裸眼看3D：從虛無走向現實

桑新柱向記者展示「裸眼3D光場顯示」設備，即不需要其他輔助器件，直接用肉眼就可觀看懸浮於空中的3D物體。

本報記者 袁一雪

看3D影像，眼鏡、頭盔等設備幾乎是標配，因為現在的3D圖像利用的是人兩眼視覺差，必須佩戴相應的設備才能保證兩個角度拍攝的影片呈現立體視覺。

不過，近日，北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室教授桑新柱帶領研究團隊研發了「裸眼3D光場顯示」設備，即不需要其他輔助器件，直接用肉眼就可觀看懸浮於空中的3D物體。

一次幾乎「違背」物理規律的嘗試

在桑新柱的實驗室，幾台機器將不大的實驗室裝得滿滿當當。擺放在房間正中的機器前，一顆旋轉的星球「飄浮」在空中，星球上環繞著英文字母，不一會兒球體變成了快速揮舞翅膀的蜂鳥，然後又幻化成正在飛翔的色彩斑斕的蝴蝶……如果用手觸摸，會發現這些只是光影。更神奇的是，這些圖像不會隨著人的視角不同而發生突變，也就是說，在改變觀看角度的情況下，人眼看到的都是3D圖像。

「目前圖像距離屏幕約90厘米，在95厘米以外都可以觀看，沒有嚴格的距離限制。但因為現有設備顯示尺寸還不足夠大，所以最好在10米之內觀看。觀看角度則是正面約50度都可以。」桑新柱在接受《中國科學報》記者採訪時說。

在房間另一邊的顯示器上，一個立體的胸腔骨架中一顆心臟正規律地跳動著，與剛剛看到的球體不同的是，骨架的前方有一塊透明面板擋在人與圖像之間。不要小看這塊透明面板，它上面遍布著控光器件。而類似的控光器件在第一台機器中卻是隱藏在圖像後黑色的機箱內。

控光器件是桑新柱研究團隊實現裸眼3D光場圖像的核心部件，「人眼看到現實世界中的物體，是因為光照射到物體上產生了漫反射，漫反射後的光照進人眼，人眼就看到了3D影像。」桑新柱解釋說，「我們所做的控光器件就是模擬現實的漫反射光分布讓人眼看到3D影像。」

「這種在空氣中模擬光場分布實現3D顯示的方法在很多業內專業人士眼中是違背物理規律的。」桑新柱說。一直以來，人們都在尋找一種途徑作為光的介質讓物體顯現出來。比如大部分研究都利用水霧作為介質，光打到水霧上進而發生漫反射，人眼看到時就是立體圖像的效果。

今年1月，一篇發表在美國《自然》雜誌上的論文就闡述了類似的研究：來自美國的研究人員研發了一種裸眼3D懸浮顯示系統，通過激光控制掃描粒子，藉由粒子讓光產生散射然後產生圖像。但是由於光源受設備所限，且高速粒子控制並不容易，所以顯示的圖像的解析度還比較低，高解析度圖像動態的幀率比較低，目前顯示圖像只有厘米級大小。

「我們的技術不依靠空氣中的任何介質，直接在空氣中就能顯示立體圖像。」桑新柱說。他們根據人眼的視覺特性及影像的懸空距離計算得到超精密光學微結構的面型和排布，再讓在二維顯示器發射出的攜帶3D信息的光線按照計算好的方向射入人眼，當空間光場中有無數光線沿著特定的「路徑」穿插傳播後，最終匯聚到達人眼中呈現的就是3D圖像。

而且，這樣的顯示效果遠遠超過通過介質的方式，這一點在實驗室內展示的從十幾厘米到幾十厘米大小不等且清晰的3D圖像就是最好的證明。

30年的沉澱與積累

機器設備雖多，但它們的成像原理並不相同。而這些成功的研究成果源自北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室三十年的堅持。

2008年，桑新柱結束了在美國加州大學爾灣分校的博士後工作，回到母校北京郵電大學，與北京郵電大學信息光子學與光通信研究院教授徐大雄在同一間辦公室。「我當時的主要研究方向是光電子器件和光通信，而且回到國內時，光通信還在蓬勃發展，光學顯示卻成了冷門。當時徐大雄老師曾向我感嘆，他一直從事的全息顯示研究只怕後繼無人，會讓其之前的努力付之東流。」桑新柱回憶說。

如今，快10年過去了，桑新柱已經在三維顯示領域實現了另一個學術高度。

現在，桑新柱教授的研究團隊已經與一些高端應用單位展開了合作，為他們訂製3D光場顯示系統。可以說，他們對於3D影像的掌控幾乎到了爐火純青的地步。「最近我們的學生做出了一套新的軟體，它可以將目前市場上的影片直接轉換為裸眼3D播放出來。」。

而且，實驗室內的樣機，既可以做成3.6米寬、2.07米高的「龐然大物」，以保證其解析度更高，顯示圖像更清晰，視覺衝擊力更強；也可以做成猶如文件夾大小，放入包中，隨用隨取。

「我要感謝我的團隊和我的學生，他們的辛勤努力付出與創新才讓我們這項技術在該領域領先一步。」桑新柱說。

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