撰稿：焦述銘（鵬城實驗室）
審稿專家：喬文（蘇州大學）
說到空間的維度，眾所周知，零維是點，一維是線，二維是面，三維是體。很多個點連接到一起，可以組成一條線，很多條線排布到一起，構成的是一個平面，而很多個平面堆疊到一起，形成的是一個具有不同形狀的空間物體。
我們平時生活的現(xiàn)實世界是三維的，“遠近高低各不同”，然而在著名的英國科幻小說《平面國》中，除了三維的空間國之外，還有零維國（點國）、一維國（線國）、二維國（平面國）。
在精彩的平面國世界中，居民都是三角形、正方形、多邊形、圓形等各種平面幾何圖形，只能在一個平面內自由移動，但無法跳出這個平面，他們有分明的等級，邊數(shù)越多，階層越高，三角形是社會底層，圓形是最高級的貴族。
平面國的人無法想象空間國的人可以跳出平面上下移動，覺著是天方夜譚，而更低維度的零維國（只有一個點）國王認為他自己就是整個世界，線國的人也無法想象平面國的人可以在直線外各個不同方向移動。而高維度的國家可以對低維度國家進行“降維打擊”，處在三維空間的我們可以利用上帝視角把平面國看得一清二楚，沒有任何隱藏的秘密，一個普通的球落到平面國上，橫截面的圓形不斷變大又變小，就讓平面國的人百思不得其解，以為遇到了“外星生物”……
如何實現(xiàn)從點國，線國，平面國到空間國這樣的維度躍升，也向來是現(xiàn)代科技要解決的經典問題之一。
就像在《我的世界》電腦游戲中，玩家可以用樂高積木式的磚塊搭建任何物體，每個磚塊看作一個點，搭建出一維的線，二維的面和三維的體都不成問題。如果最終要搭建的是一個真實的三維實體，3D打印技術可以幫助你，一個奇形怪狀的真材實料模型轉眼間就可以加工出來。
而如果降低一點要求，我們以單個點（或者說平面中的像素，空間中的體素）為單位，最終要展現(xiàn)的是三維物體的虛擬圖像，只要能滿足眼睛的觀看需求和心理的感知需求即可，或者說只要在視覺上能騙過觀看者的眼睛和大腦就可以，并不需要一個實實在在的物體，這就要有請各種光學顯示技術出馬來大顯身手了。
人眼面對飛快變來變去的圖像，常常難以招架，視覺感知上容易出現(xiàn)偏差，而顯示技術最擅長的就是利用人類視覺系統(tǒng)的這一軟肋，并且總可以“輕松得逞”。
圖1：轉動起來可以產生動畫效果的萬花筒[1]
傳統(tǒng)的電視或電腦屏幕就是一種典型的“由點及線，由線到面”挑戰(zhàn)人眼動態(tài)分辨極限的顯示方式。
在二三十年前，人們買到的顯示器無論低端還是高檔，價格是幾千還是幾萬，有一個共同的缺陷都難以避免：屏幕后面總有一個凸起的大箱子，占著一大塊空間，沒辦法讓屏幕“躺平”。
這是由于當時的主流顯示技術是CRT（陰極射線顯像管），電視機屏幕內表面上涂著熒光粉，正常情況下是暗的，后面有一支電子槍，可以經過控制后將電子束打到屏幕上不同位置，熒光粉受到電子束激發(fā)后，就會顯示出這一點的亮度和顏色，而在被點亮后也轉瞬間會熄滅，電子束需要很快地來回掃描，依次照亮屏幕上的各個位置。在每個很短的瞬間，畫面中只有一個點被照亮，但因為切換頻率極快，人眼把一個個點看成連續(xù)的一條線，進而把從上到下的一條條線看作一整幅連續(xù)畫面。如果屏幕后面沒有大箱子，顯示時必不可少的電子槍等器件就無處安放。
圖2：老式CRT屏幕電視機
而我們如今普遍使用的是液晶顯示屏，通過對于不同位置的液晶材料施加不同強度的電場，液晶分子的排列會發(fā)生變化，背后的光會不同程度地透過或者被遮擋，使得屏幕上各個點顯示出不同亮度顏色，構成一幅畫面。
由于不再需要屏幕背后額外的“大塊頭”器件，液晶顯示屏可以像平板一樣輕薄，這在當年是難以想象的，而OLED(有機發(fā)光半導體)等新技術又可以讓屏幕進一步薄如一張紙，并且柔軟可折疊。
老式屏幕離不開逐點掃描，至于具體怎樣掃描，逐行掃描（顯示完第一條線，再顯示第二條線，第三條線……），還是隔行掃描（先顯示奇數(shù)編號的線，再顯示偶數(shù)編號的線），掃描每條線上點的方向是從左到右還是從右到左，黑白和彩色信息分別怎么顯示等等，圍繞這些具體技術實現(xiàn)細節(jié)，在上世紀五六十年代還曾出現(xiàn)過多套不同方案，分別是美國提出的NTSC制式，德國提出的PAL制式和法國提出的SECAM制式，出現(xiàn)了三國鼎立的局面。其實不同制式之間可稱為大同小異，老式的電視機往往也都對它們同時兼容，只是播放的時候要切換到與電視信號匹配的那一種制式，否則顯示的畫面就會出現(xiàn)異樣。
有意思的是，在二十世紀的冷戰(zhàn)年代，各國政府在考慮采用哪種電視制式的時候，往往會將技術之外的政治因素納入考量，比如前蘇聯(lián)和東歐國家陣營自然不會采用美國的NTSC制式，而是采用了與典型西方陣營關系比較疏遠的法國提出的SECAM制式，非洲和南美的法國前殖民地國家也大多跟隨使用SECAM制式，而曾經是世界霸主的大英帝國有更多的前殖民地遍布全球，由于英國采用了德國的PAL制式，英聯(lián)邦國家也大多跟著采用了PAL制式。而美國、加拿大、日本等國則是NTSC制式的“死忠粉”。當然這些曾經的制式之爭在如今數(shù)字電視時代已經成為過去式。
作為童年懷舊經歷，不少人還記著當年把任天堂紅白機或者小霸王學（you）習（xi）機連接到老式電視機上，和小伙伴們酣暢淋漓地玩一場的難忘體驗。
除了游戲手柄操縱的超級瑪麗，忍者神龜和坦克大戰(zhàn)之外，不少人或許還會對一款槍打鴨子的游戲印象深刻，使用廠家附送的道具槍對準屏幕的某一位置，就可以扣動扳機射擊，看能否打中游戲畫面中飛來飛去的一只只鴨子。當然槍不會真的打出子彈，也并不是很多人所想象的，槍可以發(fā)出光線射到屏幕上被探測到（當年還遠沒有這么“高科技”），正相反，槍口其實安裝著一個小的光探測器，恰好利用了老式電視屏幕從左到右、從上到下逐點照亮的特性，根據(jù)槍探測器接收到光時間的微小差異，判斷槍指到了哪個位置。盡管使用起來常?！巴岽蛘?，精度不足，這項技術在當年還是不失為一個簡易又精巧的創(chuàng)意。
圖3：與逐點掃描電視屏幕相配套的玩具游戲“光槍”[2]
通過依次照亮一個個點，成線成面，以欺騙你眼睛方式曾現(xiàn)一整幅圖的“老套路”，在最新一代的AR眼鏡顯示產品中同樣是可選擇的顯示方式之一。
佩戴上一副AR眼鏡，我們期待著在真實場景上清晰顯示出虛擬畫面，兩者可以虛實融合，而眼鏡本身又要輕薄節(jié)能。在激光束掃描（LaserBeamScanning，LBS）類型的AR眼鏡上，安裝有一套非常微小的激光發(fā)射器，通過飛速旋轉一面同樣非常微小的鏡子，可以將激光束照射到不同位置，快速來回掃描，每次顯示出畫面一個點，觀看者眼中看到的是整張清晰明亮的畫面。以微軟2019年推出的“HoloLens2”為代表的多款最新AR眼鏡都采用了LBS這種顯示方式。
圖4：激光電離空氣產生亮點的體三維顯示[3]
類似的策略也不僅可以用于二維平面顯示，還可以躍升一個維度，在你的眼皮底下“明目張膽”地憑空創(chuàng)造出虛擬的三維物體圖像，稱為“體三維顯示”。
為了點亮空間中不同三維位置的點，一種方式是將能量很高的激光聚焦到空氣中很小的體積，可以將空氣擊穿，很短時間內產生發(fā)光的等離子體，形成一個亮點，而下一個時間點也可以在其它位置同樣產生亮點，這樣不需要紙墨，利用光作為畫筆繪制出一件件“立體作品”。
而另外一種方式是通過光場或者聲波構造出一把“隱形的鑷子”，可以在空間中自由操縱一個小顆粒的位置，同時把這個小顆粒照亮為不同明暗和顏色，這個小顆?？焖亠w來飛去，構造出三維圖案。這使人不免聯(lián)想到平時觀看的天空中無人機編隊表演，每個無人機作為基本單元，展示出各種不同圖案，不過這需要動用成百上千臺無人機團結協(xié)作，而這種三維顯示技術中相當于可以只使用一臺飛行速度非常快的超級小型無人機。
當然，我們也可以站在更高的起點，不必一定從單個點開始，而是先展示出單張二維圖像，然后讓半透明的顯示屏一邊快速移動，一邊切換顯示的內容，恰好對應于三維物體不同位置的一個橫截面，”由面及體”，最后形成的效果也是物體在空間中的虛擬三維圖像。有研究者選擇了讓二維顯示平面圍繞著一個軸快速轉動，而另外一些研究者選擇讓二維顯示平面上下來回快速移動。
圖5：利用上下快速來回移動的二維平面創(chuàng)造出的三維顯示效果[6]
面對點線面體組成的多維度世界，只要擁有各種設計巧妙的“掃描式”顯示技術，以真實的低維度圖像元素為起點，構建出的是高維度的虛擬顯示效果。
焦述銘，鵬城實驗室助理研究員，香港城市大學電子工程博士，從事全息三維顯示算法，單像素成像，光學計算，圖像處理，信息安全，機器學習等研究，曾獲得香港特區(qū)政府HongKongPhDFellowshipScheme和廣東省“珠江人才計劃”海外青年引進計劃(博士后資助項目)。在,,,等期刊上以第一或通訊作者發(fā)表論文20余篇，獲得2020年國際顯示技術大會(ICDT2020)優(yōu)秀論文獎。擔任《應用光學》和《液晶與顯示》期刊青年編委，中國光學學會全息與光信息處理專業(yè)委員會委員，中國圖像圖形學學會三維成像與顯示專業(yè)委員會委員，中國圖像圖形學學會三維視覺專業(yè)委員會委員。擔任中國科普作家協(xié)會會員，Light科普坊科學家顧問團成員，曾在果殼網，科學大院，，讀者原創(chuàng)版等網絡和平面媒體撰寫科普文章，2013年第六版《十萬個為什么》圖書數(shù)學分冊和電子信息分冊作者之一。
參考文獻
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4.,,,“Avolumetricdisplayforvisual,tactileandaudiopresentationusingacoustictrapping,”575,320–323(2019).
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6.
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