互动科普

还原世界的三维立体显示器

撰文 斯图尔特·F·布朗（Stuart F. Brown）

翻译 王俊

开发一种显示器，能够魔法般展示生动的三维影像，并让用户随意操控和修改影像，且及时显示修改结果（即所谓的交互式操控），一直是发明家多年来努力奋斗的目标。有了这种神奇的三维显示器，药剂师可以更直观地设计新型药物分子；油气勘探者可以更精准地确定钻孔机打孔的位置；外科医师也可以让磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）取得的诊断数据立体式展现出来，让探针或辐射束流穿过这种立体影像，在手术之前检验治疗方案。不过，以前的三维显示器总是被一些缺陷所困扰，例如画面闪烁、视角狭窄、必须戴特殊眼镜等。

最近，两家公司将现成的商业化部件，比如美国得州仪器公司（Texas Instruments）的数字光处理器（Digital Light Processor，缩写为DLP），与它们自己的技术相融合，克服了以上种种缺陷，开发出了被称为“三维立体显示器”（3-D volumetric display）的交互式显像系统。目前，这两家公司正致力于“三维立体显示器”的市场化推广。

有人也许会问，全息摄影不也是三维的吗？它也不需要戴上奇怪的眼镜去看呀！话虽没错，但全息摄影只能记录一次图像，不能进行交互式操作。工程师也曾把发光二级管（LED）组合成一个立方体，或者将LED排成一个二维阵列，使它旋转起来显示三维影像。不过受到二极管间连接线路的限制，这种系统显示的影像相当粗糙。还有一些公司开发的显示系统看似三维，但实际并非如此。比如美国旧金山IO2技术公司推出的HelioDisplay，可以在设备上方产生一层由细雾构成的垂直“气幕”，并将平面影像投射到上面。这种悬浮于半空的影像看起来有一定的景深，实际上只是深度暗示（depth cue，二维图像中让人产生立体感的影像元素，例如透视效果或阴影效果等）缺乏造成的假象，影像本身并不是立体的。对于想导入三维医疗数据、三维军事场景，还要在显示影像的同时进行旋转、缩放和修改的用户而言，目前称得上“立体”二字的只有以下两项创新产品：透视者（Perspecta）和深度立方（DepthCube）。

立体水晶球

“透视者”由美国马萨诸塞州贝德福德市的实境系统公司（Actuality Systems）开发，如同一个可以看清内部结构的水晶球。“水晶球”的外部是一个透明的聚碳酸酯圆顶，内部则是一块直径约10英寸（1英寸约合2.54厘米）的圆形屏幕，它能以每分钟900圈的速度绕竖轴转动。这套系统可以把CT、MRI或PET（正电子发射断层扫描）的诊断数据精确切分成198个呈放射状排列的切片，就像绕着苹果核将一只苹果切成薄片一样。保存在帧缓冲存储器（frame-buffer memory）中的数据切片，被逐一输入三块DLP芯片。每块DLP都是一个由数十万面微小镜片组成的阵列，芯片上的电路能够独立控制每面镜片倾斜的角度。DLP芯片已经成为投影电视（projection television）、新型投影仪的核心部件，以它为核心的数字电影放映机也很有可能取代影院中传统的电影胶片放映机。在透视者中，每块DLP负责一种颜色，通过一块棱镜将光投射到快速旋转的屏幕上，从而创造出一个三维幻影。

为了让“透视者”正常工作，该系统必须进行大量繁重的数学运算。实境公司的首席技术官格雷格·E·法瓦洛罗（Gregg E. Favalora）说：“光是开发影像数据切片的算法，就花了我们三四年时间。比如，为了在旋转屏幕上画出一条直线，我们开发的算法就足够申请一项专利——要在旋转的屏幕上挑出排成直线的点，可不像看上去那么简单。”

“透视者”能够产生一个发光的半透明影像。每个体素（voxel，三维数据资料在空间分割上的最小单元，类似于二维图片中的像素）就像立体空间中的固定点般真实存在，但只有当屏幕扫过它时才会发亮——这就要求屏幕具有足够高的转速。屏幕由一块塑料薄膜制成，看起来就像一张紧绷的薄纸片。它能反射一半的光线，又能透射一半的光线，可以让周围的观众从任意角度观看影像。这套系统还能同时提供水平视差和垂直视差：如果观众上下或左右移动头部，原先被前方物体遮挡的背景物体就会显现出来，与真实世界中的情况一模一样。

用户还可以挥动一个像笔一样的鼠标，来缩放、旋转和翻转图像，或者改变它的颜色。这项功能能够实现，多亏了近年来计算机图形技术的快速发展。法瓦洛罗回忆道：“2002年，当我们第一次演示这套系统时，一个简单的点击拖拉动作就花了45分钟。现在，我们用市面上仅售几百美元的显卡，就可以轻易完成这些动作。”

法瓦洛罗和他的同事们很快就意识到，仅拥有一套完美的核心技术，并不足以取得商业上的成功。他们必须找准一个合适的市场切入点，有针对性地开发出一套实用系统。癌症肿瘤的放射治疗正是这样一个利基市场（niche，专门满足某个特殊需要和特殊群体的小型市场区块）。在实施放射治疗之前，医生需要仔细制定辐射束流的瞄准路径，既要使射线对肿瘤产生最大的杀伤力，又要尽量减小对周围健康组织的伤害。过去，肿瘤医师不得不在二维的断层扫描数据切片上工作，为一位病人制定辐射束流路径往往要花上好几个小时。实境公司专门开发了一套放射透视系统（PerspectaRad），可以作为辅助设备，安装到目前生产的放射治疗设备上。

放射透视系统包含了一套三维显示器，还有一款将系统与医疗设备连接起来的软件。医生只要按动按钮，一位脑肿瘤患者的CT扫描数据就会以三维影像的形式显示出来；按动另一个按钮，放疗剂量师（dosimetrist，负责制定辐射束流路径的医师）选定的辐射路径就会同时显示出来。内科医生就能准确地看到束流将轰击肿瘤的什么部位，它将经过哪些健康脑组织，对可能受到放射线影响的所有组织区域都了如指掌。这种立体影像可以帮助医生调整束流路径，以改善治疗效果或减少额外伤害。第一台放射透视系统大约花费了9万美元。按照法瓦洛罗的说法，批量生产之后，设备的价格可以降到6.5万美元，但这种显示器仍不太可能打入消费市场。

不管怎样，放射透视系统确实提高了治疗效果。美国芝加哥拉什大学医学中心（Rush University Medical Center）医学物理系主任朱建华（James Chu），最近对12位脑肿瘤患者展开了研究。他分别用放射透视系统和常规方法为每一位患者制定了两套放射治疗方案，并请不知情的医生对两套方案进行评审。用放射透视系统制定的方案最终在6个病例中胜出，4个病例中平手，两个病例中败北。在其中一位患者身上，放射透视系统可以清楚地指出，应该如何制定束流路径才能减少对视觉神经的伤害。朱建华认为这些结果“很有趣”，他正在制定一个更大的研究计划，把身体其他部位出现的肿瘤也纳入研究范畴。他说：“以前，我们只能根据CT数据进行判断，所以必须在脑子里综合一幅幅断层图像，构建起整套三维影像。有了‘透视者’，我们就能亲眼看到三维影像了。”

“透视者”还能显示身体内部的动态影像，这也让朱建华感到兴奋。由于内脏和器官组织会随心跳和肺部的缩张而移动，所以能够看清一个肿瘤的移动轴线非常有用。有了这些信息，医生就可以用一束低能放射线沿着移动轴线轰击肿瘤，而不需要用一束高能放射线来穿透肿瘤，能够有效减少放疗的附带伤害。为了治疗前列腺癌，内科医生往往要将放射性“种子”植入前列腺中。朱建华说，透视者可以帮助内科医生更好地补偿针管插入时引起的组织运动，更精确地植入“种子”，从而增强疗效。

 玻璃板中的立体影像

“深度立方”则是另一种交互式立体显示器，是由美国康涅狄格州诺沃克市的LightSpace科技公司研制的。这是一台背投显示器，形状类似于一体式电脑，显示面积约为16英寸×12英寸。它的“屏幕”厚达4英寸，由20块垂直的透明玻璃平板层层叠合而成，平板之间由薄薄一层空气间隙分隔，不过它所显示的影像看起来却深达12英寸。用户可以随意站在屏幕前方，根据所处位置的不同，看到相应的透视图像。同样，物体的内部结构也会随着观察者的移动而显现或消失。对于正在研究计算机辅助设计系统画出的部件，查看它们能否成功组合在一起的产品工程师们来说，这套立体显示系统将会非常实用。

8年前，LightSpace公司总裁艾伦·沙利文（Alan Sullivan）建造了深度立方的第一个原型。当时他设法让得州仪器公司的三块DLP芯片协同工作，把含有深度信息的影像准确投射到20块玻璃平板上。在深度立方中，每块DLP仅有手指甲大小，却包含了786,432面镜片。

除了DLP投影技术以外，沙利文还需要一种能够产生深度信息的简便方法。他很开心地发现，市面上一块不算昂贵的三维显卡足以完成这项任务。显卡使用颜色缓冲（color buffer，显存的一小部分）来为二维图像上的每一个像素指定一种恰当的颜色。但是，显卡上还有一个被称为深度缓冲（depth buffer）的隐藏部件，它为每一个像素指定了深度信息。在正常的显示应用中，深度缓冲大都未被使用——产生一幅二维图像只须使用处于最前方的像素。因此，那里刚好成了为沙利文存贮深度信息的“免费空间”。 这些深度信息控制着20块平板的状态。这些平板又被称为散射型液晶光阀（liquid-crystal scattering shutter），可以迅速从透明的玻璃转变为散射光线的屏幕。当平板透明时，光线就能从中穿过，投射到后面的平板上；当平板不透明时，光线则会投射在上面，展现出一幅图像。在任意时刻，20块平板中只有一块显示图像，其余的都是一片空白。显示系统的处理器会以每秒50帧的速率，依次将图像投射到每一块平板上，产生一个完整的、具有高宽深三维信息的立体影像。

深度立方的原型可以很好地展示三维影像，不过仅仅局限于屏幕的4英寸深度范围以内。影像中的物体看起来很像戏院中的平面布景一样，一层层前后叠放在一起，看起来很不自然。就在此时，曾经在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）研究超高能量激光的沙利文灵机一动，想出了一个后来获得专利的点子。他想到，用来平滑二维图像中锯齿状边缘的“反锯齿算法”（antialiasing algorithm），也可以用来平滑深度立方20个平板之间图像的过渡。这项发明让显示器的1,530万个物理体素（即真实存在的体素）能够显示出具有4,650万个虚拟体素的立体影像。沙利文解释说：“这就像在物理平板之间生成了31个子平板，看起来分辨率就高多了。”对于人脑来说，这种影像看起来就有12英寸那么深了。

输入芯片的图像数据几乎可以从任意一款采用OpenGL编程界面的三维成像软件中生成。（OpenGL是计算机辅助设计和辅助工程软件所采用的一种通用编程接口。）LightSpace公司已经将几台深度立方卖给了一些研究机构，包括美国空军研究实验室和日本北海道大学，每台售价约5万美元。沙利文承认，这样的天价限制了深度立方的市场空间，不过他认为自己已经找到了将售价降到5,000美元的办法：“我们的设计架构与一台背投电视的内部结构没什么两样，只不过多了一些散射型液晶光阀。这些东西量产之后，就会变得相当便宜。”

这两家新兴公司开发的产品，正在受到三维领域研究人员的重视，应用前景也将越来越广。美国加利福尼亚州格伦代尔市海因斯实验室的主席、光学科学家史蒂夫·海因斯（Steve Hines）称赞说：“两家公司做的都是难度非常大的事情，而且都努力将梦想变为了现实。”他还表示，“医疗、军事和电影工业”可能都会为三维立体显示技术埋单。