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[原创] 电脑未来预想：奇妙的3D世界

[ 2007-08-24 00:39:35 ]
　　引言/提要：未来是不可知的，却又是可知的。未来的路充满不确定性，我们只能够在一定程度上预见到将会发生什么。但无论如何，电脑技术是在不断向前发展，我们没有理由失去信心，放弃希望。

　　关键词：计算机创意，未来预测，科技进步

[原创] 发表于太平洋电脑网站
原文链接：http://www.pconline.com.cn/desktops/skill/0404/358843.html

　　之前发表了有关电脑未来预想的两篇文章《未来的PC应该这样发展》和《回应对未来PC言论的质疑》，得到的反响可以说出乎我自己的预料。两篇文章的回复加起来有100多条，我起初预期有30条回复就很不错啦。
　　因为我知道太平洋网站的网友多数是电脑玩家，而我这两篇文章原本并不是主要针对玩家读者的，有很多地方技术性太强，并不是人人都看得懂。虽说懂不懂都可以发表自己的意见，但我以为网友们未必会对这样的文章感兴趣。不过，结果表明是我低估了大家的积极性。
　　有人说我目光太短浅了，讲的净是些眼前的事情，为什么不预测长远一些的东西呢？其实，我也一样会对远景做一些假设，只不过没有写出来罢了。因为当时主要是写将要实现甚至已经实现的技术，而对远景的假设跟现实离得还比较远，充其量只是猜想而已。我说过目前还没有水平深入探讨里面的技术细节，因此只能够泛泛而谈。
　　有人说我们没有资格预测未来，其实大可不必较真。我和其他发表文章的朋友一样，只是表达自己的愿望，做做白日梦而已，还需要什么资格吗？一个人如果失去了梦想，那才是可悲的。
　　有人说这是一派胡言，我要说，这的确就是一派胡言。有谁规定不能胡言乱语，只有循规蹈矩才是对的呢？问题在于，电脑界这半个世纪的飞速发展，却恰恰是那些不墨守成规，不僵化思维的创造者、开拓者所推动的。
　　有人说我的文章太晦涩难懂了，那好，我就来点容易懂一些的。不过，这次的内容离我们的现实就比较远了。
　　我要写的是有关3D的内容，这应该可以归入电脑外围设备的范畴。也许有人会想，3D有什么好说的呢？现在的电脑世界已经是3D的时代，我自己的电脑也早就已经步入3D的殿堂了——且慢，现在已经是3D时代了么？我看，未必吧。

全新境界：3D显示
　　目前我们正在使用的3D显示卡，跟我所要讲的“真正的”3D显示设备有很大的差别。现在的所谓3D显示卡，确切地说应该是“三维立体影像的二维平面投影成像”显示卡，实际上是把3D的影像投影在2D的显示平面上，让人看起来“认为”是立体的而已。我们的显示器仍然是2D的，只能显示平面的影像。现在的3D显示卡的作用，只是用透视的方法，把立体影像转换成平面，再去显示出来。因此，这种影像本质上仍然是2D显示。人看到这种2D投影，其实分明知道是2D的，决不会跟真正的3D影像相混淆。只不过看到的影像类似于平面透视画，所以“认为”这反映的是3D影像而已。
　　现在也有一种“立体”显示器，采用两片液晶屏，或者是3D眼镜，使用两片不同的镜片。其原理都是类似于以往的立体电影，显示两个不同的2D影像，利用两眼的视觉差来得到立体的感觉。从一个平面影像发展到两个平面影像，技术上是前进了一步，效果上也确实有一定的改善，应该说是虚拟现实方面的一个进展，但这种双2D终究还不是真3D。真正的3D影像除了虚拟现实方面的效果之外，还能够起到信息的多维展示作用，这种作用是任何2D显示都难以企及的。简单地说，就象观察一块通体透明的水晶一样，只要稍微改变一下视角，看到的东西就完全不一样。2D显示再怎么以假乱真，都不及真正3D影像那么完美。
　　那么，我们就来看看真正的3D显示——激光立体全息投影。
　　我们可能还记得《星球大战》中那种全息投影成像的场面，几束激光打在一个空间位置上，就凭空出现了人物的影像，从任何角度看都是立体的。这就是激光立体全息投影技术，原理上有点儿类似我们的CRT显示器，用多束激光对一定空间范围内的各点进行扫描，从而形成立体影像。由于扫描各点的排列是真正3D的，因此形成的影像也是真正3D的。
　　《星球大战》里的全息影像，当然还有很多值得改进的地方，因为那影像看起来太粗糙，太象电视画面了。如果能够令影像的拟真度得到极大的提高，确实可以令人分辨不出是真实还是假象，就象《黑客帝国》所描绘的那样。因为人看到外界的一切，就是通过眼睛接收光线。如果3D影像跟自然界的光影没什么区别，人所看见的3D影像也就跟真实物体没什么两样。这样的3D显示跟现在相比，无疑将是一种全新的境界。
　　当然，这样的境界现在离我们还比较遥远。涉及到技术瓶颈、成本因素等一系列问题，这样的影像新技术通常会先出现在电影院，然后才逐渐飞入寻常百姓家。也许将来有一天，电影院会象足球场或者罗马角斗场那样，我们坐在看台上，观看场上的立体影像表演。然后，我们买到了激光全息投影仪，坐在沙发上观看客厅空间里上演的电影大片。
　　还有另一种3D显示方法，就是利用光导纤维等材料，在透明的光学器件中成像。当然，光学器件必须是立体的，影像也必须是立体的。说不定以后我们用电脑时候的样子，就象《指环王》里面的巫师，眼睛会看着桌面上的水晶球，水晶球里呈现出立体的虚像——那就是我们的3D显示器。
　　从2D显示到3D显示，技术上会遇到很大的挑战。且不论激光逐点扫描刷新，会有多少难题，单说说对显存的需求有多大。
　　假设有一个分辨率为2048×2048的平面显示器，色彩精度达到了每个点RGB通道各16位，还有16位的Alpha通道。换言之，16×3＋16＝64位的象素信息。每个点需要占用8字节的显存，那么这种分辨率的平面显示器就需要8×2048×2048＝33554432字节的显存，也就是32MB的显存。
　　那么，换作是同样色彩精度，分辨率2048×2048×2048的立体显示器，需要的显存就是8×2048×2048×2048＝68719476736字节，也就是64GB的显存。请注意，这可不是3D影像的2D投影，要求每一个点都能够从多角度观察，压缩不了的。
　　有网友曾经说，现在的PC性能已经足够了，以后的电脑速度再怎么提高，人们都用不上。我想问，现在真的已经足够了吗？

梦幻世界：3D音响
　　相对于3D显示，现在的3D音响就已经比较接近于真3D的效果。尽管我们的眼福还不够，但耳福已经不浅。
　　真正意义上的3D音响，当然是在空间位置上真实地产生应有数量的音源，10个就是10个，100个就是100个，而且每个音源都要有精确的定位，各自发出强弱、方向各异的声响。甚至还要在空间位置加上真实的吸收、反射或衍射音波的材料，从而还原出应有的音响效果。这显然是非常复杂和困难的，而只有这样，才能够完全真实地再造出一个精确无误的声场。
　　尽管如此，人们还是采用近似音源的办法，营造出了一个3D音响的梦幻世界。要不是这样，我们也就没有享受3D音响的耳福了。
　　所谓近似音源，就是用预设的人工音源，尽量近似地模拟出多个真实音源的效果。为了追求真正3D而原原本本地生成一切真实音源，这是不切实际的做法。真实音源不计其数，岂不是要搞无数个音源出来才行？所以要用近似的方法，通过一定的算法，使人工音源生成的音波经过混合后，产生接近于真实的效果。
　　我们的立体声音箱，其实就是最简单的近似方法。通过A3D、EAX之类的音频算法，可以让两个音箱产生一种类似3D的效果，还可以有混音、回响之类的音效。这个我们已经体验过了。这种双声道的近似方法，倒有点儿类似前面所提到的，用两个2D影像来虚拟出3D影像的近似方法。只不过两者的感观不同，一个是眼睛，一个是耳朵而已。
　　为了提高音响的近似效果，让人听起来更真实，空间感更强，采用了增加人工音源的办法。于是，从双声道到四声道，再到五声道、六声道，现在还出了七、八声道，再加上个低音声道，音箱真是越来越多了。理论上，人工音源越多，越容易近似于真实3D的效果。将这些音箱按一定规律作空间分布，各司其职，得到的混合音响效果还是可以令人接受的，真实感比较强，称之为“梦幻世界”并不过分。
　　为什么3D音响只要用多声道近似就已经比较真实了，而3D显示用近似的方法却远远不够呢？还不是因为人眼比耳朵“精明”的缘故。人耳只能听到20赫兹到2万赫兹之间的声波，而人眼可以看见384兆兆赫兹到769兆兆赫兹的电磁波。对于接收自然界信息而言，人眼比人耳要敏锐得多。所以，近似3D比较容易骗过耳朵，让人觉得和真实没什么两样，但要骗过眼睛却很难。
　　幸好耳朵不象眼睛那么敏感，所以对音频技术的要求也就不那么高，对音响设备也就不那么挑剔。试想，现在24位音频就算是高保真度了，如果耳朵真的象眼睛那么敏锐，说不定能够听出32位音频跟64位的差别，能够辨认出音源的空间位置精确到毫米。那样的话，恐怕一个声卡波表的容量都要以GB计啦。

身临其境：3D输入
　　有了3D的显示和音响，还要有相应的3D输入方法，才会有身临其境的真实体验。如果输入方式跟不上的话，这种真实感就要大打折扣。不过，我们不必担心这点，因为3D输入的方法是有的。
　　在数码电影制作过程中，常常会用到一种动作捕捉设备，那通常是用来创造虚拟角色的各种动作。因为虚拟角色只是由数码方式虚构出来的形象，在现实世界中并不存在实体，当然也就不会有实体的动作。那么，如何凭空创造出虚拟角色的动作呢？就是用真人来模仿虚拟角色的动作，再用动作捕捉设备记录下来。
　　首先，在真人身上穿戴好动作捕捉设备的感应器。感应器是可以实时报告自己3D空间位置的微型装置，通过有线或无线方式与动作捕捉设备保持通讯。在真人的头、手、脚等部位的关键点放置多个感应器，动作捕捉设备就可以将真人做出各种动作时，各个感应器的3D坐标记录下来，从而获得这个真人的动作数据。再将真人的动作代入虚拟角色中，加入角色的轮廓，虚拟角色的各种动作就创造出来了。
　　利用动作捕捉设备创造出来的动作，会比完全凭空画出来的动作更逼真，原因是真人在现实世界的真实环境下做出来的动作，完全符合现实规律的约束，例如受到重力、浮力等的影响。而凭空画出来的动作，要想完全跟现实情况吻合是很困难的，总有一点点的出入。
　　而这种动作捕捉设备和配套的感应器，就是一种不错的3D输入设备。
　　我们可以把感应器戴在身上，或者更方便地，制作成感应服穿在身上，就可以实现3D输入了。想象一下，我们只要手舞足蹈一番，电脑就会知道我们的动作，从而作出一系列反应，就象今天在2D平面内使用鼠标那样。只不过，在3D空间内的施展范围更大，操作起来也可以比鼠标方便快捷得多。更重要的是，3D输入会有更强的参与感，能够使人融入到3D显示和3D音响营造的数码幻境之中。
　　如果结合语音输入方式，我们只须做做手势，说句话，就能对电脑发号施令，直截了当。不过，鼠标键盘仍然会有用武之地，尤其是在手脚活动累了，说得口干舌燥的时候。
　　另一种3D输入设备就是激光枪，当然不是真正能杀人的激光枪，那激光已经减弱到没有杀伤力了。原理就是用激光束来指示3D空间里的方位，就象老师用教鞭指点黑板一样，所以把它称为激光指点器更为贴切。还要用类似激光制导雷达那样的设备去接收这束激光，再将3D数据输入电脑。
　　试想自己置身于3D虚拟现实游戏DOOM XYZ之中，机器怪兽就在自己周围咆哮，自己一边跳跃躲闪，一边用激光枪把敌人打得粉碎。这种身临其境的感觉，比今天强不知多少倍。只是到那时候，天知道又要把电脑升级到什么程度了。

如幻似真：3D扫描
　　目前常见的扫描方式仍然停留在2D阶段，即使是有一定景深，扫描出来的始终是张平面图片。至于3D扫描，对我们始终是有吸引力的，只不过现在技术不成熟，或者成本过高而已。
　　在电影《未来战士第2集》的最后一段，阿诺舒瓦辛格徐徐落入炽热的钢水之中，熔化殆尽。实际上落入钢水里的当然不是他本人，而是一个和他一样的模型。这个逼真的模型，就是依靠3D扫描，以及后面提到的3D打印造就的。
　　3D扫描跟2D的区别，就是扫描出来的是一个立体模型，而不是一张平面图片。这在电影制作、游戏制作、工业CAD，甚至办公、日常生活等方面都很有价值。举例来说，现在的3D游戏里的角色，通常是用多个几何图形拼凑而成，即使图形再多，这种人工拼凑的模型还是跟真实有差距。而通过3D扫描得到的模型会逼真得多，正如圆规、直尺画出来的人像再细致，也比不上拍摄下来的照片逼真。把3D扫描出来的角色放在游戏里，可以得到很强的真实感。
　　电影制作更是如此，因为对真实感有更高的要求。前面所说阿诺舒瓦辛格的模型，是用其中一种3D扫描方式得到的。那种是轮廓扫描，用一束激光照在他身上，形成身上的一条亮线，绕身体旋转一圈，亮线描绘出来的轨迹就是他的3D轮廓。电脑记录下来之后，就可以用这个3D轮廓去打印了。
　　还有其他的3D扫描方法，例如医院里的CT扫描，利用多角度透视的平面投影像，可以还原出3D影像模型。这是真的3D扫描，因为它是根据一定算法，从多张2D影像计算出来的真实3D影像，医生可以拿来作分析的，并不仅仅是类似于3D的效果。而且，CT得到的不仅仅是个轮廓，而是整个3D物体的透视模型。
　　至于激光全息拍照，可能会有真正3D的方式。但如果只是那种利用光的干涉原理来形成3D效果的方式，似乎并不是真3D的。类似于前面所说3D显示之中，两个2D平面形成3D效果，仅仅是种效果而已——我个人认为。

真实再现：3D打印
　　想象未来世界里这样的情形：火星矿场上有台机器的零件坏了，需要换新的。地球总部有这种零件，但是到火星的运费太贵，而且耽搁时间。零件的CAD设计图也有，但是火星矿场没有这种零件的铣床，难道还得在地球上生产吗？不必。只要把CAD图通过无线电传输过去，火星那边几分钟就能收到。然后，直接用3D打印机把零件打印出来就行了。
　　现在我们习惯在网上送贺卡，贺卡可以用2D打印机打印出来。将来我们也可以在网上送礼物，例如玩具娃娃、汽车模型之类，用3D打印机就可以将礼物打印出来了。愿意的话，把你的3D头像扫描进去，让远方的朋友打印出你的立体雕塑，那也不错。
　　3D打印也有不同的方式，《未来战士第2集》里那个模型，据说是采用减法打印的。打印机就象是铣床，把一个圆柱形胚体一点一点地雕刻掉，磨掉，形成3D实体。这个自动过程有点象电动配匙，不过电脑控制比电动配匙更精确，更细致，就象今天的打印机能够精确地打出每个点一样。3D实体打印出来之后，再用类似喷墨打印的方法，给实体表面加上各种颜色。
　　减法打印虽然在选用不同硬度、质感的材料方面有较大自由度，但也存在一点不足，在打印镂空物体的时候会遇到困难。
　　还有一种3D打印的方式，就是加法打印。这种方式不是去掉不要的部分，而是加上需要的部分。具体来说，是采用类似喷墨打印机的方式，把高温融化状态下的高分子有机树脂，一点一点地喷射出来。有机树脂在外面遇冷凝固，就形成了相应形状的3D实体。如果有机树脂中含有不同的成分，就会呈现不同的色彩、光泽和透明度(琥珀？)。加法打印的特点，决定了这种打印方式具有方便地打印镂空物体的优势。

现实体验：3D动感
　　3D显示有了，3D音响有了，3D输入也有了，3D扫描、3D打印都有了，我们还需要什么吗？
　　是的，我们还需要更多。人的5种感观，甚至包括第6感，无一不在向电脑技术提出越来越高的要求。
　　我们觉得，看的、听的、用的方法都是3D的了，但现场感还是不够，我们还想在这个数码幻境中更加投入。
　　好，那就来点儿3D动感吧。
　　美军使用拟真设备进行坦克模拟训练时发现，坦克兵起初反映图像和声音都不够真实，但是在给他们的座椅加入震动装置，让座椅随着音响轻微抖动的时候，他们普遍反映图像和声音真实了很多。其实图像清晰度并没有变化，声音也没有改进，是什么使他们感觉更真实了呢？
　　这正是座椅上小小的震动起到了作用。原来，现实中的坦克行进时会有轻微的震动，而给座椅加入伴随音响的震动之后，坦克兵就有了开真坦克的感觉。也就是说，现场感更强了，以至影响到视觉和听觉的感受，误以为图像和声音的质量有了提高。
　　这只是个简单的例子，真正的3D动感并不仅仅是一点点震动那么简单。至少有一点，3D动感的方向性很强，可以令人明显感觉到向上或是向下，向左或是向右，向前或是向后的运动趋势，这才更合乎实际情况。
　　在一些立体电影院里，已经有这种可以往不同方向摇晃的座椅，配合电影中惊险的活动画面，给人一些3D动感的刺激。一些拟真设备做成的电子游戏机也有3D动感的设计，当驾驶赛车或者战斗机风驰电掣的时候，整个游戏机也在动，让人感觉真的是在开赛车或飞机。这方面的技术还需要不断改善，以便降低成本和获得更真实的体验。
　　现在已经可以买到一些力反馈游戏摇杆，主要就是通过震动和阻力来模拟实际情况。但是小小的摇杆，能够提供的效果作用范围实在有限，还谈不上3D动感。而且3D显示、3D音响等等都还不配套，更不用说身临其境的真实感觉了。但说不定将来哪一天，我们的电脑座椅就具备了3D动感的功能，可以360度大翻滚，用来配合惊险刺激的真3D虚拟现实游戏。到那时候，玩电脑要先系好安全带，可能并不是个笑话。

结束语
　　以上所写的这些内容，你可能以前听说过，也可能没有。我把它写出来，是因为之前看到那么多有关电脑未来预想的文章，鲜有提到3D领域的，倒是网友意见里面有所提及。我想，不应该缺少这方面的内容，所以就写了。
　　我觉得要讲未来电脑，光说它如何如何高性能，如何如何小型化，如何如何节能，这些还不够。这些东西都是一直在做的，如何改善电脑的指标特性而已，即使做到了那种指标要求，电脑真的可以那么小，那么快，也没有太多值得惊喜的地方。正如一位网友所说的那样，对于未来电脑，我们需要质变，而不仅仅是量变。而3D领域相对于今天的2D领域，就可算是一种飞跃。
　　未来是不可知的，却又是可知的。未来的路充满不确定性，我们只能够在一定程度上预见到将会发生什么。但无论如何，电脑技术是在不断向前发展，我们没有理由失去信心，放弃希望。
　　我期待着，那个奇妙的3D世界能够早日实现。

龙之梦
2004.4.14