Brigham Young University（BYU）的科学家们已经创造了光明的微小动画。动画致敬星际迷航和星球大战与美国的微小版本企业还有一艘发射光子鱼雷的克林贡战斗巡洋舰，以及带有真正发光光束的微型绿色和红色光剑。这些动画是科学家们正在进行的莱娅公主项目——之所以这样命名，部分是因为它的灵感来自于美国的标志性时刻星球大战第四集：一个新的希望当R2D2投射一个记录在案的莱娅向欧比旺·肯诺比传递信息的3D图像时。研究人员描述了他们所谓的无屏幕体积显示技术的最新进展最近发表的一篇论文在科学报告中。
“你在我们创造的场景中看到的是真实的;它们不是电脑生成的，”说共同丹姆尔利合作说，BYU电气工程教授。“这不像电影一样，光剑或光子鱼雷从未真正存在于物理空间中。这些是真实的，如果你从任何角度看它们，你会看到它们存在于那个空间中。”
光学陷阱显示技术(OTD)使这一科幻小说成为可能的现实。这些不是全息图;它们是立体图像，因为它们似乎漂浮在空中，可以从任何角度观看。全息显示器将光散射到二维表面上，微观干涉模式使光看起来像是来自显示器表面前面或后面的物体。所以用全息图，我们必须观察那个表面才能看到3D图像。相比之下，体积显示器由散射表面组成，这些散射表面分布在3D图像所占据的相同的3D空间中。当你看图像的时候，你也在看散射光。
光致漂移
Smalley比较Tony Stark的交互式3D显示器的效果钢铁侠或《阿凡达》在图像投影表。BYU体积显示平台使用激光来捕获植物纤维的单个粒子，称为纤维素并均匀地加热。诀窍使用称为的现象光学素质，球形透镜在激光，加热微观粒子中产生像差并在梁内捕获它们。研究人员使用计算机控制的镜子推动或拉动粒子，无论在显示空间中是否希望创建所需的图像，都在照亮它的第二组激光器，投影可见红色，绿色和蓝光。
这项技术还利用了视力持久性，引起的感知现象，因为大脑具有自然倾向，以平滑刺激的中断。大脑保留了击中视网膜的光照印象，大约为1/10至1/15秒 - 只是足够长的时间，使得每次我们眨眼时都不会变黑。它无法区分速度的速度比这更快地发生。这是经典动画背后的原则，或者我们许多人作为儿童制作的翻页。像翻盖书一样的电影似乎显示连续运动，但实际上，我们在屏幕上以足够的快速速度闪烁的图像，我们认为无闪烁的图片。
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一个微小的星际飞船企业向一艘小小的克林贡战斗巡洋舰开火——在稀薄的空气中创造真实的动画图像。
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（左）将Leia公主的预计信息重新创建给Obi-Wan Kenobi。（右）微小的数字与光剑决斗。
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一只蝴蝶的光。
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一个3 d口袋妖怪。
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一弯新月的模拟虚拟影像。
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光阱显示原理图和模拟虚拟图像。Wesley Rogers＆Daniel Smalley，2021
以斯莫利为例等。光学陷阱显示，持久性的持久性意味着粒子的轨迹看起来是实线，在类似于在黑暗中挥动闪光器的效果。它几乎就像用光的3D打印。“粒子通过图像中的每一点移动到一秒的几次，通过持久性创建图像，”作者写道。“分辨率越高，系统的刷新率越高，可以进行这种效果越令人信服，其中用户无法能够将更新感知到显示给它们的图像，并且在充分的分辨率下将难以区分显示图像点的难度来自真实世界的图像要点。“
回到2018年，该团队使用其系统来创造几个小型，无屏幕，自由浮动图像：蝴蝶，棱镜，一个神奇宝贝例如，杨百翰大学(BYU)的logo就是一个可伸缩的版本。研究人员甚至制作了一张照片，照片中有一名团队成员穿着实验服，以著名的莱娅公主姿势蹲着。这个最新的工作建立在这些成就上，在稀薄的空气中创建简单的动画。除了创造宇宙飞船和光剑的战斗，杨百威大学的科学家们还制作了虚拟的简笔画并制作了动画。研究人员的学生甚至可以通过将手指放在屏幕中央，创造出小人会走路和从手指上跳下来的幻觉，从而与小人互动。
“大多数3D显示器都要求你看着屏幕，但我们的技术让我们创造出漂浮在太空中的图像——它们是真实的，而不是海市蜃楼。”Smalley说．“这项技术可以创造出充满活力的动画内容，环绕、爬行或在日常物理物体上爆炸。”
视差的观点
该研究还解决了光阱显示器的一个关键缺点:显示虚拟图像的能力。虽然理论上可以制作比显示器本身更大的体积图像，但例如，要创建一个光学正确的月球体积图像，就需要将OTD放大到天文比例。作者将其类比为电影布景或戏剧舞台，“道具和玩家必须占据固定的空间，即使是在试图捕捉户外或外太空场景的时候。”传统的影院通过使用平面背景、图像3D透视和遮挡线索等技巧来克服这一限制。影院也可以使用投影背景，其中运动可以用来模拟视差。
杨百威大学的团队从这些戏剧技巧中汲取了灵感，并决定在OTD系统中采用时变透视投影背景。这使得该团队能够利用诸如运动视差等感知技巧，使显示器看起来比实际尺寸更大。作为原理的证明，研究人员模拟了一个新月的图像，它似乎在一个实体的3d打印微型房子后面沿着地平线移动。
下一步是弄清楚如何最好地将显示音量从当前的1厘米调大3.要超过100厘米3.并将视觉提示合并超越视差，例如闭塞。该实验受到了跟踪观众的眼部位置的有限的限制，并且它是单眼而不是双目实验（正常人体视觉是双目）的事实。使OTD系统双目需要更好地控制定向散射。
尽管有这些限制，杨百翰大学的团队相信，他们用光阱显示器模拟虚拟图像的方法，结合透视投影表面，仍然比otd和全息系统相结合要好。研究人员写道:“与otd不同，全息图的计算强度极高，其计算复杂度会随着显示尺寸的增大而迅速增大。”“OTD显示也不是这样。”
研究人员指出，为了创建星星的背景，全息显示系统需要每秒数据的数据，以正确渲染类似明星的点，而不管背景中的星数。相比之下，OTD只需要与可见星数成比例的带宽。
科学报告，2021年。10.1038 / s41598 - 021 - 86495 - 6（关于Dois.）。
清单图像by.杨百翰大学
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