 年甚至更长的时间。

萨塞克斯团队目前还在通过使用更多粒子、更先进的控制技术、功能更强大的超声波扬声器,来实现更响亮的音频,以及更复杂、更真实的触觉反馈。

即使一切还刚开端,但这也意味着我们正可见地接近这个未来。

谁知道今天这只蝴蝶明天会不会扇出一片风暴?

登录,参与讨论前请先登录

评论在审核通过后将对所有人可见

正在加载中