声场操控粒子实现裸眼3D显示，科幻的场景正变成现实

由好莱坞影星凯特·温斯莱特和威廉·达福担任配音的裸眼3D视效动画片《尼斯大冒险》将于年底上映，预计成为迎接2020年的跨年亲子动画首选。

《尼斯大冒险》采用“实景拍摄+三维特效”的方式制作，虽然是2D电影，却有着极强的立体感，达到了不需要戴眼镜的“裸眼3D”效果。多年来，优秀的科学家们一直在不断努力推动裸眼3D这个“黑科技”的发展。如今，这项技术已经渐行渐近。

近日《自然》以及《科学》同时报道的一项来自英国萨塞克斯大学的研究，却真的让科幻片中的裸眼3D显示变成了现实。

可看、可听、可“触”的裸眼3D显示

只要敲击一下键盘，就能让一颗颗小小的粒子在空中悬浮、盘旋、“舞蹈”。在英国萨塞克斯大学的这项最新研究中，操纵这些粒子的“上帝之手”，是一个被称为“多模式声镊显示”的装置，研究人员在一个黑色的盒子里，用两组微型扬声器组成的阵列发出超声波，牵引着粒子在空中悬浮、快速移动。因为移动速度非常快，肉眼看到的便是一幅直径几厘米、不停演变的3D图像。在实验展示的画面里，一只立体的彩色蝴蝶完全悬浮在空中，微微抖动翅膀。

“用声场操控粒子实现3D显示，这是一个很好的想法。”东南大学电子科学与工程学院教授夏军说，这项技术的关键在于，“扬声器阵列释放的超声波引起空气震荡，在三维空间中产生随时间快速变化的空气压强，空气压强的变化会产生声辐射力，从而推动粒子的快速运动。如果对二维声波阵列进行编码，粒子就会按照规划好的三维路线高速运动。”

研究人员用红绿蓝三色光照明系统对悬浮移动中的粒子进行照明，从而显现出3D图像。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授、国际信息显示学会会士王琼华介绍，粒子具有散射性，又由于运动的速度非常快，当三色光投射向粒子时，基于人眼的视觉暂留效应，我们就能看到连续的图像。

实验中，产生图像的超声波扬声器也能发出声音。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声音，然后就可以生成一些有趣的音效。

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歌曲《We Will Rock You》在空中出现。

产生图像的超声波扬声器还能带来触觉感知。王琼华表示，人的皮肤是可以感受到声音的。生活中，在音响附近，人可以感受到声音的振动。“在这个实验中，声波的一个周期里，其中75%的声波用于控制粒子的位置与运动，而剩余25%用于提供触觉反馈。实验中将调制频率设为250赫兹，以便降低噪声，同时可以让皮肤的触感达到最佳。”

王琼华在裸眼3D显示技术领域已经研究了15年，她说：“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、触觉，这使得人们离理想的3D显示更近了。但这些图像的尺寸依然很小。”她认为，要创造出《星球大战》里莱娅公主向卢克天行者和欧比旺发出求救信息的3D影像，或许还需要10年甚至更长的时间。

实现裸眼3D主要有两种技术途径

令大家兴奋不已的裸眼3D显示技术，目前正在现实中寻找突围。

“裸眼3D指的是眼睛不需要佩戴眼镜或者头盔等任何辅助设备，就可以看到3D图像。目前裸眼3D分为借助显示屏实现三维成像和在三维空间直接成像两种技术方向，英国萨塞克斯大学的研究属于后者。”夏军介绍，需要借助显示屏显示的裸眼3D，又分为多种，其中一种是采用2D显示屏加光学元件，以便人眼在直接观看的时候，看到3D图像；还有一种是多层屏幕显示，例如利用多层液晶显示屏在空间重建具有角度信息的光场；还可以把多层屏幕变成三维空间中发光的物理屏幕，从而实现裸眼3D成像。

三维空间直接成像的裸眼3D显示，则引起更多科学家的关注。“第一种是用激光照射三维透明的介质，通过激发介质发光呈现3D图像；第二种是用光驱动粒子，让粒子在空间迅速运动，再用另一束光去照射，在三维空间成像；第三种是全息3D显示。”夏军说。

此次《自然》的报道，还记录了另一种裸眼3D技术的迭代。2006年，木村秀井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击落，使其发光。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。

日本筑波大学的计算机科学家兼艺术家小井洋一表示，这种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，例如分辨率低，一次激光爆发只能点亮图像中的一个点，并且如果激光太强还可能灼伤到人。

2016年，小井洋一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，其图像分辨率比木村秀井团队的提高了10—200倍。

走近生活还面临多种技术瓶颈

有学者接受采访时表示，裸眼3D如果能“联姻”5G，可以在教育、医疗、工业制造、广告、游戏等领域大放异彩。不过，在学者们看来，目前裸眼3D技术想要走进生活广泛应用，都或多或少面临技术瓶颈。

“借助平板显示屏实现裸眼3D显示的难点在于，目前显示屏幕的分辨率还不够，另外容易产生立体视疲劳。对于多层屏幕显示技术，因为视场角比较小，只能从特定的位置才能看到3D效果，所以在多人自由观看时受到限制。”夏军说。

而三维空间的裸眼3D显示，急需攻克的难点更多。“用激光照射介质，在介质中成像的技术，对介质的透明度要求很高；用光在三维空间驱动粒子成像，这需要很多像素点，同时粒子的运动速度还要快，如果做小规模的展示还行，但如果做显示终端，图像分辨率难以解决，产业化将面临挑战。”而至于全息3D显示，夏军表示，目前缺乏超高分辨率的显示器，像素还比较大，造成视场角小，观看角度受限。

王琼华认为，裸眼3D显示的发展，需要产业生态的支撑，例如需要与3D相机相结合，后者可以模拟人的左右眼来拍摄，形成庞大的片源，再辅以计算机算法来补充信息。此外，信号的传输标准也需要制定，是直接传输3D信号还是在用户端加工信号，需要明确。

裸眼3D要真正进入市场应用，还需要更精细化的技术迭代。