三維顯示技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

陳　浩　王曉穎　王瑞娜

（西安工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，陜西　西安　710021）

三維顯示技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

陳浩王曉穎王瑞娜

（西安工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，陜西西安710021）

從視網(wǎng)膜成像原理出發(fā)，介紹三維成像的生理基礎(chǔ)視差原理，進(jìn)而探討目前常見的兩類三維顯示技術(shù)。一類是基于視差原理，利用光的偏振性、分色性等達(dá)到三維顯示效果的佩戴式立體顯示技術(shù)和裸眼立體顯示技術(shù)，這類顯示技術(shù)能提供一定心理景深，擁有良好的表現(xiàn)力，但與真實(shí)的三維空間體仍有較大的差距；另一類是三維非全息顯示技術(shù)和三維全息顯示技術(shù)，此類顯示技術(shù)的技術(shù)含量高，成像效果較好，將是未來顯示技術(shù)研究的主流。

三維顯示技術(shù)；真三維顯示；視差原理

在現(xiàn)代社會(huì)中，顯示技術(shù)的進(jìn)步是人類在追求更自然、更逼真的影像品質(zhì)，這也說明人類在追求更真實(shí)的視覺享受［1］。三維立體顯示技術(shù)（3D Volumetric display technology）正是基于這一理念而誕生的技術(shù)。

1　視差原理

視覺立體感立足于視差原理，雙目視差原理表現(xiàn)為：相鄰放置的2個(gè)立方體，靠左眼的一面涂色，靠右眼的一面不涂色；單眼觀看物體時(shí)，左眼看到的是該立方體有色一面并排放置，右眼看到的是該立方體無色一面并排放置。即左右眼觀察到的圖像有細(xì)微的差別，最后經(jīng)過大腦的綜合得以還原出立體圖像［2］。左右眼單眼觀看物體產(chǎn)生偏差的原因在于人類雙眼瞳孔間距大概為63mm，從不同的角度接收到的景象會(huì)有所不同，導(dǎo)致左右眼在視網(wǎng)膜上所呈的像也會(huì)有差別。這種兩眼中觀察到的圖像輕微不同的現(xiàn)象稱為雙目視差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，其可以產(chǎn)生視覺立體感。此外，視覺深度感也是立體感的來源之一［3］。

2　基于視差原理的三維顯示技術(shù)

2.1佩戴式立體顯示

目前，佩戴式立體顯示常見的為眼鏡式3D顯示技術(shù)，根據(jù)成像原理可分為偏光式技術(shù)、圖像分色技術(shù)、圖像分時(shí)技術(shù)。

2.1.1偏光式技術(shù)。偏光式技術(shù)目前在3D電影院中較為常見，其原理是利用光的偏振性使人左右眼接收到互不干涉的不同圖像，從而達(dá)到立體效果。電影放映時(shí)，將兩條略帶水平視差的畫面分別裝入2臺(tái)放映機(jī)中，并在放映鏡頭前分別放置2個(gè)偏振軸互成90°的偏振鏡。2臺(tái)放映機(jī)同時(shí)將畫面投放在銀幕上。觀眾戴上特制的偏光眼鏡，由于左、右2片偏光鏡的偏振軸互相垂直，致使觀眾的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，經(jīng)大腦綜合產(chǎn)生三維立體的視覺效果。線偏振眼鏡對(duì)佩戴者要求較高，必須使眼鏡保持在水平狀態(tài)，偏離水平狀態(tài)則導(dǎo)致左右眼看到明顯的重影，影響立體效果。

2.1.2圖像分時(shí)技術(shù)。圖像分時(shí)技術(shù)又被稱作快門式3D顯示技術(shù)。以美國(guó)NVIDIA公司的3D VISION眼鏡為例。眼鏡片實(shí)質(zhì)上是可以分別控制開/關(guān)的2片液晶屏。顯示器輸出左眼圖像時(shí)，左眼鏡片為透光狀態(tài)，右眼不透光；顯示器輸出右眼圖像時(shí)，右眼鏡片透光而左眼不透光。以這種方式頻繁地切換使雙眼分別獲得有細(xì)微差別的圖像，經(jīng)過大腦綜合生成一幅3D立體圖像。在整個(gè)顯示過程中，顯示器要以非常高的頻率輪換地傳送左右眼圖像，同時(shí)3D Vision眼鏡也以同樣高的速度開關(guān)左右眼的液晶屏，讓人眼看到不同畫面。這要求顯示器和眼鏡有較高的刷新速度。一般最少要達(dá)到120Hz以上，較低的刷新率會(huì)導(dǎo)致使用者產(chǎn)生頭痛、惡心等不良反應(yīng)。這種3D顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于3D顯示效果優(yōu)異；缺點(diǎn)是眼鏡造價(jià)高，不易于保養(yǎng)。

2.2裸眼立體顯示技術(shù)

裸眼3D顯示的原理一般是通過光柵或透鏡將顯示器顯示的圖像進(jìn)行分光，從而使人眼接收到不同的圖像，繼而達(dá)到3D顯示效果。這項(xiàng)技術(shù)借助于技術(shù)處理后的二維顯示屏幕，其突出優(yōu)勢(shì)在于觀察者并不需要佩戴眼鏡等額外裝置。2002年美國(guó)DTI公司推出38.1cm裸眼立體LCD，開始將裸眼立體顯示技術(shù)應(yīng)用于市場(chǎng)。2004年，日本三洋公司提出四視角立體顯示裝置，有效地解決了顯示圖像比例變形的問題。2006年，菲利普公司推出了其新式的以柱狀透鏡為基礎(chǔ)的裸眼3D立體顯示技術(shù)。如今，裸眼3D顯示器被廣泛應(yīng)用于廣告、傳媒、示范教學(xué)、展覽展示及影視等各個(gè)不同領(lǐng)域。

前文所述的三維顯示技術(shù)都必須借助電子屏幕實(shí)現(xiàn)其效果，而顯示屏幕只能展示二維平面，無法真實(shí)再現(xiàn)出場(chǎng)景的深度。由于其原理是基于人眼的視差原理，只能提供心理景深，固然擁有不錯(cuò)的表現(xiàn)力，但與真實(shí)的三維空間還是有較大的差距。

3　真三維顯示技術(shù)

真三維顯示圖像的每一個(gè)像素都有一個(gè)確定的三維坐標(biāo)（x，y，z），在真實(shí)空間中有一個(gè)真實(shí)點(diǎn)與這個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)。每一個(gè)三維像素點(diǎn)的色彩和亮度都可以控制，從而保證真實(shí)世界中物體的每一個(gè)點(diǎn)在3D顯示系統(tǒng)中成像的準(zhǔn)確性和可調(diào)性。通過這種技術(shù)所成的像不但有視覺層次感，還具有現(xiàn)實(shí)的深度。真三維顯示可分為全息三維顯示技術(shù)和非全息三維顯示技術(shù)。

3.1真三維非全息顯示技術(shù)

真三維非全息顯示技術(shù)比較典型的應(yīng)用是Perspecta系統(tǒng)和DepthCube系統(tǒng)。Perspecta系統(tǒng)是由美國(guó)Sctuality Systems設(shè)計(jì)與制造的掃描式3D顯示系統(tǒng)。工作時(shí)，系統(tǒng)自帶的3D模型引擎通過計(jì)算將圖像分成198幅剖面圖，每幅圖的尺寸在798×798像素。這些圖像被光學(xué)投影器件投影到屏幕的合適位置，觀察者就能看到一幅幅的“圖像切片”。當(dāng)投影器件與屏幕一起以600rpm的速度繞基座軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于視覺暫留現(xiàn)象，快速投影在屏幕上的圖像切片在人眼中形成一幅擁有物理縱深的立體圖像。Perspecta系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于觀察者能從任意角度觀察，并能實(shí)時(shí)地放大或縮小顯示在屏幕上的圖像。

3.2真三維全息顯示技術(shù)

光學(xué)全息技術(shù)也稱作全息照相術(shù)。其物理原理基于光的干涉和衍射現(xiàn)象。首先，通過光的干涉方法將攜帶物體信息的光的波前“編碼”成干涉條紋記錄下來，然后利用光的衍射原理“解碼”再現(xiàn)與物體相關(guān)的信息。

4　發(fā)展展望

三維顯示是顯示技術(shù)發(fā)展的重要方向，2016年3月阿里巴巴宣布將計(jì)劃建全球最大3D商品庫(kù)，這表明三維顯示技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的影視、游戲、廣告等行業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)進(jìn)行延伸。目前，基于視覺效應(yīng)發(fā)展的三維顯示技術(shù)在市場(chǎng)應(yīng)用上相對(duì)成熟，頭盔顯示器、CAVE、裸眼立體顯示器等產(chǎn)品為人們提供了優(yōu)質(zhì)的視覺享受。真三維顯示技術(shù)還存在制作成本高、設(shè)備便攜式困難等問題，大部分仍處于實(shí)驗(yàn)樣品階段。但可以預(yù)見的是，同時(shí)具備心理景深和物理景深的真三維顯示才是顯示技術(shù)發(fā)展的最終方向。我國(guó)在真三維顯示技術(shù)領(lǐng)域起步比較晚，相比于世界先進(jìn)水平仍存在一定的差距。隨著國(guó)內(nèi)科研水平穩(wěn)步的提高，市場(chǎng)在三維顯示領(lǐng)域投入的增大，這些差距也將被逐漸縮小。

［1］雷玉堂.圖像顯示技術(shù)及其最新發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)公共安全，2015（16）：38-47.

［2］寶青蘭.人類雙眼定位原理分析［J］.中國(guó)科技信息，2015（2）：24-25.

［3］王冬翠，王惠南.關(guān)于立體視覺與真三維立體顯示技術(shù)［J］.現(xiàn)代顯示，2009（9）：16-26，29.

Three-dimensional Display Technology Application Present Situation and Forecast

Chen HaoWang XiaoyingWang Ruina
（Xi'an Technological University，College of Science，Xi'an Shaanxi 710021）

Embarked from the retina image formation principle，the three dimensional image formation physiological foundation parallax principle was introduced，then the present common two kind of three-dimensional display technology were discussed.One kind is based on the parallax principle，using the light polarization，dichroism and so on achieved the three-dimensional display effect wears the type solid display technology and the open hole solid display technology，this kind of demonstration technology can provide certain psychological depth of field，has the good expressive force，but it has the big disparity with the real three-dimensional space body；Another kind is the three dimensional non-total information demonstration technology and the three dimensional total information demonstration technology，the technology content of this kind of demonstration technology is high，the image formation effect is good，will be the mainstream of future display technology research.

three-dimensional display technology；really three-dimensional display；parallax principle

TN873

A

1003-5168（2016）07-0054-02

2016-06-12

陳浩（1992-），男，碩士，研究方向：三維立體光學(xué)技術(shù)。