3D和“全息影像”這些詞聽得大家耳朵都起繭了。從松下在2010年發布首個3D電視系統起，到現在的虛擬現實和增強現實技術，這些詞已經融入到我們的流行文化中，越來越成為我們所關注的焦點。畢竟現實世界是立體的，我們又何必把自己的體驗限制在平面的屏幕上呢？

從2D過渡到3D是一個自然的過程，正如上世紀50年代的時候，黑白電影和黑白電視轉變為彩色一樣。但是在很多方面來看，從2D到3D帶來的影響或許會更大。

3D的意義并不只是為了呈現更加可信的真實世界，而是將數字世界變成現實生活的一部分，讓它的每一個細節都變得像現實世界一樣真實。

這個即將到來的分水嶺將對我們的工作、學習、社交和娛樂方式產生深刻的影響。我們將能突破現實世界的物理限制，我們的想象力有多大，世界就有多大。

當然，這個轉變也會影響我們使用的設備，以及我們與機器的交互方式。這也是為什么谷歌、Facebook和蘋果這樣的公司都在盡快搶占3D市場的原因：誰贏得了3D戰爭，誰就能掌握下一代用戶交互的控制權。

但現在這還只是一個憧憬而已。盡管之前已經有人試過打開3D市場，但是我們仍不得不依賴狹窄的屏幕來進入電子世界。為什么？因為現在的3D存在著許多不足，目前的技術水平還不足以實現一個真實可信的世界，所以消費者還在繼續等待。

接下來YiViAn想以用戶的角度向你全面地介紹3D技術，VR/AR頭顯和裸眼3D顯示屏等3D產品正在面臨的挑戰，以及這些產品將如何成為我們與數字世界之間的直觀交互界面。

我們為什么需要三維畫面？

在深入了解3D技術之前，我們需要先理解這項技術的原理。

你可以試一下瞇著一只眼鏡來穿針，你會發現這比你想象中的更困難。進化已經改變了人類對3D的感知，讓我們可以更快更準確地掌握現實世界的信息。

我們是如何在生理層面上獲取深度感知的？這是一個復雜的課題。人類的眼睛和大腦可以感受到很多深度提示，當這些提示在現實世界中出現的時候，它們之間會互相加強，在我們的腦海中形成清晰的3D環境圖像。

立體視覺（雙眼視差）

如果我們想用一個3D錯覺來欺騙視覺系統和大腦，我們可能無法真實地重現所有的深度提示，這樣形成的3D體驗會有所偏差。因此，我們需要理解一些主要的深度提示。

無論你相不相信，你的兩只眼睛所看到的東西是不一樣的。它們看物體的角度會有細微的不同，所以視網膜得到的圖像也會有所差別。

我們看遠處的物體時，左右眼睛之間的視差會比較小。但在物體較近的時候，視差便會增大。這個差別可以讓大腦測量和“感受”到物體的距離，觸發對深度信息的感知。

現在大部分的3D技術都是依靠立體視覺來欺騙大腦， 讓大腦相信自己感受到了深度信息。這些技術會向兩只眼睛呈現不同的圖像，如果你看過3D電影的話（例如《阿凡達》和《星球大戰》），那你應該已經通過3D眼鏡體驗過了這種效果。

更為先進的“自動立體”顯示技術可以將不同圖像以不同的方向投射到空間中，這樣眼睛就能接收到不同的圖像，不需要佩戴眼鏡。

立體視覺是最明顯的深度提示，但它不是唯一的線索。人類其實只通過一只眼睛也能感受到深度。

閉上一只眼睛，然后將食指放在另一只眼睛前面保持不動?，F在稍微將頭上下左右地運動。這時你會看到背景好像是在相對手指運動。更準確地說，看上去是你的手指比背景移動得更快。

這種現象叫做運動視差，這是你可以使用一只眼睛感受到深度的原因。如果要提供真實的3D感受，運動視差是一個很重要的效果，因為觀眾與屏幕的相對位移是非常輕微的。

沒有運動視差的立體視覺仍然可以讓你感受到深度，但是這種3D圖像會出現變形。例如在3D地圖中的建筑物會開始出現扭曲， 背景的物體看上去好像是被前景的物體故意遮擋一樣，如果你仔細看的話會覺得相當難受。

運動視差跟我們的視覺感受密切相關——事實上我們所看到的近大遠小效果正是一種深度提示。

就算你正在完全靜止地坐著（沒有運動視差）， 然后閉上一只眼睛（沒有立體視覺），這樣你仍然可以分辨遠處和近處的物體。

這時再嘗試上面的手指實驗，將你的食指放在眼前靜止不動，然后聚精會神地盯著這根手指。在眼鏡聚焦的過程中，你會發現背景會變得模糊?，F在將你的焦點放在背景上，你會發現手指變得模糊，而背景變得清晰了。這跟現代照相機的工作原理是一樣的，我們的眼睛具有改變焦點的能力。

眼睛是通過睫狀肌的收縮來改變晶狀體的形狀，從而達到變焦的功能。

那么眼睛的睫狀肌是怎么知道應該用多大的力氣來收縮的呢？答案是我們的大腦有一個反饋回路，睫狀肌會不斷地收縮和舒張，直到大腦得到最清晰的圖像為止。這其實是一個瞬間完成的動作，但如果過于頻繁地調節睫狀肌的話，我們的眼睛會感到很疲勞。

只有在距離兩米以內的物體才能觸發睫狀肌的運動，超過這個距離，眼鏡就會開始放松，將焦點放在無限遠處。

視覺輻輳與視覺調節的沖突

當你的雙眼聚焦于附近的一個點時，它們其實會在眼眶中旋轉。集中視線的時候眼外肌會自動伸展，大腦可以感受到這個動作并且將其視為一種深度提示。如果你把焦點放在10米以內的物體上，你會感受到眼球的會聚。

所以當我們用兩只眼睛看世界的時候會用上兩組不同的肌肉。一組肌肉負責讓雙眼會聚（輻輳）到同一個焦點上，而另一組肌肉則負責調節視網膜成像的清晰度。如果眼睛輻輳不當，那我們就會看到雙重影像。如果視覺調節不當，那我們就會看到模糊的影像。

在現實世界中，視覺輻輳和視覺調節是相輔相成的。事實上，觸發這兩種反應的神經是相連的。

不過在觀看3D、虛擬現實或者增強現實的內容時，我們通常都會將焦點放在特定的位置上（例如3D影院的銀幕），但是雙眼接收到的信息會讓雙眼會聚到另外的距離（例如從銀幕沖出來的巨龍）。

這時我們的大腦將難以協調這兩種沖突的信號，這也是有些觀眾在觀看3D電影的時候會感到眼睛疲勞甚至是惡心的原因。

你還記得那些用卡紙做成的紅藍立體眼鏡嗎？這種“濾光眼鏡”可以讓讓左眼只看到紅光，右眼只看到藍光。通常的立體圖像會在左眼疊加一層紅色的圖像，在右眼疊加一層藍色的圖像。

當我們通過濾光眼鏡觀看的時候，大腦的視覺皮層會將所看到的圖像融合認為是三維場景，而且畫面的色彩也會被修正。

現在所有基于眼鏡實現的3D效果，包括虛擬現實和增強頭顯都是利用這樣的工作原理——通過物理方式分離左眼和右眼所看到的影像來營造立體視覺。

你現在去看電影的時候會拿到一副看上去完全不像偏光眼鏡的3D眼鏡。這種眼鏡并不會根據顏色來過濾圖像，而是根據光的偏振來過濾圖像。

我們可以把光子想象成一種會振動的實體，它們會沿著水平方向或者垂直方向振動。

在電影屏幕上，一個特制的投影儀會生成兩幅互相重疊的圖像。其中一幅圖像只會向觀眾發射水平振動的光子，而另一幅圖像則會發送垂直振動的光子。而這種眼鏡的偏光鏡片可以確保兩幅圖像可以分別到達相應的眼睛。

如果你有一副偏光眼鏡（不要從電影院偷出來哦），你可以用它來觀看現實世界的偏振。把這副眼鏡保持在你視線2英尺的距離上，然后通過它來觀看汽車擋風玻璃或者水面。在你將眼鏡旋轉90度的過程中，你應該會看到穿過鏡片的眩光的出現和消失。這就是偏光鏡的工作原理。

偏光鏡可以允許所有的彩色色譜進入到眼睛中， 這樣子3D畫面的質量也會得到增強。

從3D影像質量來看，這種眼鏡只能提供立體視覺這一種深度提示。所以盡管你可以看到圖像的深度，但如果你離開座位在電影院內走動的話，你將會看不清周圍的物體，背景會以與運動視差相反的方向移動，也就是像是會跟著你一樣。

還有一個更嚴重的問題是這種眼鏡缺乏視覺調節的支持，這會導致視覺輻輳和調節之間產生沖突。如果你盯著一條龍從屏幕向你靠近，你很快就會感受到極度的視覺不適。

這也是為什么電影中的龍只會非?？焖俚仫w過——這樣做只是為了達到驚嚇的效果，同時避免你的眼睛感到不適。

如果你家里有一臺3D電視的話，它配套的眼鏡可能不是偏光類型的，而是采用了“主動快門”的技術。這種電視會交替顯示右眼和左眼的圖像，而眼鏡會按照電視的頻率同步遮擋相應的眼睛。如果切換的頻率足夠快的話，大腦可以將這兩種信號混合成一幅連貫的3D影像。

為什么不使用偏光眼鏡呢？雖然有些電視會采用這種技術，但是不同方向的偏振圖像必須來自不同的像素，所以觀眾看到的圖像分辨率會減半。（但是電影院里的兩幅圖像是分別投影在屏幕上的，而且它們可以互相重疊，所以不會導致分辨率下降。）

主動快門式3D眼鏡一般只能支持立體圖像這一種深度提示。一些更加先進的系統會采用追蹤技術來調整內容，通過追蹤觀眾的頭部實現運動視差的支持，但是只能用于一位觀眾。

虛擬現實是一種全新的3D渲染類型。這項技術最近得到了廣泛的關注?，F在已經有很多人體驗過虛擬現實頭顯了， 而未來幾年將有更多的人能夠體驗到這項技術。那么， 虛擬現實的工作原理是什么呢？

VR頭顯不是通過過濾來自外部屏幕的內容來工作的，而是生成自己的雙眼圖像，并直接呈現給相應的眼睛。VR頭顯通常包含兩個微型顯示器（左眼一個，右眼一個），它們現實的頭像會經過光學元件的放大和調整，并顯示在用戶眼前的特定位置上。

如果顯示器的分辨率足夠高的話，圖像的放大比例也會更高，這樣用戶就會看到更廣闊的視場，而沉浸體驗也會更好。

現在像Oculus Rift這樣的虛擬現實系統會追蹤用戶的位置，為立體視覺增加運動視差效果。

目前版本的虛擬現實系統并不支持視覺調節，并且容易造成視覺輻輳和調節的沖突。為了確保用戶體驗，這個技術難題是必須要解決的。這些系統現在也不能完全解眼鏡動作的問題（范圍有限和失真），但是這個問題未來可能會通過眼球追蹤技術來解決。

同樣的，增強現實頭顯也變得越來越普遍。增強現實技術可以把數字世界和現實世界融合在一起。

為了確保真實感，增強現實系統不僅需要追蹤用戶在真實世界的頭部運動，同時也要考慮自己所在的現實3D環境。

如果Hololens和Magic Leap最近的報道是真的話，增強現實領域現在已經出現了巨大的飛躍。

正如我們的兩只眼睛看到的世界會有所不同，現實世界的光線也是從不同的方向進入瞳孔之中的。為了觸發視覺調節，近眼顯示屏必須能夠模擬獨立從各個方向發射的光線。這種光信號被稱為光場，這是虛擬現實和增強現實產品未來的關鍵。

在實現這種技術之前，我們只能繼續忍受頭痛了。

這些是頭顯設備需要克服的挑戰，它們面臨的另外一個問題是融入社會和文化（比如Google Glass的遭遇）。如果想同時以多個視角顯示世界，我們則需要利用裸眼3D顯示系統。

如果不佩戴任何設備，我們可以如何體驗3D圖像呢？

看到這里， 我想你應該明白如果想提供立體視覺，3D屏幕必須朝著不同的空間方向投射出不同視角的影像內容。這樣子，觀眾的左眼和右眼將會自然地看到不同的圖像，從而觸發深度感知，因此這種系統被稱作“自動立體顯示”。

因為3D圖像是依靠屏幕投射的，所以只要3D效果不是太夸張的話，自動立體顯示本身可以支持支持視覺輻輳和視覺調節。

但是這并不代表這種系統不會造成眼睛不適。事實上，這種系統在不同視覺區域的轉換方面也有另外一個問題。

這種系統的圖像會出現頻繁的跳躍、亮度變換、暗帶、立體視覺中斷等問題，最糟糕的是左右眼看到的內容被顛倒，導致完全相反的3D感受。

那么我們應該如何解決這些問題呢？

3M公司在2009年開始對這項科技進行商業化生產。

棱鏡膜會被插入到普通LCD屏幕背光的薄膜堆棧之中，可以分別通過來自左右某一方向的光線來照亮，當光源來自左邊的時候，LCD的圖像將會在投射在右邊的區域， 當光源來自右邊的時候，圖像會在左邊的區域投射。

快速切換光源的方向，并按照同樣的頻率改變左右眼看到在LCD看到內容，這樣可以產生立體視覺，但是前提是屏幕需要放在觀看者的正前方。如果通過其他視角觀看的話，立體效果將會消失，圖像也會變會平面。

因為觀看的范圍非常有限，所以這種顯示技術通過稱為“2.5D”。

在一個2D屏幕上面加入一塊被開了許多小口的遮蓋層，當我們通過這些小口觀察屏幕的時候，我們不能看到下面的所有像素。我們能夠看到的像素實際上取決于觀看角度，觀察者的左眼和右眼可能會看到不同的像素組。

“視差屏障”這個概念早在一個世紀以前就被發現了， 夏普在十年前首次將其投入到了商業應用。

經過改良，現在這項技術采用了可切換的屏障，這實際上是另一個活動的屏幕層，它可以產生屏障效果，也可以變為透明，將屏幕恢復到2D模式，以顯示完整的分辨率。

早在2011年的時候，HTC EVO 3D和LG Optimus 3D就已經登上頭條了，因為它們是全球率先支持3D功能的智能手機。但它們其實只是2.5D技術的另一個例子，只能在非常狹窄的視角范圍提供3D效果。

從技術上講，視差屏障可以不斷擴展形成更寬的視角。但問題是視角越寬，你所需要屏蔽的光線就越多，這樣就會造成耗電量過大的問題，尤其是對于移動設備來說。

在一個2D屏幕上面覆蓋一層微型凸透鏡，我們都知道凸透鏡可以聚焦來自遠處光源的平行光，小孩子用放大鏡點著東西也是利用了這個原理。

這些透鏡可以收集從屏幕像素發出的光線，并將其轉變為具有方向的光束。我們把這個現象稱為準直（collimation）。

光束的方向會隨著透鏡下方的像素位置而改變。這樣的話，不同的像素將會跟隨光束投射到不同的方向上。柱狀透鏡技術最終可以達到視差屏障同樣的效果（都是利用在不同的空間位置看到的像素組不同的原理），只是柱狀透鏡不會遮擋任何的光線。

那為什么我們在市面上沒有看到柱狀透鏡3D屏幕呢？

這不是因為沒有人嘗試，東芝就在2011年在日本發布過第一代系統。但是這種屏幕在仔細觀看的時候會出現了一些難以接受的視覺假象，這主要是由透鏡產生的問題。

首先，屏幕像素通常都是由一個面積較小的發射區和一個面積較大的“黑色矩陣”組成的，后者是不發光的。在經過透鏡的處理之后，單個像素的發射區和黑色矩陣會被偏折到空間的不同方向。這樣會導致3D畫面出現非常明顯的黑色區域。唯一能解決這個問題的方法是對透鏡進行“散焦”，但是這樣做會導致不同視角之間的干擾，圖像也會變得模糊。

其次，只用單個透鏡是很難在廣視角下達到合適的準直的。這也是相機鏡頭和顯微鏡會使用復合透鏡而不是單透鏡的原因。因此柱狀透鏡系統只能在較窄的視角（大約20度）觀察到真正的運動視差。超出這個范圍的話，3D圖像就會不斷重復，感覺就像觀看的角度不對一樣，圖像也會變得越來越模糊。

較窄的視場和糟糕的視覺轉換是柱狀透鏡屏幕的最大缺陷。對于電視系統來說，如果觀眾會自動調整他們的頭部并且不會走來走去的話，那么現在的柱狀透鏡技術是可以接受的。

但是在手機和汽車這樣的使用場景下，頭部是肯定會有移動的，這樣柱狀透鏡系統就很難達到理想的效果了。

那么，我們應該如何設計含有寬廣視場和流暢轉換的裸眼3D視覺系統呢？

如果我知道你的眼睛和屏幕之間的相對位置，我可以計算出相應的視角，并嘗試將圖像調整至眼睛的朝向。只要我能快速地檢測到你的眼睛的位置，并且有同樣快速的圖像調整機制，那我就能確保你在任何視角都能看到立體視覺，以及平滑的運動視差渲染。

這就是眼部追蹤自動立體屏幕的運作原理。

這種方法的好處是：屏幕在任何時刻都只需要渲染兩個視角的畫面，這樣可以保持大部分的屏幕像素。從實際的角度上講，眼部追蹤系統可以結合目前視差屏障技術一起使用，避免柱狀透鏡系統產生的光學假象。

但是眼部追蹤并不是萬能的。首先，它每次只能支持一個觀眾，而且，眼睛的追蹤需要設備配置額外的攝像頭，以及在后臺持續運行用于預測眼睛位置的復雜軟件。

對于電視系統來說，尺寸和功耗不是一個大問題，但是這會對移動設備造成巨大的影響。

此外，即使是最好的眼部追蹤系統也會出現延遲或者錯誤，常見的原因包括燈光的改變，眼睛被頭發或眼鏡遮擋，攝像頭檢測到另外一雙眼睛，或者是觀眾的頭部運動得太快。當這個系統出現錯誤時，觀眾會看到非常不適的視覺效果。

裸眼3D技術的最新發展是衍射“多視角”背光LCD屏幕。衍射是光的一種特性，光線在遇到亞微米物體時會出現偏折，所以這就意味著我們要準備進入納米技術的領域了。

你沒看錯，就是納米技術。

普通的LCD屏幕背光會發出隨機分布的光線，也就是每個LCD像素都會向廣闊的空間發射光線。不過衍射背光可以發出統一方向的光線（光場），而且可以設置某個LCD像素發出單向的光線。通過這樣的方式，不同的像素可以向不同的方向發送自己的信號。

跟柱狀透鏡一樣，衍射背光的方法也可以充分利用入射光。但是跟柱狀透鏡不同的是，衍射背光可以同時處理好較小和較大的光線發射角度，以及完全控制每個視角的角度擴散。如果設計合理的話，視角之間是不會產生暗區的，而且生成的3D圖像也能跟視差屏障一樣清晰。

衍射方式的另一個特點是，光線調整功能不會影響直接穿過屏幕的光線。

這樣一來屏幕的透明度就可以被完整保留，所以這種屏幕可以添加在下方加入正常的背光，并恢復到全像素的2D模式。這為透視裸眼3D顯示技術的發展鋪平了道路。

衍射方法的主要問題在于顏色的一致性。衍射結構通常會把不同顏色的光線發射到不同的方向，而這種色散現象需要在系統層級進行抵消。

然而，3D技術的發展不會只止步于看到3D圖像，它將會打開一種全新的用戶交互范式。

3D體驗很快就能達到適合消費的質量，而且我們也不會在擔心自己的3D體驗被打斷。

在虛擬現實和增強顯示系統中，這意味著要增加視場，支持視覺調節，并且提高系統在頭部快速運動時的響應速度。

在裸眼3D顯示技術中，這意味者要向用戶提供足夠的自由移動空間，并避免出現各種視覺假象，比如3D丟失、暗區、視覺跳躍，或者運動視差延遲。

一旦幻象變得真實可信，我們就會忘記幻象背后的技術，并且把虛擬現實世界當成是真實世界，至少在我們撞上真實存在的墻壁之前。如果要實現這樣的幻想，我們需要考慮到現實世界是有物理反應的。

當我們把電子數據轉化成我們可以在真實世界感知的光信號的時候，我們需要將身體的真實反應數據發回數字世界進行交互。

在虛擬現實和增強現實頭顯中，這點可以通過用戶佩戴或放置在周圍環境的傳感器和攝像頭來實現。我們可以預見未來將會出現搭載傳感器的智能服裝，不過它們可能會較為笨重。

在3D屏幕上，這項任務可以直接由屏幕來完成。 事實上，Synaptics研發的Hover Touch技術已經能夠可以實現非觸摸手指感應了。很快， 我們只需要動動手指就可以與半空中的全息影像進行交互了。

一旦電子世界理解了用戶的反應機制。 那么兩者就能更自然地融為一體。換言之， 數字信號可以在我們撞上一面墻之前先在上面打開一扇門。

但是如果能在虛擬世界看得見摸得著這面墻，這樣不是更好嗎？ 但是我們怎樣把觸感帶進這個世界呢？

這個問題涉及到觸覺反饋的領域，如果你有打開過手機的振動模式的話，那你就應該體驗過這種反饋了。

例如一種配有振動單元的手套和其他服裝，或者利用微弱的電信號來模擬皮膚，如果調整的當的話，你身體的不同部位將能感受到與視覺效果相匹配的觸感 。

當然，不是人人都適合穿上這種衣服布滿電線的服裝或感受電流。

對于基于屏幕的設備來說，超聲波觸覺就可以讓你直接在空中觸摸到屏幕，不需要使用任何智能服裝。這項技術是從屏幕的四周發出超聲波，這些超聲波的強度可以根據用戶的手指動作進行調整。

信不信由你，這些強化聲波的強度足以讓你的皮膚感應到。Ultrahaptics這樣的公司已經開始準備將這項技術推向市場。

雖然今天的虛擬現實和增強顯示頭顯越來越普遍， 但是它們在移動和社交方面仍有諸多限制，使得它們難以實現全面交互的3D體驗。使用手指觸覺技術的3D屏幕將能克服這一障礙，在未來讓我們以更直接的方式與數字世界進行交互。

我在最近的一篇博客文章中將這種平臺稱為全息現實（Holographic Reality），并講述了全息現實顯示屏可以被應用在我們日常生活的方方面面。未來的所有窗戶、桌子、墻壁和門都會有全息現實功能，我們在辦公室、家中、汽車甚至是公共場所使用的通信設備都會搭載全息現實的元件。我們將可以隨時隨地訪問虛擬世界，無需再佩戴頭顯或者連接線纜。

在過去5年里， 3D技術、顯示技術和頭顯領域已經出現了極大的發展。

在如此迅猛的技術發展之下，不難想象在未來5年我們將會在全景現實的世界中交流、學習、工作、購物或娛樂， 這將會通過由頭顯和3D屏幕等產品組成的先進3D生態系統來實現。