媲美星際大戰情節 物理學家實現超越全像術的3D影像
(編譯/Vincent)
美國楊百瀚大學(Brigham Young University)物理學家Dnaiel Smalley一直夢想打造比科幻小說還酷的3D全像影像。但是看到2008年鋼鐵人電影裡的Tony Stark把手插入3D盔甲時,他就知道這是目前3D顯示標準的全像術(Holography)做不到的,因為Stark的手會擋到影像的光源。對此,Smalley感到苦惱,並著手尋求解決之道。
Smalley團隊找到一個不同的方法—稱為立體顯示(Volumetric Display)的技術,它能創造從任何角度都能觀賞的3D移動影像。有些物理學家認為這項技術離重建星際大戰(Star Wars)電影裡莉亞公主求救的3D影像最為接近。「它能做到全像術達不到的地步—給你全方位的視角,就像莉亞公主那樣的立體顯示,」Glasgow大學光學物理學家Miles Padgett表示。
這項在日前《自然》(Nature)期刊上報導的技術,其工作原理像高速的蝕刻素描(Etch-a-Sketch)遊戲:藉由一組不可見的雷射光束來限制稱為纖維素的單一質點之運動,並對其不均勻加熱,使能控制質點的移動。另一組雷射在質點移動時,以可見的紅、藍、綠三種光對質點進行照明。人眼無法辨識每秒超過10張的影像,所以只要物體移動夠快,人眼看到的質點軌跡就會是一條實線。另外如果影像變動夠快,就會給人移動的感覺。這種顯示方法可以跟實際物體重疊,觀看者可以實際在其周圍觀看走動。
目前能呈現的立體影像很小,大約是毫米(mm)等級,而且只能用簡單的線條顯示動作。團隊花了一番功夫展示一條螺旋線及一隻蝴蝶的輪廓。這套技術還需更多的發展,但它的設計簡單,潛力卻很大。
這套技術相對於現有的3D顯示技術—全像術有許多優點。最好的全像術色澤豐富,而且跟實體物件一樣大。但因為光源來自於2D平面,所以視角會受到限制。再加上動態改變全像所需的繞射光柵並不容易,所以全像影像一般是靜態的。
大部分現有的立體顯示是把影像投射到快速旋轉的2D螢幕。更複雜的顯示方法,像是慶應大學所使用的3D超熱電漿球,也對Smalley有所啟發。不過這些方法只能單色顯示。其它像擴增實境(比如微軟的HoloLens)硬體,能產生實際3D影像的幻覺。但是得有特殊的頭套設備,而且背後的資料量龐大。
目前此系統的解析度已超過傳統電腦,達到1600點/英吋。如果還要顯示真實、較大一些、移動複雜的影像,質點的移動控制得加速、或者得同時控制好幾個質點。
Smalley表示他已有解決這兩個問題的想法。「如果未來四年跟過去四年進步的速度一樣快,我們就能打造出夠大、可用的顯示器,」Smalley指出。
此技術的缺點之一是沒法避免幽靈般、可直接看穿的影像品質。這是因為眼睛從影像前面跟後面接收的光一樣多。
最後一個問題是因為控制質點的力量很微弱,所以系統穩定性容易被破壞。這會阻礙軍事方面的應用,比如模擬3D戰場來訓練士兵,因為只要一陣強風就會把描繪影像的質點吹離軌道。要解決此問題,可以暫時利用霧霾般的質點來散射光線。「在颶風底下實現是不太可能,但在室外也能顯示影像倒是讓人有些想像空間,」Smalley表示。