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,居⺠都是三⻆形、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,三⻆形是社会底层,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⻆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⻢来⼤显身⼿了。
⼈眼⾯对⻜快变来变去的图像,常常难以招架,视觉感知上容易出现偏差,⽽显示技术最擅⻓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,从⻄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。
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。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,⽽是采⽤了与典型⻄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⺠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⺠地遍布全球,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,就可以扣动扳机射击,看能否打中游戏画⾯中⻜来⻜去的⼀只只鸭⼦。
当然枪不会真的打出⼦弹,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。
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,通过⻜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。
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,这个⼩颗粒快速⻜来⻜去,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⻜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。
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。