一談到全息顯示，大家默認(rèn)想到的就是光學(xué)全息方案，比如需要將光投射到某樣?xùn)|西上，比如視網(wǎng)膜，或是煙霧等介質(zhì)上，才能成像。市面上一些常見的2D、3D全息方案，如全息風(fēng)扇、Voxon全息系統(tǒng)等等，分別采用高速移動(dòng)的條狀光源或是平面介質(zhì)，利用人眼視覺暫留特性來實(shí)現(xiàn)全息顯示。

這些方案的一個(gè)明顯特征是，通常都需要一層透明保護(hù)罩，為了外界因素打斷光源/介質(zhì)的高速運(yùn)動(dòng)。也就是說，很難將這種全息技術(shù)與周圍的環(huán)境融合，因?yàn)橹車奈矬w可能會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生干擾。

與之對(duì)應(yīng)的，還有聲全息方案，它的特點(diǎn)是利用了聲波駐波原理，通過控制三維空間的聲場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)“聲懸浮全息顯示”。當(dāng)然，如你所想這對(duì)環(huán)境要求苛刻，必須是干凈的空白場(chǎng)景。

為了改善這種局限，英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的科研人員開發(fā)了一種基于高速移動(dòng)粒子的聲全息方案，最大的特點(diǎn)就是可以在靠近實(shí)體物品很近的地方移動(dòng)，在顯示區(qū)域內(nèi)甚至可以擺放實(shí)物道具，不需要用保護(hù)罩阻隔全息粒子，實(shí)現(xiàn)全息數(shù)字內(nèi)容和真實(shí)物體的融合顯示。值得注意的是，UCL升級(jí)了微型粒子全息方案的刷新率，每秒可刷新超1萬次。

用聲波高速控制粒子

實(shí)際上，科研人員們已經(jīng)探索基于聲波粒子的全息方案多年，在2019年青亭網(wǎng)就曾報(bào)道英國蘇塞克斯大學(xué)在研發(fā)這種技術(shù)。利用聲波控制粒子的原理很簡(jiǎn)單，就是微型粒子作為介質(zhì)，將光源投射到粒子上進(jìn)行顯示。其好處是，介質(zhì)體積更小、更靈活，同時(shí)還能融合聲音和觸覺反饋。后來在2021年，美國楊百翰大學(xué)也研發(fā)了類似的技術(shù)，不過他們的方案基于光泳原理，即用強(qiáng)光照射氣溶膠等微型粒子來進(jìn)行移動(dòng)，此外還計(jì)劃結(jié)合眼球追蹤技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大顯示區(qū)域。

由于全息顯示方案通?；谡婵盏沫h(huán)境、自成一體，全息顯示設(shè)備不可以和其他物體重疊，以避免干擾粒子的運(yùn)動(dòng)路徑，因此以無法實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)融合效果。比如Gatebox等更常見的全息顯示智能音箱，只能在有限的顯示區(qū)域渲染全息圖像，不能和周圍的人和空間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。而在聲波方案中，任何物理對(duì)象都可能會(huì)扭曲聲場(chǎng)，聲波傳播被阻擋后，懸浮在空中的粒子會(huì)落下，影響全息的顯示效果。

于是，UCL科研人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，研發(fā)了一種全新的聲學(xué)全息方案，正確控制了全息顯示方案的聲場(chǎng)，即使顯示區(qū)域和其他部分的物體重疊，也不受干擾。從演示視頻來看，該方案顯示的全息水滴竟然可以落在場(chǎng)景中的仙人掌模型上。此外，也可以在墻壁、汽車儀表板等界面上顯示。這項(xiàng)全新的方案將全息圖像引入到物理空間中，裸眼3D圖像也可以跟物理模型實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，就像是真實(shí)存在于空間中那樣。

升級(jí)方案

簡(jiǎn)單來講，這項(xiàng)方案比之前的技術(shù)具有更好的虛實(shí)融合能力。全息圖像不僅可以接觸物理模型，位于物理模型之上，還可以在物理模型下方通過。如果快速旋轉(zhuǎn)全息屏幕，甚至還可以模擬有容積感的3D圖像。

其原理是，利用每個(gè)全息粒子的兩個(gè)控制點(diǎn)來計(jì)算出最佳的全息圖像，然后在場(chǎng)景分布物體的過程中，修改BEM來獲取實(shí)時(shí)的投射矩陣。據(jù)悉，BEM又叫邊界元法（Boundary Element Method），通常可用于聲學(xué)建模，分析聲波輻射方向。

科研人員表示：這項(xiàng)全息方案通過實(shí)時(shí)計(jì)算附近物體的位置，來實(shí)現(xiàn)全息粒子飄浮和移動(dòng)，并顯示3D裸眼全息圖像。

細(xì)節(jié)方面，該方案利用兩個(gè)步驟來懸浮粒子（采用不同的材質(zhì)，如聚苯乙烯珠、水和織物）：1）計(jì)算出打開不同揚(yáng)聲器時(shí)，聲波路徑的實(shí)時(shí)變化，以及聲波在環(huán)境中觸碰到物體表面時(shí)的反彈；2）尋找一種快速關(guān)閉、打開揚(yáng)聲器的方案，可在聲波分散后，依然將粒子保持在半空中。在分布了物理模型的環(huán)境中，依然可以通過解算器來創(chuàng)建多個(gè)聲學(xué)陷阱，允許粒子在這些陷阱中固定，還可以懸浮由四個(gè)粒子固定的輕質(zhì)植物，用來捕獲光學(xué)投影，顯示AR效果。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，科研人員將聲波傳感器置于頂部，物理模型則放在桌面上，控制點(diǎn)介于二者之間。系統(tǒng)會(huì)通過這三個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算，以定位全息圖像的運(yùn)動(dòng)。為了避免聲波路徑受到干擾，科研人員將聲波揚(yáng)聲器的數(shù)量增加至256個(gè)，并采用軟件來獨(dú)立控制每個(gè)揚(yáng)聲器。通過特殊的程序，揚(yáng)聲器系統(tǒng)可協(xié)同工作，確保聲波控制的粒子運(yùn)動(dòng)不受周圍物體干擾。如果部分聲波被阻擋，那么其他的聲波就會(huì)通過重定向來取代被阻擋的聲波。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，科研人員將3D打印的兔子模型作為干擾對(duì)象，發(fā)現(xiàn)該方案是可行的。不管兔子擺放在哪里，全息粒子都可以飄浮在兔子周圍。此外，還測(cè)試用水滴、織物來代替粒子，即使將水滴懸浮在搖晃的一杯水上，系統(tǒng)也能正常工作。

未來，科研人員看好這項(xiàng)技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)景的應(yīng)用，比如：AR/VR顯示、裸眼3D可視化，可用于沉浸式主題公園、游樂場(chǎng)、博物館等線下娛樂場(chǎng)景。值得注意的是，該方案還可以通過鍵盤、手勢(shì)等方式進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

此外，這項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于3D打印工藝，比如允許3D打印出更復(fù)雜的多材料物體。原理是通過非接觸式3D打印工藝，同時(shí)使用多種材料，從任何方向進(jìn)行打印，從而取代傳統(tǒng)的逐層打印方式，實(shí)現(xiàn)更精密的多材料制造。參考：techxplore