不同维度的真实与虚幻2023-02-08 16:52·中科院物理所
撰稿：焦述铭（鹏城实验室） 审稿专家：乔文（苏州大学） 说到空间的维度，众所周知，零维是点，一维是线，二维是面，三维是体。很多个点连接到一起，可以组成一条线，很多条线排布到一起，构成的是一个平面，而很多个平面堆叠到一起，形成的是一个具有不同形状的空间物体。 我们平时生活的现实世界是三维的，“远近高低各不同”，然而在著名的英国科幻小说《平面国》中，除了三维的空间国之外，还有零维国（点国）、一维国（线国）、二维国（平面国）。 在精彩的平面国世界中，居民都是三角形、正方形、多边形、圆形等各种平面几何图形，只能在一个平面内自由移动，但无法跳出这个平面，他们有分明的等级，边数越多，阶层越高，三角形是社会底层，圆形是最高级的贵族。 平面国的人无法想象空间国的人可以跳出平面上下移动，觉着是天方夜谭，而更低维度的零维国（只有一个点）国王认为他自己就是整个世界，线国的人也无法想象平面国的人可以在直线外各个不同方向移动。而高维度的国家可以对低维度国家进行“降维打击”，处在三维空间的我们可以利用上帝视角把平面国看得一清二楚，没有任何隐藏的秘密，一个普通的球落到平面国上，横截面的圆形不断变大又变小，就让平面国的人百思不得其解，以为遇到了“外星生物”…… 如何实现从点国，线国，平面国到空间国这样的维度跃升，也向来是现代科技要解决的经典问题之一。 就像在《我的世界》电脑游戏中，玩家可以用乐高积木式的砖块搭建任何物体，每个砖块看作一个点，搭建出一维的线，二维的面和三维的体都不成问题。如果最终要搭建的是一个真实的三维实体，3D打印技术可以帮助你，一个奇形怪状的真材实料模型转眼间就可以加工出来。 而如果降低一点要求，我们以单个点（或者说平面中的像素，空间中的体素）为单位，最终要展现的是三维物体的虚拟图像，只要能满足眼睛的观看需求和心理的感知需求即可，或者说只要在视觉上能骗过观看者的眼睛和大脑就可以，并不需要一个实实在在的物体，这就要有请各种光学显示技术出马来大显身手了。 人眼面对飞快变来变去的图像，常常难以招架，视觉感知上容易出现偏差，而显示技术最擅长的就是利用人类视觉系统的这一软肋，并且总可以“轻松得逞”。 当很多张不同的静止画面逐一快速闪过，只要播放时切换频率足够快，人的眼睛和大脑就无法分辨，会不由自主地把他们连接到一起，从西洋镜和万花筒的古代例子，到现今的电影和视频，我们都是将每秒钟几十张静止画面看成了连续动态变化的场景。 图1：转动起来可以产生动画效果的万花筒[1] 传统的电视或电脑屏幕就是一种典型的“由点及线，由线到面”挑战人眼动态分辨极限的显示方式。 在二三十年前，人们买到的显示器无论低端还是高档，价格是几千还是几万，有一个共同的缺陷都难以避免：屏幕后面总有一个凸起的大箱子，占着一大块空间，没办法让屏幕“躺平”。 这是由于当时的主流显示技术是CRT（阴极射线显像管），电视机屏幕内表面上涂着荧光粉，正常情况下是暗的，后面有一支电子枪，可以经过控制后将电子束打到屏幕上不同位置，荧光粉受到电子束激发后，就会显示出这一点的亮度和颜色，而在被点亮后也转瞬间会熄灭，电子束需要很快地来回扫描，依次照亮屏幕上的各个位置。在每个很短的瞬间，画面中只有一个点被照亮，但因为切换频率极快，人眼把一个个点看成连续的一条线，进而把从上到下的一条条线看作一整幅连续画面。如果屏幕后面没有大箱子，显示时必不可少的电子枪等器件就无处安放。 图2：老式CRT屏幕电视机 而我们如今普遍使用的是液晶显示屏，通过对于不同位置的液晶材料施加不同强度的电场，液晶分子的排列会发生变化，背后的光会不同程度地透过或者被遮挡，使得屏幕上各个点显示出不同亮度颜色，构成一幅画面。 由于不再需要屏幕背后额外的“大块头”器件，液晶显示屏可以像平板一样轻薄，这在当年是难以想象的，而OLED(有机发光半导体)等新技术又可以让屏幕进一步薄如一张纸，并且柔软可折叠。 老式屏幕离不开逐点扫描，至于具体怎样扫描，逐行扫描（显示完第一条线，再显示第二条线，第三条线……），还是隔行扫描（先显示奇数编号的线，再显示偶数编号的线），扫描每条线上点的方向是从左到右还是从右到左，黑白和彩色信息分别怎么显示等等，围绕这些具体技术实现细节，在上世纪五六十年代还曾出现过多套不同方案，分别是美国提出的NTSC制式，德国提出的PAL制式和法国提出的SECAM制式，出现了三国鼎立的局面。其实不同制式之间可称为大同小异，老式的电视机往往也都对它们同时兼容，只是播放的时候要切换到与电视信号匹配的那一种制式，否则显示的画面就会出现异样。 有意思的是，在二十世纪的冷战年代，各国政府在考虑采用哪种电视制式的时候，往往会将技术之外的政治因素纳入考量，比如前苏联和东欧国家阵营自然不会采用美国的NTSC制式，而是采用了与典型西方阵营关系比较疏远的法国提出的SECAM制式，非洲和南美的法国前殖民地国家也大多跟随使用SECAM制式，而曾经是世界霸主的大英帝国有更多的前殖民地遍布全球，由于英国采用了德国的PAL制式，英联邦国家也大多跟着采用了PAL制式。而美国、加拿大、日本等国则是NTSC制式的“死忠粉”。当然这些曾经的制式之争在如今数字电视时代已经成为过去式。 作为童年怀旧经历，不少人还记着当年把任天堂红白机或者小霸王学（you）习（xi）机连接到老式电视机上，和小伙伴们酣畅淋漓地玩一场的难忘体验。 除了游戏手柄操纵的超级玛丽，忍者神龟和坦克大战之外，不少人或许还会对一款枪打鸭子的游戏印象深刻，使用厂家附送的道具枪对准屏幕的某一位置，就可以扣动**射击，看能否打中游戏画面中飞来飞去的一只只鸭子。当然枪不会真的打出**，也并不是很多人所想象的，枪可以发出光线射到屏幕上被探测到（当年还远没有这么“高科技”），正相反，枪口其实安装着一个小的光探测器，恰好利用了老式电视屏幕从左到右、从上到下逐点照亮的特性，根据枪探测器接收到光时间的微小差异，判断枪指到了哪个位置。尽管使用起来常常“歪打正着”，精度不足，这项技术在当年还是不失为一个简易又精巧的创意。 图3：与逐点扫描电视屏幕相配套的玩具游戏“光枪”[2] 通过依次照亮一个个点，成线成面，以欺骗你眼睛方式曾现一整幅图的“老套路”，在最新一代的AR眼镜显示产品中同样是可选择的显示方式之一。 佩戴上一副AR眼镜，我们期待着在真实场景上清晰显示出虚拟画面，两者可以虚实融合，而眼镜本身又要轻薄节能。在激光束扫描（Laser Beam Scanning，LBS）类型的AR眼镜上，安装有一套非常微小的激光发射器，通过飞速旋转一面同样非常微小的镜子，可以将激光束照射到不同位置，快速来回扫描，每次显示出画面一个点，观看者眼中看到的是整张清晰明亮的画面。以微软2019年推出的“HoloLens 2”为代表的多款最新AR眼镜都采用了LBS这种显示方式。 图4：激光电离空气产生亮点的体三维显示[3] 类似的策略也不仅可以用于二维平面显示，还可以跃升一个维度，在你的眼皮底下“明目张胆”地凭空创造出虚拟的三维物体图像，称为“体三维显示”。 为了点亮空间中不同三维位置的点，一种方式是将能量很高的激光聚焦到空气中很小的体积，可以将空气击穿，很短时间内产生发光的等离子体，形成一个亮点，而下一个时间点也可以在其它位置同样产生亮点，这样不需要纸墨，利用光作为画笔绘制出一件件“立体作品”。 而另外一种方式是通过光场或者声波构造出一把“隐形的镊子”，可以在空间中自由操纵一个小颗粒的位置，同时把这个小颗粒照亮为不同明暗和颜色，这个小颗粒快速飞来飞去，构造出三维图案。这使人不免联想到平时观看的天空中无人机编队表演，每个无人机作为基本单元，展示出各种不同图案，不过这需要动用成百上千台无人机团结协作，而这种三维显示技术中相当于可以只使用一台飞行速度非常快的超级小型无人机。 当然，我们也可以站在更高的起点，不必一定从单个点开始，而是先展示出单张二维图像，然后让半透明的显示屏一边快速移动，一边切换显示的内容，恰好对应于三维物体不同位置的一个横截面，”由面及体”，最后形成的效果也是物体在空间中的虚拟三维图像。有研究者选择了让二维显示平面围绕着一个轴快速转动，而另外一些研究者选择让二维显示平面上下来回快速移动。 图5：利用上下快速来回移动的二维平面创造出的三维显示效果[6] 面对点线面体组成的多维度世界，只要拥有各种设计巧妙的“扫描式”显示技术，以真实的低维度图像元素为起点，构建出的是高维度的虚拟显示效果。
作者简介 焦述铭，鹏城实验室助理研究员，香港城市大学电子工程博士，从事全息三维显示算法，单像素成像，光学计算，图像处理，信息安全，机器学习等研究，曾获得香港特区政府Hong Kong PhD Fellowship Scheme和广东省“珠江人才计划”海外青年引进计划(博士后资助项目)。在, , ,等期刊上以第一或通讯作者发表论文20余篇，获得2020年国际显示技术大会(ICDT 2020)优秀论文奖。担任《应用光学》和《液晶与显示》期刊青年编委，中国光学学会全息与光信息处理专业委员会委员，中国图像图形学学会三维成像与显示专业委员会委员，中国图像图形学学会三维视觉专业委员会委员。担任中国科普作家协会会员，Light科普坊科学家顾问团成员，曾在果壳网，科学大院，南方都市报，读者原创版等网络和平面媒体撰写科普文章，2013年第六版《十万个为什么》图书数学分册和电子信息分册作者之一。
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雷达卡
发表于
2023-2-9 12:48:16
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