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裸视三维显示技术简介
2015年12月7日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:王琼华,梁栋(四川大学)

    人们生活的世界是三维的,而媒体显示长期以来都是二维的。为了能在显示媒体中更真实地还原人们所见的世界,三维显示已成为媒体显示领域的发展趋势。前些年,一部电影《阿凡达》让观众感受到了三维的惊人魅力,从而掀起了三维显示的热潮。

    三维显示分为助视和裸视。目前已商品化的三维显示技术多数是助视三维显示,人们观看三维电影时还须佩戴特制眼镜。如果不佩戴眼镜就能观看立体效果的电影那该多好。于是,裸视三维显示技术成为近年来三维显示领域的研究热点。

    什么是三维显示

    人们在观看一幅二维图像时,往往根据长期积累的生活经验通过心理深度暗示就可以判断出图像中物体的远近深浅关系。

    如图 1 所示,通过圆球的亮暗差异、阴影效果以及木板的远近宽窄变化等心理深度暗示,就可以感觉到这张二维图像所带来的三维效果。


图1 基于心理深度暗示的三维效果图像

    当然,人们通过心理暗示在二维图像上感觉到的三维场景也只局限于二维层面。现实世界里,人们更多的是根据单眼立体视觉暗示和双眼立体视觉暗示等生理暗示来获得真实世界的三维感知。单眼立体视觉主要包括眼睛的焦点调节和单眼移动视差,双眼立体视觉主要包括两眼集合和双目视差。在观看一个空间物体时,左眼看到物体的左边部分多一些,而右眼看到物体的右边部分多一些,左眼和右眼的视网膜分别感受着不同的刺激,形成视觉上的差异,即双目视差,经过大脑的融合就可获得具有三维感的图像,如图 2 所示。其中,左眼图像和右眼图像也称为视差图像。


图2 双目视差原理

    目前主流的三维显示技术主要基于双目视差深度暗示,通过模拟人眼视觉,用相机在位于同一水平线上的两个拍摄点拍摄同一物体,得到两幅视差图像,然后通过光学等技术手段,使观看者的左眼和右眼只能分别看到对应的视差图像。

    此外,基于多种深度暗示原理,有的三维显示是通过各种手段直接在空间显示的,或使物体在一定空间范围内再现,这和观看自然界的物体类似,称为真三维显示。相对于基于双目视差深度暗示的三维显示技术,真三维显示技术不会造成观看者的视觉疲劳,其显示的图像更加真实,更符合人们的视觉习惯。

    裸视三维显示技术

    光栅三维显示技术

    光栅三维显示是基于双目视差深度暗示的三维显示技术,分为狭缝光栅三维显示和柱透镜光栅三维显示两种。狭缝光栅三维显示由二维显示屏和狭缝光栅精密耦合组成。其中,狭缝光栅由相间排列的透光条和挡光条组成。通过透光条和挡光条,左眼和右眼可以分别观看到二维显示屏上与狭缝光栅对应排列的左视差图像和右视差图像,从而实现左右视差图像的光线在空间上的分离,如图 3 所示。


图3 狭缝光栅三维显示的结构和原理

    柱透镜光栅三维显示由二维显示屏和柱透镜光栅精密耦合组成,其中柱透镜光栅由众多完全相同的柱透镜单元平行排列而成。在柱透镜单元的排列方向上,每个柱透镜单元将置于其焦平面上不同位置的左右视差图像光折射到不同方向,从而实现左右视差图像的光线在空间上的分离,如图 4 所示。


图4 柱透镜光栅三维显示的结构和原理

    简言之,光栅三维显示就是将左右视差图像交错排列在二维显示屏上,利用光栅的分光作用将左眼视差图像和右眼视差图像的光线向不同方向传播。根据双目视差深度暗示原理,当观看者位于合适的观看区域时,其左眼和右眼分别观看到左视差图像和右视差图像,经大脑融合便可感知到具有三维感的图像。

    在制作方面,狭缝光栅比柱透镜光栅要简单,成本也比柱透镜光栅低。然而,由于在狭缝光栅三维显示中,狭缝光栅挡光条部分对光线的遮挡导致三维图像亮度降低,大大影响了其应用 ;而在柱透镜光栅三维显示中,柱透镜光栅为透明介质,只吸收小部分光,因此对三维图像亮度影响较小。随着工艺的不断成熟,柱透镜光栅三维显示得到了广泛应用,成为目前裸视光栅三维显示的主流。

    集成成像三维显示技术

    集成成像三维显示技术是利用微透镜阵列对物空间的场景进行记录,并再现空间场景的基于多种深度暗示的真三维显示技术,其起源于 1908 年诺贝尔奖获得者加布里埃尔·李普曼(Gabriel Lippmann) 提出的集成摄影术。集成成像三维显示包括记录和再现两个过程,如图 5 所示。


图5 集成成像的原理图

    记录过程利用一个记录微透镜阵列对物空间场景成像,并把图像记录到位于微透镜阵列焦平面处的胶片上。每个透镜元对应生成一幅不同方位视角的微小图片,即图像元。通过这一过程,物空间任意一点的立体信息被与透镜元个数相同的图像元扩散记录到整个胶片上,胶片上所记录到的像称为图像阵列。再现过程利用与记录微透镜阵列具有同样参数的再现微透镜阵列,把记录有图像阵列的胶片放在再现微透镜阵列后方的焦平面处,根据光路可逆原理,再现微透镜阵列把许许多多图像元透射出来的光线聚集还原,从而在再现微透镜阵列的前方重建出物空间场景的三维图像。

    随着电耦合器件 (charge coupled device, CCD) 和液晶显示器 (liquid crystal display, LCD) 的发展,记录端的胶片可由电耦合器件代替,再现端的胶片可由液晶显示器代替,其对应的两个过程分别称为拍摄和显示。

    根据微透镜阵列与显示屏间的距离 g 与透镜焦距 f 之间的关系,集成成像三维显示模式可分为实模式、虚模式和聚焦模式三类。当 g > f 时为实模式,三维图像位于显示微透镜阵列前方 ;当g < f 时为虚模式,三维图像位于显示微透镜阵列后方 ;当 g = f时为聚焦模式,可在微透镜阵列的前后同时显示出三维图像。

    集成成像三维显示可供多人同时观看到具有全视差、全真色彩的三维图像。但由于成像使用的是微透镜阵列或针孔阵列,以及受到拍摄器件和显示器件的分辨率有限等因素的制约,目前集成成像三维显示存在三维图像深度反转、深度范围小、分辨率低和观看视角窄等不足。随着技术的发展,这些问题正在逐步解决。

    体三维显示技术

    体三维显示技术是基于多种深度暗示的真三维显示技术,其通过特殊方式来激励位于透明显示空间内的物质,利用光的产生、吸收或散射形成体素,并由许多分散体素构成三维图像,或采用二维显示屏旋转或层叠而形成三维图像。由此形成的三维图像如同真实的物体,能满足人的几乎所有生理和心理深度暗示,可供多人多角度裸视观看,符合人们在视觉观看及深度感知方面的习惯,是一种真三维显示。

    体三维显示主要有三种实现方式 :动态屏、上转换发光和层屏显示技术。基于动态屏的体三维显示依靠机械装置旋转或移动平面显示屏,利用人眼的视觉暂留效应实现空间立体显示效果。基于上转换发光的体三维显示使用两束不同波长的不可见光束来扫描和激励位于透明体积内的光学活性介质,在光束的交汇处取得双频两步上转换效应而产生可见光荧光,从而实现空间三维图像的显示。基于层屏的体三维显示使用高速投影机将待显示物体的深度截面连续投射到与显示体相对应的深度位置上,且保证在较短时间(如 1/24 秒)内完成在显示体上的投影成像,其中显示体是由距离观看者远近不同的层屏组成的。利用人眼的视觉暂留效应,观看者可在显示体前方任意位置观看到三维图像。

    全息三维显示技术

    全息技术利用干涉原理,将光波的振幅和相位信息记录下来,使物光波的全部信息都存储在记录介质中。当用光波照射记录介质时,根据衍射原理,就能重现出原始物光波,从而实现十分逼真的三维图像。基于全息技术的三维显示被认为是目前最理想的三维显示方式。

    传统全息技术是利用空物理光学进行再现图像的,它使用银盐、明胶等化学介质和感光材料来记录全息图。随着计算机技术和数字传感技术的发展,图像分辨率逐步提高,特别是电耦合器件等数字光敏元件的出现,全息技术从需要化学介质感光材料记录及化学处理发展到数字记录及数字再现,形成了一门全新的全息技术——数字全息技术。

    采用数字全息可实现动态三维显示,但目前尚不能得到高分辨率的空间光调制器 (spatial light modulator, SLM)。为此,一种基于可擦写材料的全息三维显示技术应运而生。该技术的关键是采用了基于光生电荷运动和诱捕的光致折变聚合物材料,这种材料具有可逆特性。利用两束相干激光和外部施加电场在聚合物中形成复制干涉图案的空间电荷场,空间电荷效应对局部折射率进行改变,使得全息图以折射率图案的形式编码。研究人员已研究出基于可擦写材料的全息三维显示系统,但存在全息图对震动敏感以及还没有完全达到实时更新等问题。研究人员力求研制出更快速记录和低延迟时间的光折变聚合物,从而实现真正的动态全息三维显示。

    结语

   能够真实反映真实世界的三维显示技术被誉为“21 世纪最伟大的革命之一”。希望本文能够使读者对裸视三维显示技术有一个较为全面的认识。

标签:裸视显示
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