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今生到來世——三維立體顯示技術發(fā)展概況
穿戴式立體顯示
穿戴式立體顯示包括助視式立體顯示技術與頭盔式顯示技術。助視式立體顯示技術是指需要佩戴輔助眼鏡才可以觀看3D的顯示方式，它利用雙目視差的原理為人腦帶來立體感。根據助視式立體設備分光原理的不同，我們可以將其分為分色3D顯示、偏振光3D顯示和快門3D顯示三種，這三種顯示方式分別對應了圖6中的三種不同立體眼鏡。
圖6 分色、偏振光和快門立體眼鏡
基于分色原理的3D顯示是將立體眼鏡的兩個鏡片分別制作為兩種互補色，將具有雙目視差的一對立體圖像對以相應的互補色共同顯示。通過分色3D眼鏡的濾光作用，觀看者可以觀察到3D圖像。分色眼鏡的種類有很多，包括紅/青互補色、品紅/綠互補色和青/黃互補色等。分色3D顯示的優(yōu)點是制作成本低廉、使用方便。缺點是由于眼鏡對光線有過濾作用，使得顏色失真嚴重，極大的降低了觀看質量，因此該技術無法廣泛商用。
在電影院中偏振光3D顯示系統(tǒng)通常由一塊投影幕，兩個偏振投影機組成。兩個投影機分別向投影幕上投出具有不同偏振光的左右視差圖像，通過投影屏幕的漫反射作用，偏振光的方向不會發(fā)生改變。觀看者通過佩戴對應的偏光眼鏡可以保證右眼觀察到右視差圖像，左眼觀察到左視差圖像，從而形成正確的立體感。偏振光3D顯示技術目前已有廣泛的應用，包括影院、家庭和娛樂場所等。它的優(yōu)點是沒有色彩失真，主要缺點是偏振光通過偏振眼鏡時亮度會有所下降。
快門3D顯示設備可以將左右視差圖像以極高的刷新頻率交替顯示，快門眼鏡可以配合顯示設備的刷新頻率控制左右眼鏡片的透光與遮光狀態(tài)，從而為觀看者提供舒適的3D效果?？扉T3D顯示的優(yōu)點是效果好，缺點是快門眼鏡價格相對昂貴。
頭盔式3D顯示技術是將顯示設備集成在頭戴設備上，并通過波導或者透鏡將3D圖像呈現在眼前。根據應用的不同我們可以將其分為增強現實顯示與虛擬現實顯示兩種。增強現實顯示是指可以將3D信息與真實場景相互融合的顯示技術，代表設備是谷歌眼鏡，如圖7(a)所示。虛擬現實顯示是指可以讓觀看者完全沉浸在虛擬3D場景中的顯示技術，代表設備是Oculus的虛擬現實頭盔，如圖7(b)所示。
圖7增強現實眼鏡與虛擬現實頭盔
全息顯示
全息顯示是一種可以還原真實三維空間場景的顯示技術，它最早是在1948年由英籍匈牙利科學家D.Gabor提出，由于當時光源的相干性較差，使得全息技術的發(fā)展受到了巨大的阻礙。直到激光誕生后，Upatnieks和Leithehe提出了離軸全息圖制作方法，使得全息技術有了突破性的進展。全息技術由拍攝與再現兩個實驗環(huán)節(jié)組成。在拍攝過程中，利用光的干涉原理在記錄介質表面以干涉條紋的形式記錄下物場信息，如圖8(a)所示。再現過程中，利用光的衍射原理將還原光照射在干涉條紋表面重建原始物場，如圖8(b)所示。目前全息顯示技術已經廣泛應用于產品展示、商標防偽、干涉測量等領域。
圖8 全息技術的基本原理圖(a)記錄過程(b)再現過程
隨著時代的發(fā)展，計算機技術不斷提高，記錄全息圖的材料也不斷更新，相應的全息技術也有了巨大的進步。美國斑馬公司在數碼靜態(tài)全息圖制作方面處于世界領先水平，該公司在1998年研制了全世界第一臺數碼全息打印機，利用杜邦公司生產的光聚合物材料制作了真彩色、大視角、全視差的反射式全息圖。斑馬公司目前已經被美國國防部收購，該公司主要從事于衛(wèi)星遙感與電子沙盤三維立體顯示方面的研究。
圖9 斑馬公司的全息照片
美國Univ.of Arizona研究小組在可更新的動態(tài)三維全息方面進行了探索性的研究。該小組在2008年2月采用photore fractive-polymer作為全新的全息記錄材料，利用數碼全息打印技術，在幾分鐘內完成一張4in×4in數碼全息圖的制作。該全息圖可以保存數個小時，當再次采用同樣流程寫入新的圖像時，原始全息圖將被更新。通過進一步的研究，該小組在2010年實現了記錄時間為2s，視角數目為16個的單色立體內容的遠距離傳輸。由于大尺寸的全息照片制作過程復雜，工藝條件苛刻，而且動態(tài)效果實現困難，所以全息技術在3D顯示方面的應用受到了極大的束縛。
體3D顯示
體3D顯示技術是通過在空間中顯示真實的體像素點的方式來實現3D效果的，它可以讓多名觀看者從不同角度獲得同一個3D物體不同側面的信息。體3D顯示技術同時兼顧了人眼的輻輳與調節(jié)特性，因此不會給觀看者帶來視覺疲勞感。根據成像原理的不同，體3D顯示技術可以分為靜態(tài)體三維顯示與動態(tài)掃描體三維顯示兩種，如圖10所示。
靜態(tài)體三維顯示的代表產品是LightSpace公司推出的DepthCube3D顯示器，如圖10(a)所示。它是由一個高速投影儀與多平面光學元件組成。多平面的光學元件內包含了20片液晶散射屏，每片散射屏之間有一定的距離。高速投影機將一系列的2D圖像投影到這20片液晶散射屏上，通過控制投影機與散射屏之間的同步，可以使得不同深度的屏幕上顯示不同的2D圖像切片。利用人眼的視覺暫留效應，觀看者便可以感受到真實的3D效果。這種技術的優(yōu)點是沒有高速旋轉裝置，系統(tǒng)結構穩(wěn)定，無噪聲。但是由于液晶散射屏的數目有限，且液晶散射屏之間存在間隙，所以該系統(tǒng)的體像素間隔很大，這將導致靜態(tài)體三維顯示系統(tǒng)的空間分辨率低下，影響立體感的連續(xù)性。
動態(tài)掃描體三維顯示的代表產品是美國Actuality Systems公司在2002年推出的Perspecta 3D立體顯示器屏，如圖10(b)所示。Perspecta 3D立體顯示器實現了實時的3D數據傳輸與顯示，并且具有相應的應用操作接口，目前這套系統(tǒng)在醫(yī)學圖像分析領域已經進行了商品化的推廣。該立體顯示器是由分辨率為1024768的高速投影儀與旋轉屏組成。在該系統(tǒng)中，首先計算機將3D模型分解為198個切片(這些切片可以構成一個完整的球面)，然后通過控制投影內容與旋轉屏的轉動同步，利用人眼視覺暫留效應形成完整的3D圖像。該系統(tǒng)的體像素數目超過一億個，并且具有360°的觀看范圍與180°的俯仰觀看視角。
圖10 體顯示設備(a)DepthCube 3D顯示器(b)Perspecta 3D顯示器
體三維顯示技術的顯示景深受到設備尺寸的限制，不能任意調整。此外，體三維顯示技術只能構建體像素點的空間位置，無法控制空間點的發(fā)光方向，因此由該技術顯示的3D物體之間沒有遮擋關系，這會導致再現的內容呈現出透明的視覺效果。目前利用體三維顯示技術實現復雜的3D場景仍然比較困難，該技術尚處于發(fā)展與探索階段。
光柵立體顯示
光柵立體顯示技術包括：狹縫光柵立體顯示與柱透鏡光柵立體顯示。
基于狹縫光柵的裸眼3D顯示設備結構如圖2所示，它由2D液晶顯示器與狹縫光柵兩部分組成。通過在2D顯示器上加載多個視點的圖像編碼信息，可以讓不同的視差圖像在空間中不同位置處成像，從而實現裸眼3D的顯示效果。3D顯示中的狹縫光柵可以看作是由透光條與遮光條交替排列共同組成的。為了實現高效的分光作用，遮光條通常為黑色，因此狹縫光柵也通常被稱為黑光柵。狹縫光柵可以通過在玻璃上間隔印刷的方式實現，所以相對于其他裸眼立體顯示的光學器件，狹縫光柵的設計原理簡單且制作成本低廉。
圖11 狹縫光柵裸眼立體顯示器結構示意圖
通過設計狹縫光柵透光條與遮光條的寬度、控制2D液晶顯示器與狹縫光柵之間的距離，可以實現對裸眼3D顯示設備觀看距離與視點間距等參數的控制，從而滿足觀看者正確觀看立體視差圖像的需求。
基于柱透鏡光柵的裸眼3D顯示設備結構如圖4所示，它由2D液晶顯示器與柱透鏡光柵兩部分組成。其顯示原理與狹縫光柵立體顯示器類似，都是通過在2D顯示面板上編碼不同角度的視差圖像實現立體。柱透鏡光柵是由許多結構相同的柱面透鏡平行排列而成。由于柱面透鏡通常采用透明介質材料制作，因此在調制編碼2D圖像時對光線不會有遮擋作用。相比于狹縫光柵，基于柱透鏡光柵的裸眼3D顯示具有亮度高的優(yōu)點。
圖12 柱透鏡光柵裸眼立體顯示器結構示意圖
現階段柱透鏡光柵立體顯示器已經在全世界范圍內得到廣泛推廣，具有代表性的公司包括歐洲的飛利浦公司和StreamTV公司、韓國的三星公司以及美國DTI公司等。隨著國內硬件水平的發(fā)展與加工工藝的提高，本土的眾多廠商如超多維，易維視，卓美華視等公司也紛紛加入到光柵立體顯示器的研發(fā)與生產中來。圖13是易維視公司為不同場合設計的不同尺寸立體顯示設備。
圖13 不同尺寸的光柵立體顯示設備(a)85寸立體廣告機(b)55寸家用立體電視(c)10寸立體平板
上面就是3D顯示的前世今生，未來的3D技術還會有更進一步的發(fā)展和應用。時代在發(fā)展，科技在進步，讓我們期待3D技術給人們帶來更多的新視覺、新體驗!
作者：于迅博
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