“完美的”三維立體顯示是什麼樣的？
科學家一直在追求的目標，就是不需要輔助工具、不需要特殊角度、不限於特定觀看者，實現真正的裸眼 3D。
在 11 月 13 日的 Nature 雜誌上，來自英國薩塞克斯大學（University of Sussex）的研究人員介紹了一種多模態聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：它是可以同時傳送視覺、聽覺和觸覺三種內容為一體的懸浮體顯示器，而且其只使用了聲音傳導作為單一的工作原理。
這樣一來，該顯示的基本方式與全息圖、虛擬現實和立體鏡等技術就全然不同。那些人們更熟悉的方法使用光的技巧來創造深度的幻覺，給人們帶來逼真的效果。但全息圖只能從某些特定角度看到，虛擬現實和立體透鏡都需要戴頭盔或者眼鏡，而且所有這些技術都可能導致眼睛疲勞。相比之下，使用激光、電場、霧投影或其他方法來創建真正的 3D 圖像，可以讓人憑肉眼從任何角度都能看到。
研究人員設計的這個系統以聲學方式捕獲粒子，並在快速掃描顯示體積時用紅、綠、藍三種顏色的光對粒子進行照射，以控制其顯示的顏色。同時，利用二次陷波器的分時複用、振幅調製和相位最小化方法，讓 MATD 可以將聽覺與觸覺內容隨著視覺顯示一併呈現。
薩塞克斯大學工程與信息學院的 Ryuji Hirayama，也是論文的第一作者演示了該顯示系統在垂直和水平方向上操控的粒子速度，分別高達 8.75 m/s 和 3.75 m/s，其對粒子的操控能力要遠優於此前展示的其他光學或聲學方法的性能。除此之外，薩塞克斯大學研究團隊表示，這項技術為非接觸式、高速操縱物質提供了機會，並將在計算製造和生物醫學等領域得以應用。
圖 | 在空中中盤旋的虛擬蝴蝶（來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）
被科幻點燃的研究
3D 圖像顯示最早給人們帶來印象的，應該是 1977 年上映的史詩級科幻電影《星球大戰》，萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發出求救信息的三維影像。而後，其續集又有很多三維立體顯示技術出現。人們之所以認為《星球大戰》擁有偉大的意義，既是因其構建出一個宏大的世界觀，也在於其在有限的技術條件下用想象力創造了一個童夢神話。3D 立體顯示技術，就是其中重要的概念之一。
目前市面上已有的立體顯示器通常是將 2D 圖像轉換為 3D 的。例如，Voxon VX1 將光子投射在一塊可以快速上下震動的屏幕上，它會創造一個無需特殊眼鏡就能直接觀看的 3D 圖像。但由於這種顯示設備複雜的機械零件結構，使其只能被鎖在玻璃後，還無法找到除了在博物館展示之外的合適應用。
2006 年，位於日本川崎的 Burton 公司首席執行官 Hidei Kimura 首先嚐試將圖像直接繪製在三維空間中，他與另一位學者共同開發了一種技術，能用激光將電子從空氣分子中敲除，從而讓它們發光。同時，通過高速移動激光的焦點，他們可以造成連續的等離子體發光點以形成粗糙的圖像。當時，Kimura 表示：“該技術不需要任何東西，就能在空氣中直接創造 3D 圖像。”他還設想使用這種技術在天空中廣播緊急信息，或是在體育比賽中將 3D 回放投射在場地上。
儘管經過多年發展之後，等離子技術已經可以產生相對穩定的圖像，但它仍存在一些很大的限制：其分辨率低，一次激光爆發只相當於圖像中的一個點，並且如果激光太強還可能灼傷到人。日本筑波大學的計算機科學家 Yoichi Ochiai 在發現這些問題後，展開了進一步研究。
在 2016 年，Ochiai 的研究團隊開發了一種等離子顯示技術，他們使用低能量、短脈衝激光來製作可觸摸的圖像。這些圖像的寬度只有幾毫米，比 Kimura 團隊的圖像要小得多。但因為使用的激光脈衝頻率更高，並且調製器讓激光擁有多個焦點，該團隊將圖像的分辨率比 Kimura 團隊的提高了 10~200 倍。他們還可以創造出更復雜的圖像，比如針頭大小的仙女。
而在薩塞克斯大學，聲學的 3D 顯示研究則受到另一部科幻作品的啟發：早在 1960 年代上映的電視劇《星際迷航》中就出名了的牽引光束。早在 2012 年，當時領導薩塞克斯大學研究團隊的 Sriram Subramanian 就開創出製造聲波併產生高壓點的方法來固定和移動小物體。但一直到 2018 年，Ryuji Hirayama 來到實驗室時，他們才找到了用聲音來創建圖像的方法。
Nature 雜誌上所介紹的顯示設備並不複雜，只要敲擊一下鍵盤，Ryuji Hirayama 就能讓一顆小小的懸浮顆粒煥發生機。他能操作白色的斑點使其跳躍起來，在空中懸停、盤旋。再點擊一下，小圓點就會形成一個發光的蝴蝶；在黑色的盒子裡打轉時，它還會扇動翅膀。
（來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）
在半空中變形的背後，其實是一個相對簡單的設置：在懸浮的顆粒上下有兩個由 256 個微型揚聲器組成的細長陣列，其通過產生超聲波來完成對粒子的移動控制。因為其移動速度十分快，以至於肉眼所能看到的就是一幅直徑只有幾釐米、不斷演變的 3D 圖像。它在空中被直接繪製出來，就像用高速蝕刻機進行素描一樣。
此外，其產生圖像的超聲波揚聲器也能發出聲音，並讓人有觸覺的感知。如果向蝴蝶伸出手，人的手指可能會感到顫動。在薩塞克斯大學研究團隊展示的另一個案例中，一個笑臉伴隨著皇后樂隊的《We Will Rock You》在空中出現。
圖 | a. 用於測量顆粒的球形度和直徑的照相機裝置；b. 不同粒徑的最大線速度；c. 用不同的顆粒直徑產生的笑臉圖案（來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）
想要顯示出穩定的圖像，懸浮的小顆粒需要在不到十分之一秒的時間內創建每個圖像幀。在此前的研究中，聲懸浮往往更關注於如何將物體保持得儘可能穩定，運動速度則相對較慢。而 Hirayama 的研究創新在於，在粒子穩定之前就將其敲出，並專門為計算其移動路徑而設計出一個程序，規劃好粒子的每個新目標點。
研究團隊可以每秒改變焦點 40000 次。Hirayama 表示，粒子的速度能達到 8.75 米/秒，這讓它們在跨越 2 毫米的空間時，就和瞬間移動差不多。而當粒子運動時，一個快速變化的 LED 會使其沐浴在光線中，從而產生顏色。
圖 | 懸浮體顯示器呈現的地球儀，這張照片的曝光時間為 0.025-20 秒，只有在 0.1 秒內繪製的圖像在人眼看來才是連續的圖像（來源：Eimontas Jankauskis/Univ. Sussex）
不可能的事情正在發生
Hirayama 研究團隊的靈感來自於美國猶他州的楊百翰大學（The Brigham Young University）物理學家 Daniel Smalley 的工作，他領導的電全息學小組致力於空間成像和全息投影領域的研究。Smalley 表示，利用相同的粒子數和數據，他們團隊的圖像尺寸僅是薩塞克斯大學研究團隊的十分之一，但分辨率要高 10 倍左右。
薩塞克斯大學的技術也尚存缺點：它需要在顯示屏的兩側使用揚聲器，這限制了觀看者與顯示屏的交互能力，同時也限制了圖像的尺寸大小。但如果將硬件升級，Sriram Subramanian（另一位研究團隊成員）表示只需要把揚聲器放在顯示器的一側也可以用聲波創造出圖像。
此外，研究人員還致力於理解懸浮顆粒如何響應壓力。這能幫助他們更快地移動粒子，以便同時用多個粒子繪製出更復雜的圖像，並提供結合視覺和觸覺的多重體驗。在當前的設置中，觸覺反饋和圖像並不能完全重合，因為它們各自會形成互相干擾的場。
上面提到的日本筑波大學的計算機科學家 Yoichi Ochiai 的團隊則找到了一種方法，能避免兩種場的互相干擾問題，使觸覺和視覺重合在一起。他們採用聲學場來獲得觸覺反饋，同時用激光脈衝繪製圖像，Ochiai 的研究團隊已經將該方法應用於在空氣中繪製盲文點。
對於薩塞克斯大學研究團隊的這項技術，Daniel Smalley 表示：“到現在為止，很少有物理學家認為可以使用聲音使顆粒移動得足夠快來創建這樣的顯示器。今年 8 月，英國布里斯托大學的物理學家 Tatsuki Fushimi 和他的合作者成為第一個證明這是可行的人，但是他們的顆粒需要更長的時間來描繪形狀，這意味著只有小於 1 cm 的圖像才能顯示為單個連續的對象。但薩塞克斯大學研究團隊的結果，讓我們相信之前認為不可能的事情正在發生。”
圖 | Daniel Smalley 實驗室的顯示出的蝴蝶（來源：Nate Edwards/BYU Photo）
由於《星球大戰》和《鋼鐵俠》等電影給人們帶來的印象過於深刻，任何 3D 顯示都不可避免地會被拿來與電影中的全息圖像作比較。北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授王瓊華，其研究主要方向就是裸眼 3D 顯示技術，他說：“薩塞克斯大學的技術比以前類似的方法能創造出更大的圖像，並結合了聲音，這使得人們離重現（全息圖像）更近了。但這些圖像的尺寸仍然很小，也遠非真實。”王瓊華認為，要創造出《星球大戰》裡的那種 3D 圖像或許還需要十年甚至更長的時間。
但英國德比大學（University of Derby）研究 3D 技術的物理學家 Barry Blundell 告誡說：“不應該試圖用懸浮體顯示技術來創造更豐富、更真實的圖像。就好比，沒人會把看雕塑和看繪畫相比較。”他還補充解釋道，“與全息圖像競爭的努力只會讓該技術走向商業化的死衚衕，這種顯示技術最好應用在其他媒體不可能呈現、同時又不需要大量細節的場景，例如顯示覆雜的 3D 運動等。”
對此，Daniel Smalley 則認為有觸感的交互性非常有用。例如，外科醫生可能會利用這種顯示技術來進行實習訓練，比如練習將導管穿過心臟血管等操作。他還表示：“如果有一百萬個可移動的粒子，那麼就可以創造出一個脫離實體的臉，並進行遠程的面對面交互。”
“相比於虛擬現實手段提供的逼真圖像，在空氣中憑空創造出人的化身能提供更強的臨場感。這將會是一個令人興奮的設計。”他還認為，薩塞克斯大學的聲學顯示方法不一定需要漫長的開發階段才能走出實驗室。“在我們研究出其他技術之前，我敢打賭這種技術會首先商業化。”Smalley 說道。
當然，在薩塞克斯大學的實驗室裡，要實現百萬粒子級的顯示還有很長的路要走。
在演示了全部的顯示效果後，Hirayama 關掉了顯示器，拍打著翅膀的蝴蝶消失了，留下了創造它們的珠子在顯示器底座上彈跳。Hirayama 撿起它們並裝進盒子，或許人們可以像期待魔術師的禮帽一樣，期待他的研究團隊在未來帶來更令人興奮的顯示“魔術”。
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