这不是全息投影！真正允许多角度围观的3D图像 | Nature子刊

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’s ghost）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，都是对光这一电磁波的控制，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