隱形斗篷真的存在嗎？

劉　建

如果你是哈里·波特迷，那么你肯定對隱身斗篷非常熟悉。在霍格沃茨學(xué)院的第一年，父親傳給哈里一件隱身斗篷。正如它的名字一樣，只要哈里鉆到這塊亮閃閃的銀布下面，馬上就可以隱身。

在小說世界，這似乎是完全可信的，但在現(xiàn)實(shí)世界里，有沒有可能制造出一件這樣的衣服呢?東京大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的光學(xué)偽裝技術(shù)就讓隱身斗篷成為了現(xiàn)實(shí)。

光學(xué)偽裝技術(shù)

光學(xué)偽裝的工作原理：

光學(xué)偽裝是利用了一種稱為“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的技術(shù)。最早對這項技術(shù)進(jìn)行研究的是20世紀(jì)60年代任教于哈佛大學(xué)和猶他大學(xué)的伊凡·蘇澤蘭及其學(xué)生。

什么是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)呢?

就是將電腦生成的信息添加到用戶的感官知覺中。比如說，假設(shè)你走在某個城市的街上，你看著街道兩邊的各種場所，額外信息浮現(xiàn)在眼前，可以豐富、增強(qiáng)正常視野。額外信息可能是某個餐廳當(dāng)日的精選菜式，或劇場的演出時間表，甚至是車站的公車時間表。區(qū)分增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的不同非常重要。虛擬現(xiàn)實(shí)的目的是取代真實(shí)世界，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將有用的額外內(nèi)容作為現(xiàn)實(shí)世界的補(bǔ)充。

多數(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要用戶透過特殊的觀察設(shè)備進(jìn)行觀察，從而看到帶有合成圖像的、增強(qiáng)的真實(shí)世界場景；另外還需要功能強(qiáng)大的電腦。光學(xué)偽裝除了以上條件外，還需要一些其他部件。以下是讓一個人隱身所需要的所有設(shè)備：1、一件由高反射性材料制成的外套；2、一臺攝影機(jī)；3、一臺電腦；4、一臺投影儀；5、特殊的半涂銀面鏡，稱為合成儀。

下面仔細(xì)研究一下各個部件。

斗篷：具有光學(xué)偽裝功能的斗篷由一種稱為回復(fù)反射材料的特殊材料制成?；貜?fù)反射材料表面由成千上萬個細(xì)小的珠子構(gòu)成。光線碰到珠子后，將逆著入射方向反射出去?；貜?fù)反射材料很常見，交通燈、路標(biāo)、自行車反光燈以及電影院銀幕等，都利用了回復(fù)反射的原

攝影機(jī)和電腦：回復(fù)反射外套實(shí)際上并不能讓人隱身，而且，它本身也是完全不透明的。它的實(shí)際作用類似于電影銀幕，將背景圖像投射到前面，造成隱身的幻像。捕捉背景圖像需要使用攝影機(jī)，該攝影機(jī)放在穿斗篷的人背后。攝影機(jī)的圖像必須是數(shù)碼格式，以便傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行處理。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)偽裝，計算機(jī)的硬件和軟件首先獲取攝影機(jī)捕捉的圖像，計算模擬現(xiàn)實(shí)圖像需要的透視圖，并將捕捉圖像轉(zhuǎn)化為投射到回復(fù)反射材料上的圖像。

投影儀和合成儀：電腦處理后的圖像需要投射到外套上。投影儀通過由可變光圈控制的闌孔投射光線來完成這一任務(wù)，可變光圈由不透明的薄片構(gòu)成，轉(zhuǎn)動光圈可以改變中心闌孔的直徑。合成儀實(shí)際上是一種特殊的鏡子，它既能反射投射到斗篷上的圖像，又能讓斗篷上彈回的光線返回到用戶的眼睛。將合成儀放在用戶眼睛前面的適當(dāng)位置，用戶通過合成儀既可以看到電腦增強(qiáng)后的圖像，又能接收周圍環(huán)境中的光線。這點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)殡娔X生成的圖像必須和真實(shí)世界的場景完美結(jié)合，才能造成隱形的幻像，令人感覺更加真實(shí)。用戶必須通過鏡子中的窺孔才能看到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界。

隱身斗篷的完整系統(tǒng)

隱身斗篷究竟是如何讓一個人變成透明的呢?

一個人穿上由回復(fù)反射材料制成的斗篷之后，整個隱身的過程如下：

1、使用數(shù)碼攝像機(jī)捕捉穿斗篷的人背后的場景；

2、電腦處理捕捉到的圖像后進(jìn)行必要的計算，調(diào)整靜態(tài)圖像或視頻，讓它在投射后顯得真實(shí)；

3、投影儀接收電腦傳送的增強(qiáng)圖像，通過針孔大小的闌孔，將圖像投射到合成儀上；

4、鏡面涂銀部分能夠完全反射光線，將投射的圖像傳送到穿斗篷的人身上；

5、斗篷的作用與電影銀幕類似，將光線直接返回光源處，也就是鏡面處；

6、從斗篷上反射回來的光線通過鏡面透明部分，進(jìn)人用戶的眼睛。注意，斗篷上反射回來的光線包含了穿斗篷的人背后場景的圖像。

由于背景場景在回復(fù)反射材料上顯示出來，穿斗篷的人看起來好像就隱身了。同時，周圍環(huán)境中的其他光線也進(jìn)入用戶眼睛，看起來好像一個完全正常的世界中存在隱身人。

頭戴式顯示器

當(dāng)然，讓觀察者一直站在固定的合成儀后面是不實(shí)際的。如果用戶必須站在一個固定的位置，任何增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都沒有多少實(shí)際用處了。因此，多數(shù)的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)需要用戶在后背或髖部攜帶一臺電腦。這也是多數(shù)系統(tǒng)利用頭戴式顯示器的原因，頭戴式顯示器將合成儀和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合在一起，做成了便于佩帶的設(shè)備。

頭戴式顯示器分為兩類：光學(xué)透視顯示器和視頻透視顯示器。光學(xué)透視顯示器看起來像是一副高科技的風(fēng)鏡，這種風(fēng)鏡為每只眼睛分別提供現(xiàn)實(shí)和光學(xué)內(nèi)容，使得用戶可以看到立體的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像；視頻透視顯示器則是采用視頻混合技術(shù)，將頭戴式攝影機(jī)捕捉的圖像和電腦生成的圖像合成。

視頻透視顯示器

在視頻透視顯示器中，真實(shí)世界的視頻與合成圖像混合，在液晶屏幕上顯示出來。視頻透視顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)是：虛擬物體可完全覆蓋真實(shí)世界的物體，反之亦然。

目前，開發(fā)光學(xué)偽裝技術(shù)的科學(xué)家正在完善視頻透視顯示器的一個變體，它能將隱身斗篷發(fā)揮作用所需的所有部件集于一身。

頭戴式投影儀樣品

開發(fā)人員將這個設(shè)備稱為頭戴式投影儀，因?yàn)橥队皢卧穷^盔的一個組成部分，所以需要兩套投影儀(每只眼睛一套)，以產(chǎn)生立體效果。

在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用

隱身斗篷是光學(xué)偽裝技術(shù)一項有趣的應(yīng)用，它在航天、醫(yī)療、心理治療等方面都有廣泛的用途，但是，光學(xué)偽裝技術(shù)一項最有前途的應(yīng)用不是讓物體隱形，而是讓物體現(xiàn)形。這種概念稱為交互遠(yuǎn)程存在；也就是說，讓你仿佛同時在多個地方進(jìn)行工作并感知不同的環(huán)境。

以下是其工作原理：

1、用戶A在某個地點(diǎn)，他的遠(yuǎn)程存在機(jī)器人A和另一位用戶B位于另一個地點(diǎn)；

2、用戶B在某個地點(diǎn)，他的遠(yuǎn)程存在機(jī)器人B和另一位用戶A位于另一個地點(diǎn)；

3、兩個遠(yuǎn)程存在機(jī)器人表面都穿著回復(fù)反射材料，因此可用作屏幕；

4、通過兩地的攝影機(jī)和投影儀，兩位用戶的圖像都投射到遠(yuǎn)程地點(diǎn)各自的機(jī)器人身上；

5、兩位用戶會覺得自己是和另一個人共事，而不是和機(jī)器人待在一起。

目前，交互遠(yuǎn)程存在仍是科學(xué)幻想，但在科學(xué)家們的不斷努力下，這項技術(shù)終將成為現(xiàn)實(shí)。