3D立体显示技术综述

3D立体显示技术综述

Tuesday, May 24, 2011

09:44

引言

理想的视觉显示与日常经历中的场景对比，在质量、清晰度和范围方面应该是无法区分的，但是当前的技术还不支持这种高真实度的视觉显示。随着2009年底卡梅隆导演的《阿凡达》热映，三维立体(3D Stereo)显示技术成为目前火热的技术之一，通过左右眼信号分离，在显示平台上能够实现的立体图像显示。立体显示是VR虚拟现实的一个实现沉浸交互的方式之一，3D(3 dimensional)立体显示可以把图像的纵深，层次，位置全部展现，观察者更直观的了解图像的现实分布状况，从而更全面了解图像或显示内容的信息。

电影《阿凡达》热映的后时代，全民步入了3D立体的时代，随着技术的发展和对3D技术关注度的剧增，3D显示技术的普及化应用已进入紧锣密鼓的实用阶段。本文旨在介绍目前各种系统或设备对三维立体实现方式，推广三维立体的认知度。

1、3D立体显示原理

3D立体显示的基本原理如图表1所示。图中表示两眼光轴平行的情况，相当于两眼注视远处。内瞳距（IPD）是两眼瞳孔之间的距离。两眼空间位置的不同，是产生立体视觉的原因。F是距离人眼较近的物体B上的一个固定点。右面的两眼的视图说明，F点在视图中的位置不同，这种不同就是立体视差。人眼也可以利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感。这就是人类的立体视觉，由此获得环境的三维信息。

人眼的另一种工作方式是注视近处的固定点F。这时两眼的光轴都通过点F。两个光轴的交角就是图中的会聚角。因为两眼的光轴都通过点F，所以F点在两个视图中都在中心点。这时，与F相比距离人眼更远或更近的其他点，会存在视差。人眼也可以利用这种视差，判断物体的远近，产生深度感。

目前市场上的3D立体技术的产品主要围绕着裸眼立体和非裸眼立体两种方式，其中涉及的主要产品有：液晶显示设备、等离子显示设备、便携式显示终端设备、投影设备等。

2、立体显示分类

3D立体显示技术可主要分为:裸眼立体显示、便携式立体显示、佩带眼镜的立体三种方式，下面分别介绍不同的显示技术。

因头盔式立体呈现方式较老而且使用极少，全息方式因价格等因素远离民用，因此，本文不对此部分内容做介绍与综述。

2.1裸眼立体显示

裸眼立体显示不要求辅助的观看设备（不需要佩带眼镜），不给用户附加任何约束。观看区域或观看体积的大小可能有所不同，裸眼立体显示也可由多人观看,但整体亮度或观看角度有极大限制。

2.1.1透镜(Lenticulars)显示技术

一个透镜面是圆柱透镜的阵列，它用于产生自动立体三维图像，这是通过把两个不同的二维图像导向各自的观看子区域。在透镜面前方不同的角度上，在子区域内形成图像。当观察者的头在正确的位置时，每只眼就在不同的观看区，看到不同的图像，得到双目视差。

透镜成图像对于大的视场要求高分辨率。对两个视场必须实时显示，而且图像被切片并放在透镜后面的垂直条中。可显示的视场的数目受到圆柱透镜聚焦能力不完善性的限制。透镜畸变和光的绕射减少了透镜方向性，于是由背面屏幕聚焦的图像，不是以平行射线出现，而是以某种角度散布。这种散布限制了能彼此区分的子区域数目。透镜面显示的另一个关键问题是背部屏幕图像必须对准缝口或透镜，否则子区域图像将不会导向合适的子区域。

优点：3D技术显示效果更好，亮度不受到影响。

缺点：相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容，需要投资新的设备和生产线。

2.1.2视差档板（Parallax barrier）显示技术

视差档板是放在显示前方的垂直平板，它对每只眼都阻档了屏幕的一部分。视差档板的作用类似透镜面。差别在于它是用档板档住部分显示，而不是用透镜导引屏幕图像。屏幕显示两个图像，每个分成垂直条。屏幕上显示的条交替为左右眼图像，每只眼只看到它的条。

视差档板显示一般不使用，因为有几个缺点。首先，显示的图像太暗，因为档板档住每只眼大部分光。而且，对小的缝宽度，由缝隙的光扩散可能是问题，这是因为光线散射。此外，图像必须划分成条。

2.1.3切片堆积显示技术

切片堆积显示也称为多平面显示。它由多层二维图像（切片）构成三维体积。正如发光二极管（LED）的旋转线可以产生平面图像感，LED的旋转平面可以产生体图像。运动镜面必须以高频运动很大距离，所以也可以用变焦距镜面。一般用30Hz声音信号振动反射膜片。在镜面振动时，聚焦长度改变，反射的监示器在截断的金字塔型观看体积中形成图像。镜面连续改变其放大率，使随时间扫描的图像连续改变其深度。

这个途径的变型正由TI公司开发。在这个技术中，微机械镜面由硅梁支持在对角上。两个未支持的角涂上金属，用作静电驱动器电极，它使镜面拉到一边或另一边。驱动速率约10微秒，角偏转约10°，允许微镜面偏转入射光形成高分辨率显示。

切片堆积方法描绘一个照亮的体积，使物体是透明的，而被遮档的物体不能消隐。对空间数据集和固体建模问题这可能是理想的。但它不适于有消隐表面的照片和真实图像。增加头部跟踪就允许消隐表

面在绘制步骤对一个观看者近似地去掉。然而，不是所有表面都可以正确绘制，因为两眼可能由不同位置观看。

下图表示，数字式微镜面（DMD）的显示方式。（a）为微镜面的结构，（b）为TI公司开发的基于DMD的显示器。

2.2便携式立体眼镜

通过对立体显示原理的利用，部分厂商提供了便携式个人立体眼镜。通过安装在眼镜每只眼睛前的一个小的LED屏幕, 现在每一个稍微不同的画面在眼睛中产生视差，这将创建一个虚拟的三维立体图像，类似于两米开外。因镜头在眼镜内侧，为此并不需要额外的空间，佩带上即可实现3D影像。

下图设备由蔡司（Zeiss）公司研制的Cinemizer 视频眼镜适用于联接苹果Iphone、Ipad、诺基亚N高端系列等手机终端设备，通过读取设备上的特定制作的文件或内容而进行显示。当与设备连接时，除了可以播放3D立体图像或影片，还可在不丢失画面质量的情况下，从DVB-H 接收器上接收电视信号。用户可从Cinemizer 眼镜中看到一个相当于2m 距离外、39 英寸的虚拟显示屏幕，体会到家庭影院般的视觉悟体验。此外，Cinemizer 在耳挂处还带有一个滑块，可用于调节镜架和鼻垫，以适应不同的用户需求。

2.3投影系统中立体显示技术

在大部分虚拟现实系统或展览展示系统中，普遍利用立体眼镜用于双目分时观看左右图像，最终在大脑皮层通过映射得到立体图像。非头盔立体眼镜方式显示采用立体屏幕与投影显示，这些系统只要求一对轻便的眼镜产生高质量的立体显示，因此给用户施加最小的惯性约束，并是舒适的。在舒适的观看范围的限制下，屏幕和投影显示的静态视场和空间分辨率取决于用户到显示平面的距离。

2.3.1主动立体(Active stereo)

下图表7所示，立体投影显示的第一种方式，主动式系统。分别对应左眼和右眼的两路视频信号，轮流在屏幕上显示。它们的频率为标准更新率的二倍。观看者佩戴具有液晶光阀的立体眼镜。液晶光阀的开关，与显示的图像同步。于是，在显示左眼的图像时，左眼的光阀打开，右眼的光阀关闭。同步信号可以通过红外信号红由发射器传送到眼镜上，眼睛就可以在无线状态工作。目前部分厂商如Christie公司Mirage产品线支持Frame Doubling立体功能增强技术，能够通过工作站60Hz 输入到投影机自动倍频到120Hz输出,而实现立体图像连续显示而无不流畅等情况发生。

特点：

投影机必须以循环交替的方式输出左右眼图像信号

立体眼镜的左右镜片必须与对应的投影图像信号保持同步，即有图像时开，无图像时关。

必须有较高的立体图象显示刷新率才会取得满意的立体效果

最大立体流明为投影机标称亮度的16.7%

立体沉浸感较好，可实现平面图像与立体图像的无缝切换

2.3.2被动立体(Passive stereo)

光线传播时，垂直传播方向的360度都有光波震荡传输。光的偏振实际上是利用某一特定方向的光波进行显示的原理。主要分为两种类型:线性偏振和圆周偏振。

线性偏振的原理是偏振后的光只能以固定的角度传输，此方法的缺点是观众的头部不能偏移（因偏移会造成立体感丢失），有些场合的应用受限制。圆周偏振技术的原理是光的偏振方向在不断地沿固定方向旋转，左右眼对应的偏振光线的旋转方向相反。基于圆周偏振技术的系统观察者的头部可以自由活动，因为光线的方向变化不影响显示。

下图表9所示，立体投影显示的第二种方式，单台投影机的被动式系统。投影机图像轮流在屏幕上显示，分别对应左眼和右眼的两路视频信号。它们的频率为标准刷新率的２倍。Z-屏幕分别对两眼的图像，施加不同的偏振。观看者佩戴具有不同偏振的眼镜。

特点：

光线利用率为所有投影技术中最低的，为12%

投影机输出的左右图像与主动立体同样原理，必须是交替显示的

立体眼镜的左右镜片只接收对应的投影图像

对屏幕表面材料质量要求高(偏振幕)

不适合多通道应用

下图表10所示，立体投影显示的第三种方式，有两台投影机的被动式系统。两台投影机分别在屏幕上显示对应左眼和右眼的两路视频信号。它们的频率为标准更新率。两台投影机镜头前，分别安装不同的偏振片，施加不同的偏振。观看者佩戴具有不同偏振的眼镜而接收到分离的左右眼图像，从而在大脑中产生立体感图像。

特点：

外部偏振方法光线利用率最高为38%。

两个投影机输出的图像分别对应左右眼

立体眼镜的左右镜片只接收匹配的图像

对图象显示刷新率要求不高

对屏幕表面材料质量要求高(偏振幕)

多通道情况下，只有专业的系统集成商能提供

2.3.3光谱立体(Infitec)立体

Infitec技术采用高质量滤光技术，分离光谱以便适合人的每只眼睛，生成无重像的被动立体图像，所以，无需特殊的具有偏振特性的屏幕或电子眼镜，只需配戴专业Infitec眼镜即可，Infitec眼镜不需要配备电源和复杂的电路，因此舒适感和沉浸感更好，眼镜轻便，由于不需信号同步发射器，所以配戴者的头部可随意移动，配戴者互相之间不会产生干扰，这样INFITEC还可以满足有大量观众场合的应用。国内Dolby?杜比公司认证的影院采用Infitec立体输出方式。

特点：

投影机输出交替的、频率互补的多个光波段对应左右眼

立体眼镜没有能源，左右眼镜分别接受自己通带的光

双机时光线利用率为27%，单机时光线利用率为17%

眼镜轻,需要进行颜色调整工作

结束语

综上可见，实现立体方式有多种，在选购时需要平衡各种显示技术，综合评价其使用场合、系统实现方式、亮度、隔离度、可视角度、效果等，通过多方评估与调开进行选择。

以上只是介绍3D立体实现的技术及部分产品，其中部分要求涉及到3D输出源的内容部分，只有3D 的软件内容与硬件配合才能实现真正的3D立体输出。

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