互动科普

下一步计算机的显示效果会是什么样呢?

大约20年前，我怀着半信半疑的心情，去看了一场片名叫做《Jaws》的立体电影，它是当时一部很糟糕的描述鲨鱼攻击的电影续集之一。剪票入场时，工作人员发给我一副用纸板做的立体眼镜，一个镜片上是红玻璃纸，另一个是绿玻璃纸。感觉戴着这样的眼镜看上去会特别傻，所以直到电影开始时，电影院的灯光都关掉之后，我才戴上它。那部电影的情节我已经没有任何印象了，但我清晰地记得其中的一些三维效果。电影一开始，出现的是一个可怕的鱼头，仿佛就漂浮在距离我的脸不到几英寸远的地方。那时我还很小，感觉这些镜头非常的酷。

岁月如梭，转眼已经是2002年了。我正坐在位于纽约州立大学媒体研究实验室的一间小屋里，盯着自动立体的效果的显示器设备。整套设备看上去很古怪：一台侧放的计算机，视差格栅的液晶薄片，旁边有两个被许多微型红外线灯包围的小照相机。和视差格栅之间的空间漂浮着一个可怕的图像。那是一只人脚的骸骨模型，跗骨、跖骨、趾骨闪烁着不同颜色的光。图像缓慢移动，其逼真程度不亚于《Jaws》中出现的可怕鱼头的效果。但是现在我用不着戴红绿眼镜了。站在我身后的是实验室主任Ken Perlin和他的几位同事，他们自1998年就开始研究这个项目。以前，想达到三维计算机显示效果的做法大多是在屏幕上显示两幅图像，然后要求使用者或配戴极化眼镜(为每只眼睛各过滤掉一幅图像)，或配戴遮光器眼镜(交替地遮挡两只眼睛)。Perlin及其同事决定去掉讨厌的眼镜。他们的系统同样显示两幅图像，一幅用左眼看，另一幅用右眼看，但是图像在屏幕中轮流出现。结果得到参差不齐的竖直条纹混合图像(由于计算机监视器通常是水平扫描光线，要想得到垂直效果，系统设计者只需将监视器翻转成90度角侧放即可）。

视差格栅将混合图像转换成三维立体图像。想象一下：这种设备就像是位于观众和屏幕之间的尖桩篱栅。液晶薄片(专业名称叫做Picell)形成竖直黑条纹，迅速地从左向右移动。在任何时候，用户左眼看到的都是一幅图像的条纹视图(就像隔着栅栏观看一样)，右眼看到的则是另一幅图像的类似视图。屏幕上的条纹可阻挡左眼看到右眼能看清的图像，反之亦然。由于“尖桩篱栅”移动速度非常快(视差格栅每1／16秒可以循环3个位点)，用户根本感觉不到屏幕上有条纹存在。相反，每只眼睛看到的都是一幅完整的图像，图像根据眼睛的位置而迅速调整。也就是说，在红外线进入的地方，通过测量从用户视网膜反射回的光线，照相机就可跟踪用户眼睛的位置。每次只有一位用户能够看到三维图像。

我通过各种方式，将脑袋向前后左右各个方向探出，以测试自动立体效果显示器的限度。该系统对脚骸骨图像进行调整，以匹配我的脑袋移动的方向，实际上我可以从任何角度看到脚骸骨的立体图像。我偶尔会瞥见图像中出现的一些黑色缝隙，可能是由于红外反射偏离所导致。由于视差格栅的移动条纹阻挡了部分屏幕光线，脚骸骨看起来也略微有点模糊。Perlin向我保证，如果使用更亮的屏幕，这个问题就可以解决。

当我凝视着脚骸骨的三维立体图时，我突然觉得这种显示图可能对外科医生大有帮助。但是这项技术更可能最先被娱乐业应用。纽约大学媒体实验室正在合作开发三维显示器(似乎现有的游戏看起来还不够恐怖)我突然又想起来，色情网站的承办商也可能找出各种借口要求开发这种显示器。但Perlin领导的团队成员非常明智，拒绝对该问题发表评论。

在纽约大学以北数千米远的哥伦比亚大学，哥伦比亚自动幻影环境(CAVE)实验室的研究人员正在研究另一种能够提高计算机图形真实度的显示技术。他们研制的是一种叫做“光敏显示器”的设备，能够判断投射到计算机屏幕上的外部光线的方向，并且调整屏幕上的图像以便使其具有适当的阴影和反光。CAVE组的组长Shree Nayar带我进入到另一间黑暗的屋子，里面有一台平板显示器，像一幅画一样挂在墙上。屏幕上是一幅静物图，画中有一碗葡萄，一个玻璃瓶酒，一个胡椒磨，和一条放在切肉板上的鱼(为什么我们的故事里总少不了死鱼？)。在屏幕的木制框架中嵌有一个带广角镜头的半球状照相机，它可以探测到屋内任何位置的光源。

Nayar递给我一盏像鹅颈一样长短的灯，并力劝我在显示器前晃动它。当我晃动灯时，静物图像发生了变化：胡椒磨的阴影从左边移到右边，葡萄上反射的光亮时闪时隐，玻璃瓶也闪闪发光。这种效果几乎是一瞬间的事情(屏幕每秒刷新15帧)。虽然分辨率还没有达到能够显示鱼鳞片反光的程度，但这无疑已是一幅给人留下深刻印象的画面。Nayar及其同事开发光敏显示器的故事也同样给人留下了深刻的印象。开始时他们考虑使用光线追踪技术，但他们很快意识到就认识到，这种方法计算强度太大，很难以足够快的速度改变图像。后来，他们决定对同一物体拍摄在数百种不同光线条件下的一组照片，并将所有的图像存储到内存中，Nayar告诉我，拍摄静物图像花的时间太久，以至于鱼都发臭了)。当内置照相机探测到某一角度的光源时，屏幕迅速从内存中调出可以匹配的适当阴影和反光图像。

由于这种方法牵涉到大量数据，于是Nayar小组发明了一种压缩数据的精妙方法：使用笛卡儿网格将图像划分为许多部分。外部光源的移动不会改变图像的所有部分；许多部分根本不发生变化，另一些部分变化很小。因此，对于每一个不怎么变化的部分，显示系统只需存储一两幅图像就够了。通过这种压缩方法，Nayar小组将内存容量的需求从不现实的4G减少到易于管理的10M。

Nayar认为，这种技术可能对教育有一定的帮助。他的小组已经设计出米开朗基罗的名作大卫的透视图，可以通过光敏显示器来欣赏它。Nayar也是一位业余画家，这也许可以解释为什么他的“鱼和水果图”与17世纪的一位荷兰大师的静物图如此类似。他说：“这位荷兰画家被如何适当地表现水果所困扰，为了将葡萄的半透明光泽表现出来，他用了好几层油并且将光线最强处放在表层下面。”也许普通的计算机用户不需要很强的光现实主义(Photo-realism)的屏幕效果，但我们很高兴地发现，至少图形设计师在朝着这个目标努力。