他研制出世界首台用肉眼直接可视、5米以上图像纵深的立体图像显示装置，首次实现了微创手术治疗的立体空间透视导航。
医用立体导航、三维立体医学影像、尖端微创诊疗一体化系统……今天，裸眼3D已为医生与患者带来福音; 明天，我们用裸眼3D透视更多的未知; 未来，裸眼3D将呈现整个世界。
廖洪恩
清华大学博士生导师
抛弃掉3D眼镜，如何用裸眼看立体图像？
我想问一下在座的各位，大家是否记得自己第一次看立体电影时的感觉？有没有像这张图片一样被震撼住？
虽然现在，立体电影已经不是一个很稀奇的事情，甚至很多家庭都拥有带有3D功能的电视。大家有没有想一想背后的原理是什么？有没有好奇的试一试摘掉自己的眼镜，看一下到底是怎么样一个情形？
对了！就像这张图片一样，我们摘掉眼镜以后看到的是一幅重叠在一起的两幅图像。
那为什么需要这样两幅图像呢？大家可以试一下抬起自己的手，将食指放到自己的眼前，我们用不同的眼睛看到的这种景象是不一样的？在前头的红色小方块，我们左眼看的时候是落在后面的蓝色方块里头，而我们用右眼看的时候，大家会发现它是移到了这个绿色的这个方块里头。我们的三维电影正是利用这样一个原理，将左右不同的这种图像生成出来，最后反馈到我们的左右眼。这样，我们的大脑经过一些视觉中枢的处理，就能形成一个立体的感觉。
当然大家会发现，戴着这个眼镜看电影的确不太方便，特别是对于近视眼的同学。大家一定会想，我们能不能抛弃这样的3D眼镜，用我们的眼睛、也就是裸眼，直接看到三维立体的这种效果？我们看立体电影的眼镜有不同的方式，比如说有色差式的眼镜，像这样的一个红蓝眼镜。还有一些偏光式的眼镜、快门式的眼镜，通过这种眼镜，我们是将不同的图像投影到我们的眼睛里来这样形成一个立体的效果。但大家会发现，这些眼镜用起来还不是很方便，所以说我们也是希望能不能把这些三维眼镜给抛弃掉。
针对于这些的需求，我们开发了一个三维的、超长距离的显示器。我们的实验结果是三维图像可以跳出五点七米，什么样一个概念？就是我们可以在屏幕前头像身临其境一样，可以去捕捉到这样一个影像，就像图像已经跳到我们眼前一样。这在当时是一项世界的领先水平，就是到了现在甚至十年以后，其他在这方面的研究还没有突破这样一个距离。
大家可以看一下我们的装置，从左右这样一个移动的情况，其实这边的图像是完全在我们这个位置上固定起来了。而这样一个固定的话，大家可以看一下，就是说不管我们怎么样移动，从我们的视点会发现影像就是跟实物是一样的。我们这项技术其实开发的是一个非常真实的三维影像，不光可以左右看，甚至可以站起来或者上下这样看这个图像，它的位置仍然是不会变化的。
大家可以看一看，角度我们可以转一下，然后大家可以再看一下。大家肯定还说，为什么角度这么小？因为这是我们十年前开发的东西，这是第一次做的一个原型机。
是时候改变医学影像了
说到现实的这种需求，上世纪九十年代，我在国外留学的时候接触到医学影像这个领域，关注了一个（技术）是微创手术。我们尽可能用一些小的创伤把病人治疗好。
但是医生碰到一个问题，这样的一个影像能不能完全的重建一个三维的结构？因为我们知道，我们的影像很多来自于核磁、CT，就像这样一个图像一样，变成一个二维的平面图像。虽然我们可以进行一个三维重建，但是这部分的影像仍然是在二维的平面里进行显示，所以，我们希望能够得到一些更好的信息。
还有另外一个问题，就是医生在动手术的时候，希望直接看到人体内部的情况。因为真正的微创手术现在是这样一个情形：医生需要不断地抬头去看着屏幕，而手术操作却是在另一个方向操作，这样就涉及到一个非常大的问题——眼手协调问题。这种不断地从手术的场景到屏幕的切换，会浪费很多的时间。还有更大问题——它会造成手术方面的一些失误。我们想能不能提供一个这样的成像方式，让我们的医生直接看到人体内部的信息？
我今天仍然记得我第一次进手术室的情形，那是一个脊椎内的肿瘤摘除手术，它涉及到很复杂的操作流程。当时，主刀医生让我上午九点钟到手术室，其实我也知道他们在这之前已经开始了，因为他们还要做一些前期的准备，比如说麻醉方面的。
到了下午五点钟左右，主刀医生跟我说，“你可以先走了，因为你第一次过来我怕你扛不住。我们后面可能还需要一段比较长的时间才能完成这样手术。”我问他：“这手术到底（要）几点才能够结束？”他告诉我说，这个手术大概至少晚上七八点才可能完成。
这样算下来，一场手术前前后后花费十几个小时。当时，我就觉得医生、特别是外科医生，其实还真的挺不容易的。
我想，我们能给医生提供一些什么方面的便利？例如，给他更好的手术操作场景缩短手术的时间，提高这种手术的精确性和安全性。这些内容应该是我们作为医学工程的科研人员的一种责任。在影像这一块，我们能不能做一些努力，比如将这个影像从哪儿来就直接反馈到哪个位置，医生用自己的眼睛就像能直接看到人体内部的这种情况一样。
新型裸眼3D——三维立体全像技术
说到这种影像的呈现，当时也有很多的这种技术，比如说有头戴式的技术，像谷歌眼镜一样，我们就可以获得眼睛前面呈现一幅场景。这种场景有一定的信息，但是没有一个很准确的空间位置。
当然，我们也可以用这种双目式的头戴式设备，眼睛盯着显微镜一样，然后动一个手术。虽然现在显微的手术可以将场景放大，但是我们的手术持续起来十几个小时，时间长了，大家会发现有疲劳的问题。另外还有一些，比如投影的这种方式，这都不能解决我们需要一个三维空间结构、特别是能够在人体内部能够反映出信息的一个图像。
当然，市场上还有一些影像设备，包括这种裸眼的显示三维的显示器，其中包括这种柱形透镜的显示方式，还有光栅式的显示器，我们可以用眼睛捕获到一定的立体效果，但问题也是它的影像只有一个水平方向的纵深，我们很难将这个影像跟实际病人的内部结构相对应起来。
而且还有问题，我们的影像在左右看的时候是有立体感，但从纵向看的时候其实是没有立体感的。不同的人看到的这种信息，其实是不一样，而且还是一个变形的信息。
所以说，这些技术都很难用到临床、特别是在手术上面，我们是希望影像能够真实的反映某个部位的信息，希望能够得到一个全方位的、可以观察的立体图像，而且这个立体图像是一个真实的能够反映物体所有信息的图像。
我们该怎么做？我们想到能不能用一个微小的凸透镜阵列将三维的影像成像到焦点面上，变成一个平面的，这种图像可以用计算机来模拟成像过程。
我给这个技术起了一个名字叫“立体全相技术”。光通过凸透镜在焦点上形成一个点，如果我们有这样一个物体发出了不同光，经过这个透镜的这种阵列，在后面可以成为一个平面的图像。我们用计算机可以模拟这样一个成像的过程，最后生成出来这种图像，再经过这样一个透镜的阵列，在原来的位置复原为三维图。这样的话，我们从不同的角度上就可以看到一个具体的三维信息。
根据这样一个原理，我们就开发出这样三维显示器，大家可以看一下，这是我们最先开发的一个显示器。
这个图像可以左右上下晃动，我们可以获得一个非常完整的信息，就像真正的实物一样。而这正好可以满足医疗方面的需求，我们将这个立体的影像开发完了以后，我们就马上做一个动态的三维影像，就像我们这个心脏一样。我们可以进行一些实时的计算和实时的显示，而这种心脏三维显示正好可以跟实际情况一样，我们可以从不同的这种方位得到不同的信息。
我们的目的是想怎么能将这样一个技术更好的运用在临床上面。第一个问题就是说，我们能不能替代掉现有的二维显示器？我们开发了一个显示器，大家可以看一下，我们这个显示器显示的是一个三维的影像，移动我们的视点可以获得不同的信息。左边是个二维的显示器，右边是我们自己开发的三维显示器，它的两幅图的生成速度基本上可以保持一致。也就是说，我们的影像其实可以完全取代二维显示器，而且还有个特点，我们从不同的角度上看可以获得一个不同的结构。这种相对关系的信息就像刚才这个血管一般，前后左右之间的相互关系用肉眼看就一目了然了。
医疗、娱乐和工业，未来影像看裸眼三维
在这个基础上，我们还想解决另外一个临床的问题——眼手协调的问题。
我们是希望能够将这个技术用到临床，我们可以通过一个半透半反的镜子，也就是说光线既可以透过又可以反射。医生通过这样一个模式，既可以获得病人的外在信息，又可以获得身体里头的内部结构信息。
当然，我们可以通过一些采集装置将采集出来的信息，经过一个快速操作放到我们的显示器上面，通过这样一个立体原位的空间透视装置，我们将这个信息投影到病人的身上。投影过去以后，就像我们在身体内部能够发出一个光一样，然后把这种结构显示出来，像这个膝关节方面的应用。大家可以看一下，我们的图像其实是完全跟实际的物体，比如说膝关节完全是重叠在一起，而且还有个特点，不管我们怎么移动眼睛，这个影像跟实际的膝关节位置是完全不变的。也就是说，我们的影像既是一个真实反映了内部的结构，又可以完全跟原来的位置重合在一起。
当然，我们还可以通过一些跟踪的方式将医疗器械的信息也直接投影到病人身体里头。原本在微创的环境下，我们是看不到病人身体里头的情况，通过这种方式，我们就可以看到病人身体里头到底发生了什么？
医生的话，做起手术来就有的放矢。我们将这样一个技术用到了临床，那是一床脑外科神经外科的手术。我们通过这种影像重叠到这个位置以后，医生不光能看到这个表面信息，更多的可以获得它的一个深层信息。医生操作这样一个可视化平台，就可以非常直观的看到身体里头到底是怎么样的一个病变。所以说，我们希望能够有更好的推广，像这种心脏外科的应用一样。
最近，我们跟国内的医院进行了合作。心脏这一块，我们是跟海军总医院合作；脑外科这一块，我们是跟北京天坛医院合作；骨外科这一块，我们现在是跟北京清华长庚医院合作。这些合作希望能够将这个技术更快地推广到临床，像这种心脏这样一个可观察的跳动一样。我们也可以将这个技术推广到远程医疗，解决很多偏远地区治疗困难的问题。
裸眼三维技术最先开始是从医疗这个行业，先着手的包括在医学方面的各种运用，但是不光局限于这种医学，我们甚至还可以用到其他的相关领域，比如说教育、娱乐、家庭、媒体、工业等各个领域，只要涉及到影像的话，都可以将这个裸眼三维显示推广出去。
最近，虚拟现实还有增强现实已经吸引了很多人的注意力，比如说微软的HoloLens和最近谷歌投巨资即将推出的Magic Leap，的确是已经调动了大众对三维显示的胃口。但非常可惜，现在这些技术都是跟裸眼三维还存在着很长的一个距离。裸眼3D能不能更好地服务于大众，大家肯定会关注。将来，你是不是能够把这个距离变得更长、角度变得更宽、清晰度变得更高？我们也是在寻求这种突破。
今年正好我们有项研究成果能够展示一个这样的前景，我们没有使用透镜、也没有使用光栅，就把原有的三维显示方式完全给抛弃掉了。我们用的是激光进行空间扫描，用这种扫描来模拟先前的透镜成像，不光可以将视角变得很大，由于我们是用激光，所以它的收缩性非常好，从空间距离来看的话，即使投到很远的地方，它也能够保证信息不被扩散。我们这项研究实现了一个有六米纵深的图像，而且是一个动态图像。所以，我们也想裸眼3D其实有很多工作可以做，希望不久的将来，大家能够一起通过不懈地努力将裸眼3D更好地融入到我们的生活，让裸眼3D更好地呈现我们的美好未来！
编辑：欢成
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