三维立体显示技术简介

一、引言

    众所周知，现实世界是一个立体空间，由于物体都存在三维尺寸和空间位置关系，因此只有立体显示器才能够真实的重现客观世界的景象，即表现出图像的深度感、层次感、真实感以及图像的现实分布状况。

二、三维立体显示技术分类

三、各类技术简述

（一）、现有技术——基于2D显示器的模拟

原理：采用二维的计算机屏幕来显示旋转的2D图像，从而产生3D的显示效果。3D效果=2D图像+旋转变换
特点：此种显示方式基于传统的计算机图形学和图像处理技术，是基于像素的。只产生心理景深，而不产生物理景深。

（二）、双目视差立体显示
双目视差技术简介
    人具有立体视觉能力，这是由于人有两只眼睛（成人眼睛瞳孔平均间距为65mm），它们从不同的方位获取同一景物的信息，各自得到关于景物的二维图像，这左右两幅图像有着微小的区别，这种区别就叫做视差。人的大脑通过对左右两幅图像以及两幅图像的视差进行分析和处理后，可以得到关于景物的光亮度、形状、色彩、空间分布等信息。
    所谓人眼的立体感，就是它们能将视场（即眼睛所观看到的景物区域）中的物体区别出远近。视场中远近不同的物点之所以在左、右眼中形成微小的差别，是因为各物点相对于双眼的视差角不同。大脑根据景物空间各物点在视网膜上的影像相对于黄斑点的线视差就可以决定物点在空间中的位置。可见，视差是立体视觉中十分重要的参数。
    双目视差技术的本质：a.首先通过软件和电路功能使某一时刻的一对视差图像，左眼视图输出到LCD偶数列像素上，右眼视图输出到LCD奇数列像素上；b.然后使用如柱面光栅等手段使观察者的左眼只能看到偶数列像素上的信息，右眼只能看到奇数列像素上的信息；c.通过大脑的综合，形成具有深度感的立体图像。
假设显示屏幕上显示的3 个特征点A、B、C（如图1），每一个特征点具有左、右两个图像对Al、Ar，Bl、Br，Cl、Cr，并且Al、Bl、Cl分别由左画面屏幕显示，Ar、Brl、Cr分别由右画面屏幕显示。
    当双眼观看屏幕时，由于A点的左右图像Al、Ar都处在屏幕上同一位置，左、右眼观看到的是同一个图像点，因此大脑会认为图像A 处于与屏幕重合的位置A'处。而对于B、C 两点图像来说，情况则不同，由于B、C 两点在屏幕上不重合，如果采取一定的方法，使得左眼只能看见图像B、C 的左图像Bl、Cl，而右眼只能看见图像B、C 的右图像Br、Cr。那么，观看者的视觉系统会融合形成图像B、C 的空间图像B'、C'，并生成具有深度感的图像。即图像B'处于屏幕之后，而图像C'处于屏幕之前。

 
1、沉浸式系统

原理：基于双目视差立体显示技术，需要佩带诸如偏振眼镜、互补色眼镜或液晶光开关眼镜等辅助工具。
特点：尽管立体显示效果（深度感）比较优良，但是人眼被完全占据，人眼除了观看屏幕外无法进行其他工作，在很多场合并不适用，常用在航空模拟等专用场合。

2、自由立体显示技术

原理：基于双目视差立体显示技术，不需要佩带诸如偏振眼镜等辅助工具。
特点：人眼不被限制，能够应用与更多的场合。以美国、日本、德国为代表的国家从20 世纪80 年代开始着手该技术的基础研究，并于随后的90 年代陆续获得成果。国内南京大学、四川大学、合肥工业大学分别于近年制作成功原理样机。

（1）、视差照明技术 （有效像素降低；由于遮挡，亮度较低；可2D、3D转换）
    视差照明技术（Parallax Illumination）是美国DTI（Dimension Technologies Inc.）公司的专利技术，也是自动立体显示领域研究较早、当前较为成熟的技术之一。
    该技术的实现方法是在普通平面液晶显示器的基础上增加可控式狭缝光栅（位于LCD屏之后）、可接收与处理立体图像信息的视频电路。将LCD置于某特定照明板前的一定距离内，照明板产生大量窄亮的，中间以黑带平均间隔排列的竖直线光源。
每个线光源照亮两列像素，由于线光源间有间隙，因此位于显示器前的平均视觉距离的观察者的左右眼分别透过偶、奇列像素能够观察到所有的线光源。

（2）、视差障碍技术 （有效像素降低；由于遮挡，亮度较低；可2D、3D转换）
    夏普欧洲实验室于1992年开始LCD自由立体显示器的研究，94年推出基于视差障碍技术（Parallax Barrier）的显示器。
该技术实现方法是在普通平面液晶显示屏前增加一个开关液晶屏（实现2D和3D显示之间的切换）。这种开关液晶屏在通电情况下形成具有竖直条纹的光栅板，通过对光栅栅距及光栅到像素平面距离等参数的精确控制，使通过像素平面偶（奇）像素列的光线进入观察者的左（右）眼，即左右眼将分别看到两幅不同的视差图像，从而产生立体效果。

（3）、柱面光栅技术 （有效像素降低；无遮挡，不影响亮度；不能2D、3D转换）
        飞利浦公司采用的柱面光栅技术主要是基于传统的柱面镜立体成像方法，在普通液晶显示器前面加上一块透明柱面光栅板，液晶像素平面恰好位于柱面光栅的焦平面上。
    经过子像素发出的光线通过柱面光栅平行射出，向各个方向投影子像素，将会在显示器前方形成一排分离的左右眼的视域，从不同方向观察平面就会看到具有视差的子像素，从而产生立体感。

3、多视点自由立体显示

技术发展：基于前述能产生有深度感的立体图像技术上，建立具有多视点的立体显示效果。该技术产生除具有前述深度感的图像外，随着观察者水平位置变化的同时，图像产生随之旋转的效果，与人在水平运动中眼睛观察真实物体的效果相似。

双目视差立体显示图像源

多视点自由立体显示器

（三）、真三维显示

1、体积式显示技术 （颜色单一，为透视的图像，不宜用在明亮环境）
（1）、旋转体扫描技术
体扫描技术主要用于动态物体的显示。在该技术中，一串二维图像被投影到一个旋转或移动的屏幕上，同时该屏幕以观察者无法觉察的速度在运动，因为人的视觉暂留从而在人眼中形成三维物体。因此，使用这种立体显示技术的显示系统可实现图像的真三维显示（360°可视）。系统中不同颜色的光束通过光偏转器投影到显示介质上，从而使得介质体现出丰富的色彩。同时，这种显示介质能让光束产生离散的可见光点，这些点就是体素，对应于三维图像中的任一点。一组组体素用来建立图像，观察者可从任意视点观察到这个真三维图像。
        体扫描显示单元中的成像空间可以由屏幕的旋转或平移产生。在屏幕扫过成像空间时在发射面上激活体素。由于体素激活后的有效时间是有限的，因此需要不断刷新成像空间中的每个体素。所以，屏幕的运动频率要够快，才能生成稳定的三维物体的立体图像。由于体扫描显示技术是靠屏幕的周期运动来构成成像空间，极高的运动速度，会产生一系列的机械问题：机械部分的稳定性和显示单元的使用寿命，机械部分的噪声和振动，机械部分对显示单元的轻便性的影响，另外系统操作上不可避免的误差为显示单元带来大的机械冲击和大的加速度。
目前在国内，浙江大学的光学仪器国家重点实验室、南京航空航天大学也正在积极开展体积式显示技术的相关研究工作。
系统包括：激光系统、计算机控制系统、旋转显示系统等子系统。

（2）、静态体成像技术
        静态体成像技术是基于频率上转换技术形成三维立体图像的，所谓频率上转换三维立体显示是利用成像空间介质吸收多个光子后会自发辐射出一种荧光，从而产生可见的象素点。其基本原理是利用两束相互垂直的红外激光交叉作用于上转换材料上，经过上转换材料的两次共振吸收，发光中心电子被激发到高激发能级，再向下能级跃迁就可能产生可见光的发射，这样的上转换材料空间中的一个点就是一个发光的亮点，如果使两束激光的交叉点依照某种轨迹在上转换材料中做三维空间的寻址扫描，那么两束激光的交叉点所扫描过的地方应当是一条可以发射可见荧光的亮带，即可以显示出同激光交叉点运动轨迹相同的三维立体图形。这种显示方法肉眼就可以看到360°全方位可视的三维立体图像。

2、全息技术
（1）、传统全息图
    全息术是英国科学家丹尼斯伽伯（Dennis Gabor）于1948 年提出的一种崭新的成像概念。按照物理学的近距作用观点，人眼之所以能看见外界物体，其直接原因并不是因为物体的客观存在，而是由于物体发出的光波到达了人眼的视网膜，视神经细胞接收到物光波，从而产生三维空间像的视觉。按照这一新的成像理论，伽伯采用了和传统照相截然不同的思路和方法，他并不试图在二维底片上建立与物体相似的像，而是设法完全记录携带了三维物体信息的物光波的振幅和位相分布，符合上述要求的记录结果称为“全息图”。通常可以将全息图理解为一个大容量的存储器件，存储或“冻结”了三维物体的全部光学信息。为了从全息图中提取物光波的信息，还必须用适当的光波照射全息图，“解冻”或重构原来的物光波，人眼迎着再现物光波观察时，就如同通过全息图这个窗口去观察原来的真实物体一样。全息术是一个两步成像过程，即物体光波的记录(存储或编码)和再现(重构或解码)的过程，通常前一过程利用光的干涉实现，后一过程利用光的衍射完成。实现此功能的两束光线要求具有高度相干性，通常为激光光束。
    传统全息图只能再现一个静态实际物体图像，不能处理计算机产生的图像（虚物）；而且激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件，光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室。

（2）、计算机全息图（CGH）
    计算机全息图是最近才发展起来的技术，其分辨率超过了人眼的分辨率，其图像漂浮于空中并具有较广的色域，被认为是三维立体显示的最终解决方案。与传统全息图需要实物模型不同，在计算机全息图中，用来产生全息图的物体只需要在计算机中生成一个数学模型描述，且光波的物理干涉也被计算步骤所代替，在每一步中，CGH模型中的强度图形可以被确定，该图形可以输出到一个可重新配置的设备中，该设备对光波信息进行重新调制并重构输出。
        通俗的讲，CGH就是通过计算机的运算来获得一个计算机图形（虚物）的干涉图样，替代传统全息图物体光波记录的干涉过程；而全息图重构的衍射过程并没有原理上的改变，只是增加了对光波信息可重新配置的设备，从而实现不同的计算机静态、动态图形的全息显示。
    然而计算机全息图技术目前仍有不少问题还在研究之中，由于某些硬件性能的限制，一些理论还没有得到应用。比如动态物体的显示效果、分辨率的提高、海量数据的处理等。因为一个典型的300×300mm的全息图包含了10T的数据信息。（1T=1024G）对于目前的PC处理与存储能力来说，已经非常巨大，更不用说动态的计算机全息图显示了。

参考文献：

《Three Dimensional Display Technology》  王琼华、李大海

《基于棱柱镜技术的自由立体显示图像合成》  杨蕾

《基于视差照明原理的自由立体显示几何建模》 黄永刚

《真三维立体显示技术》  姜太平

《真三维立体显示中旋转体扫描显示技术研究》 丁琴

《真三维立体显示静态成像技术研究》  陈拥军