这不是全息投影!真正允许多角度围观的3D图像 | Nature子刊

来源:量子位

博雯 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

星舰企业号和克林贡战列巡洋舰又打起来了。

咳,忽略掉两个迷你模型,看看它们互相发射的“光子鱼雷”。

这可不是只能从正面观察的二维投影,也不是计算机渲染的特效,而是真实存在于物理空间,能从任何角度观察的“立体”图像。

全息投影

一说到全息投影,脑子最先蹦出来的是钢铁侠:

然而这是计算机渲染的特效。

或者是虚拟偶像演唱会:

但这也是利用佩珀尔幻象(Pepper’sghost)形成的伪全息。

这些全息技术所产生的投影,本质上与电影放映一样,都是对这一电磁波的控制,且还尚不能完全摆脱介质(如电影幕布)呈现3D效果。

而现在,杨百翰大学(Brigham Young University)的研究者们,则通过激光束捕捉物理粒子,创造出了真正的能够漂浮在空气中的,动态的立体图像:

光学陷阱显示下的立体图形

想象在一个充满灰尘的房间中,用强光一照,你就能看到飞舞的灰尘反射光线,在空气中形成许多小亮点。

利用激光来照射实体粒子并使其向四处反光也同理。

而现在,如果我们能控制这个粒子的轨迹,并且让这个粒子在这个轨迹上进行极快的周期性运动(scan),那么此时粒子反光的轨迹就会形成一个立体图像。

这就是OTD(Optical Trap Display)光学捕捉显示技术。也是BYU电机工程学教授Dan Smalley和他的团队在这个项目里所使用的核心技术。

他们先使用激光束捕捉空气中的微小物理粒子,然后快速移动。

当粒子被拖曳穿过空间时,可见光会通过激光束将其照亮,形成一条运动路径。

而如果这时以高于眼睛的闪烁速率每秒重新绘制10次以上,就能通过视觉的持久性来形成图像。

并且,在粒子的移速足够快时,其位置和颜色都可以被改变,从而形成颜色各异的动态体积图像(volume image)

除此之外,研究团队还利用透视投影(Perspective Projection)技术,随着观看者视角的移动来修改图像的边缘及视差,在背景生成模拟的非体积图像点,以增加对图像体积或深度的感知。

这时,你就完全可以环绕图像一圈,360度无死角地去观察它了:

科幻照进现实

好,先来试个光剑对决:

噗……不笑不笑。因为这些自由浮动的全息图像,本身是在固定体积大小的空间中,由激光束捕捉粒子构建的,所以只能生成微小的3D全息图。

团队里的Wesley Rogers表示,如果要构建一座真实大小的山峰模型,那也必须有一个体积相同甚至更大的空间,来捕捉这整个空间中的粒子。

这显然是不现实的,于是他们使用了一些视觉技巧,如运动视差(Motion Parallax)技术:

来使场景中移动的图像在显示时,看起来比实际要大得多:

而对比大多数还是要求观众盯着屏幕展现效果的3D投影,这项技术所展现的物理的,而非幻象的投影,真正做到了幻觉与真人的互动。

对此,研究团队做了一个与人交互的小型demo:

想象一下,未来围绕着电影演员的将不再是等待后期制作特效的空气,或者绿色皮套的特效演员,而是粒子所组成的真实效果在旋转、爬行或爆炸。

电影制作、物品展览、舞台表演……还有科幻电影里所描绘的更多的三维投影的未来,每一天,都在离我们更近。

参考链接:

[1]https://phys.org/news/2021-05-hologram-experts-real-life-images-air.html

[2]https://www.youtube.com/watch?v=N12i_FaHvOU

[3]https://www.nature.com/articles/s41598-021-86495-6.pdf

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