過去幾年里，關(guān)于“三維世界”的想象幾乎都圍繞著頭顯展開。從 Vision Pro 到各種 AR 眼鏡，人們似乎已經(jīng)默認(rèn)，想要獲得沉浸式三維體驗(yàn)，就必須依靠頭戴式設(shè)備。

但其實(shí)還存在另一條更簡單的路線：裸眼 3D 顯示。顧名思義，就是只用雙眼看，就能直接獲得具有深度感的三維視覺體驗(yàn)。我們已經(jīng)能在一些生活場景中見到它：商場外墻上那些仿佛從屏幕里探出來的巨型熊貓；博物館里用于展示文物的三維數(shù)字展項(xiàng)；以及一些無需佩戴眼鏡就能觀看立體影像的展示設(shè)備……

不過，今天的裸眼 3D 還沒有成為主流的三維顯示方式。一個重要原因是，現(xiàn)有系統(tǒng)往往只能在有限視角內(nèi)提供理想觀看效果。觀眾一旦偏離最佳位置，立體感就會迅速下降；而那些能夠跟蹤用戶位置、提供高質(zhì)量顯示效果的方案，又很難同時支持多人自由觀看。

針對這個問題，近日，清華大學(xué)戴瓊海、吳嘉敏團(tuán)隊(duì)在 Nature Photonics 發(fā)表最新研究，提出一種名為“超斯涅爾掃描光場顯示（SSS-LiD）”的新方案。研究團(tuán)隊(duì)在 150°超寬視角下實(shí)現(xiàn)了高分辨率裸眼 3D 顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相比具有代表性的商業(yè)光場顯示產(chǎn)品，其觀看視角提升接近 3 倍，在整個觀看范圍內(nèi)的有效分辨率提升 2 倍以上。

（來源：論文）

不可兼得的視角與分辨率

裸眼三維顯示有著多種不同的技術(shù)路線。常見的例如全息顯示、體顯示和空中成像等。但在這些之外，還有一條被認(rèn)為最有潛力支持“多人同時觀看”的方案：光場顯示。這也是戴瓊海團(tuán)隊(duì)的選擇。

與普通顯示器向所有觀眾顯示同一幅畫面不同，光場顯示會主動控制光線傳播的方向，讓來自不同方向的觀察者接收到略有差異的圖像信息。當(dāng)人眼接收到這些具有視差的光線時，大腦便會感知到深度，從而形成真實(shí)的三維效果。

然而，這種優(yōu)勢也帶來了新的挑戰(zhàn)。為了讓更多角度的觀眾都能看到正確的三維畫面，系統(tǒng)必須向空間中的不同方向同時投射大量光線。隨著觀看視角不斷擴(kuò)大，需要生成和分配的視圖數(shù)量也會隨之增加，而顯示系統(tǒng)能夠承載的信息量卻是有限的。

這樣造成的結(jié)果就是：視角越寬，每個視角能夠獲得的信息越少，畫面細(xì)節(jié)就越容易被攤薄，分辨率隨之下降。

團(tuán)隊(duì)在進(jìn)入這一方向時便意識到，這個矛盾必須被解決，否則裸眼 3D 很難真正走向?qū)嵱没！拔覀冏铋_始是從信息量的角度思考這個問題。”本次論文的第一作者、清華大學(xué)陳一帆博士說。

圖｜陳一帆博士（來源：受訪者）

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，視角和分辨率本質(zhì)上都受到系統(tǒng)總信息量的限制。除了信息量本身，他們還發(fā)現(xiàn)另一個重要瓶頸：串?dāng)_。所謂串?dāng)_，可以理解為不同視角之間的信息互相干擾。即使系統(tǒng)本身擁有足夠的信息量，如果這些信息無法被有效利用，最終呈現(xiàn)出來的顯示效果依然會大打折扣。

因此，如何提高信息利用效率、降低串?dāng)_，成為團(tuán)隊(duì)研究過程中的另一條主線。

一次偶然觀察帶來的靈感

在尋找解決方法的過程中，團(tuán)隊(duì)早期曾嘗試過超表面、透鏡優(yōu)化等多種路線，希望降低不同視角之間的串?dāng)_。在一次實(shí)驗(yàn)中，研究人員從側(cè)面觀察柱透鏡結(jié)構(gòu)時，意外發(fā)現(xiàn)如果將結(jié)構(gòu)反向放置，可視角似乎會明顯增大。

最初，他們并不完全理解這一現(xiàn)象背后的原因。后來經(jīng)過大量資料查閱和理論分析，團(tuán)隊(duì)才意識到，它與“斯涅爾窗口”（Snell's Window）所體現(xiàn)的折射規(guī)律存在相似機(jī)制。

斯涅爾窗口，是指潛水者從水下仰望水面時，原本覆蓋整個半球的天空會因?yàn)樗涂諝饨缑娴恼凵?，被壓縮進(jìn)一個明亮的圓形窗口之中。自然界是在把大范圍光線壓縮進(jìn)一個有限窗口，而團(tuán)隊(duì)希望實(shí)現(xiàn)的則恰恰相反。他們想要通過重新設(shè)計(jì)光學(xué)結(jié)構(gòu)，將有限范圍內(nèi)的顯示光線展開到更大的觀看角度。

圖｜斯涅爾窗口現(xiàn)象示意（來源：受訪者）

“這看起來像一個偶然出現(xiàn)的靈感，但實(shí)際上經(jīng)歷了很多輪工程迭代。”陳一帆說。

沿著這一思路，團(tuán)隊(duì)多次試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出超斯涅爾柱透鏡陣列（SS-LLA）。傳統(tǒng)柱透鏡陣列受幾何光路和孔徑采樣關(guān)系限制，如果想獲得 150°這樣的超寬視角，往往需要極大的面板尺寸，系統(tǒng)體積和采樣損失都會迅速增加。

SS-LLA 則通過兩次連續(xù)折射重新分配光線路徑，將原本約 52°的投射范圍擴(kuò)展到 150°。與此同時，團(tuán)隊(duì)還通過透鏡結(jié)構(gòu)和孔徑位置的聯(lián)合設(shè)計(jì)，降低大視角條件下的像差和串?dāng)_，使不同視角之間盡可能保持獨(dú)立。簡單來說，這套結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)把光線送得更廣，同時盡量避免邊緣視角變得模糊。

（來源：受訪者）

不過，當(dāng)視角被成功擴(kuò)展之后，前面提到的信息量的問題隨之浮現(xiàn)。光線被分配到更大的空間范圍后，每個角度能夠獲得的采樣信息也會相應(yīng)減少。“這個 trade-off 本身是由信息量決定的，不可能憑空消失?！标愐环嬖V我們。

于是他們決定引入第三個維度——時間。

把時間變成分辨率

研究團(tuán)隊(duì)提出了整體機(jī)械掃描方法（HMS）。

與傳統(tǒng)只移動透鏡的掃描方式不同，HMS 將顯示屏和超斯涅爾柱透鏡陣列固定為一個整體，再讓整個顯示模塊高速橫向掃描。

與此同時，顯示內(nèi)容同步刷新，人眼則利用視覺暫留效應(yīng)，將不同時間獲得的圖像自然疊加起來。從結(jié)果上看，相當(dāng)于同一塊屏幕在多個時間點(diǎn)提供不同采樣信息，再通過時間復(fù)用補(bǔ)充空間分辨率。這于團(tuán)隊(duì)之前在成像領(lǐng)域所提出的掃描光場成像有異曲同工之妙。

（來源：受訪者）

換句話說，團(tuán)隊(duì)沒有試圖在固定的信息量條件下強(qiáng)行突破空間限制，而是把時間也納入信息系統(tǒng)之中，在更高維度上提高整體信息通量。

這種設(shè)計(jì)還有一個額外優(yōu)勢。在傳統(tǒng)只移動透鏡的掃描方案中，極小的同步誤差都可能導(dǎo)致三維場景發(fā)生明顯扭曲。而在 HMS 中，同樣的誤差更多表現(xiàn)為輕微平移，對最終觀看效果影響更小，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性也得到提升。

基于 SS-LLA 和 HMS 兩項(xiàng)核心設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)搭建了完整的 SSS-LiD 原型系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一塊 1080×1920 分辨率、360Hz 刷新率的顯示面板，并配合定制超斯涅爾柱透鏡陣列進(jìn)行整體掃描。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在 150°超寬視角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)接近 480p 的裸眼 3D 顯示效果。

具體來看，HMS 使系統(tǒng)水平方向空間分辨率最高提升約 8 倍，垂直方向最高提升約 3.2 倍。同時，系統(tǒng)在整個 150°觀看范圍內(nèi)保持較低串?dāng)_，并能夠維持連續(xù)運(yùn)動視差和正確空間遮擋關(guān)系。

研究團(tuán)隊(duì)還將其與當(dāng)前商業(yè)光場顯示領(lǐng)域具有代表性的 Looking Glass 32 英寸顯示器進(jìn)行了對比。在輸入像素?cái)?shù)量統(tǒng)一的條件下，SSS-LiD 的觀看視角約為商業(yè)方案的 3 倍；在整個觀看范圍內(nèi)，水平和垂直方向有效分辨率提升約 2 至 2.5 倍，同時表現(xiàn)出更少偽影和更高的細(xì)節(jié)清晰度。

（來源：論文）

當(dāng) AI 開始生成三維世界

在不少人看來，隨著 VR 和 AR 設(shè)備不斷成熟，裸眼 3D 似乎已經(jīng)不再是最熱門的技術(shù)方向。而在陳一帆看來，AI 的發(fā)展讓三維顯示的價(jià)值重新被凸顯。

他告訴 DeepTech，三維顯示本質(zhì)上是一種人機(jī)交互方式，而完整的人機(jī)交互系統(tǒng)既包括前端顯示設(shè)備，也包括后端內(nèi)容生產(chǎn)能力。過去很長一段時間里，三維內(nèi)容制作成本高、周期長，內(nèi)容供給本身就是行業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此顯示技術(shù)的重要性并沒有充分體現(xiàn)出來。

但生成式 AI 的出現(xiàn)正在改變這一局面。無論是三維建模、數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作，還是空間場景生成，AI 都在快速降低內(nèi)容生產(chǎn)門檻。過去需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月制作的三維內(nèi)容，如今越來越多能夠通過算法自動生成?！耙郧暗膯栴}是沒有內(nèi)容，現(xiàn)在的問題反而是內(nèi)容越來越多，但顯示端跟不上了?！标愐环f。

在他看來，AI 正在以前所未有的速度提升后端內(nèi)容生成能力，而顯示設(shè)備依然受制于視角、分辨率和觀看人數(shù)等問題。隨著后端能力快速進(jìn)步，顯示反而開始成為新的瓶頸。這也是團(tuán)隊(duì)重新投入裸眼 3D 研究的重要原因之一。

三維顯示時代還有多遠(yuǎn)？

可當(dāng) AI 正在加速創(chuàng)造三維世界，另一個問題也隨之而來，顯示技術(shù)真的已經(jīng)準(zhǔn)備好落地了嗎？

對于這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化前景，團(tuán)隊(duì)的態(tài)度很明確。“我們最終的研究方向一定是要把這項(xiàng)技術(shù)推向真正的應(yīng)用，而不是停留在實(shí)驗(yàn)室里展示或者發(fā)論文。”陳一帆說。

不過，盡管論文展示了領(lǐng)先于現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)并不認(rèn)為這已經(jīng)是一套成熟產(chǎn)品。目前的系統(tǒng)仍然是一套實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)。加工精度、小型化、長期穩(wěn)定性以及成本控制，都仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。

但陳一帆也認(rèn)為，裸眼 3D 未來未必需要首先進(jìn)入每個人的桌面。相比個人顯示設(shè)備，團(tuán)隊(duì)更看好多人共享場景，例如教育、展覽、文化遺產(chǎn)展示以及工業(yè)可視化等領(lǐng)域。原因很簡單：與強(qiáng)調(diào)個人沉浸感的頭顯不同，光場顯示最大的優(yōu)勢之一恰恰是共享。

“VR 更像是把人帶進(jìn)虛擬世界，而裸眼 3D 是在把虛擬世界帶到現(xiàn)實(shí)世界里?！彼f。在課堂上，學(xué)生可以圍繞同一個三維模型進(jìn)行觀察和討論；在博物館里，觀眾無需佩戴設(shè)備便能夠從不同角度觀看數(shù)字文物；在展覽和公共空間中，多個人也可以同時分享同一個三維場景。這種多人共享能力，恰恰是許多頭顯設(shè)備難以提供的體驗(yàn)。

在團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中，理想的三維顯示產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⑷S內(nèi)容生產(chǎn)、顯示硬件和用戶交互真正連接起來，讓三維信息像今天的視頻和圖片一樣自然地進(jìn)入日常生活。而在那之前，裸眼 3D 仍然需要跨想要獲得沉浸式三維體驗(yàn)越工程化、成本和生態(tài)建設(shè)等一系列現(xiàn)實(shí)門檻。

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成