不受环境干扰，这套声学全息方案实现了虚实交互

news2024/11/26 0:37:29

一谈到全息显示，大家默认想到的就是光学全息方案，比如需要将光投射到某样东西上，比如视网膜，或是烟雾等介质上，才能成像。市面上一些常见的2D、3D全息方案，如全息风扇、Voxon全息系统等等，分别采用高速移动的条状光源或是平面介质，利用人眼视觉暂留特性来实现全息显示。

这些方案的一个明显特征是，通常都需要一层透明保护罩，为了外界因素打断光源/介质的高速运动。也就是说，很难将这种全息技术与周围的环境融合，因为周围的物体可能会对它们产生干扰。

与之对应的，还有声全息方案，它的特点是利用了声波驻波原理，通过控制三维空间的声场来实现“声悬浮全息显示”。当然，如你所想这对环境要求苛刻，必须是干净的空白场景。

为了改善这种局限，英国伦敦大学学院（UCL）的科研人员开发了一种基于高速移动粒子的声全息方案，最大的特点就是可以在靠近实体物品很近的地方移动，在显示区域内甚至可以摆放实物道具，不需要用保护罩阻隔全息粒子，实现全息数字内容和真实物体的融合显示。值得注意的是，UCL升级了微型粒子全息方案的刷新率，每秒可刷新超1万次。

用声波高速控制粒子

实际上，科研人员们已经探索基于声波粒子的全息方案多年，在2019年青亭网就曾报道英国苏塞克斯大学在研发这种技术。利用声波控制粒子的原理很简单，就是微型粒子作为介质，将光源投射到粒子上进行显示。其好处是，介质体积更小、更灵活，同时还能融合声音和触觉反馈。后来在2021年，美国杨百翰大学也研发了类似的技术，不过他们的方案基于光泳原理，即用强光照射气溶胶等微型粒子来进行移动，此外还计划结合眼球追踪技术，进一步扩大显示区域。

由于全息显示方案通常基于真空的环境、自成一体，全息显示设备不可以和其他物体重叠，以避免干扰粒子的运动路径，因此以无法实现的虚实融合效果。比如Gatebox等更常见的全息显示智能音箱，只能在有限的显示区域渲染全息图像，不能和周围的人和空间实现互动。而在声波方案中，任何物理对象都可能会扭曲声场，声波传播被阻挡后，悬浮在空中的粒子会落下，影响全息的显示效果。

于是，UCL科研人员在此基础上进行升级，研发了一种全新的声学全息方案，正确控制了全息显示方案的声场，即使显示区域和其他部分的物体重叠，也不受干扰。从演示视频来看，该方案显示的全息水滴竟然可以落在场景中的仙人掌模型上。此外，也可以在墙壁、汽车仪表板等界面上显示。这项全新的方案将全息图像引入到物理空间中，裸眼3D图像也可以跟物理模型实现互动，就像是真实存在于空间中那样。

升级方案

简单来讲，这项方案比之前的技术具有更好的虚实融合能力。全息图像不仅可以接触物理模型，位于物理模型之上，还可以在物理模型下方通过。如果快速旋转全息屏幕，甚至还可以模拟有容积感的3D图像。

其原理是，利用每个全息粒子的两个控制点来计算出最佳的全息图像，然后在场景分布物体的过程中，修改BEM来获取实时的投射矩阵。据悉，BEM又叫边界元法（Boundary Element Method），通常可用于声学建模，分析声波辐射方向。

科研人员表示：这项全息方案通过实时计算附近物体的位置，来实现全息粒子飘浮和移动，并显示3D裸眼全息图像。

细节方面，该方案利用两个步骤来悬浮粒子（采用不同的材质，如聚苯乙烯珠、水和织物）：1）计算出打开不同扬声器时，声波路径的实时变化，以及声波在环境中触碰到物体表面时的反弹；2）寻找一种快速关闭、打开扬声器的方案，可在声波分散后，依然将粒子保持在半空中。在分布了物理模型的环境中，依然可以通过解算器来创建多个声学陷阱，允许粒子在这些陷阱中固定，还可以悬浮由四个粒子固定的轻质植物，用来捕获光学投影，显示AR效果。

结构设计方面，科研人员将声波传感器置于顶部，物理模型则放在桌面上，控制点介于二者之间。系统会通过这三个位置进行计算，以定位全息图像的运动。为了避免声波路径受到干扰，科研人员将声波扬声器的数量增加至256个，并采用软件来独立控制每个扬声器。通过特殊的程序，扬声器系统可协同工作，确保声波控制的粒子运动不受周围物体干扰。如果部分声波被阻挡，那么其他的声波就会通过重定向来取代被阻挡的声波。

在验证实验中，科研人员将3D打印的兔子模型作为干扰对象，发现该方案是可行的。不管兔子摆放在哪里，全息粒子都可以飘浮在兔子周围。此外，还测试用水滴、织物来代替粒子，即使将水滴悬浮在摇晃的一杯水上，系统也能正常工作。