數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)

劉書戩

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(合肥 230026)

數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)是一項(xiàng)新型裸眼3D技術(shù)。與傳統(tǒng)3D技術(shù)不同，它高度還原一個(gè)物體本身應(yīng)該發(fā)出的光線。在成像特點(diǎn)這一方面，與全息投影技術(shù)類似，不是以“兩場(chǎng)”的傳統(tǒng)3D技術(shù)的形式存在。“兩場(chǎng)”就是讓左眼看到一個(gè)像，讓右眼看到一個(gè)像，這兩個(gè)像相互獨(dú)立，左眼看不到右眼該看到的，同時(shí)右眼也看不到左眼該看到的。數(shù)字幻影要做到的不僅是讓兩眼看到的東西不一樣，而且不同的位置看到的東西都是不一樣的。不僅讓人擺脫了眼鏡的限制，而且它所呈現(xiàn)的東西更真實(shí)，相比全息3D技術(shù)它成像位置的自由度更大。

真實(shí)世界是三維立體的，人的雙眼觀察到的是兩幅不同的畫面，大腦經(jīng)過對(duì)畫面信息進(jìn)行疊加融合，構(gòu)成一個(gè)具有前一后、左一右、上一下、遠(yuǎn)一近等立體方向效果的畫面，便產(chǎn)生了三維立體感覺[1]。

數(shù)字幻影裸眼3D技術(shù)利用人眼的視覺暫留的特點(diǎn)和視差以掃描的形式把一個(gè)3D像分時(shí)地呈現(xiàn)，以高度還原這個(gè)像原本應(yīng)該發(fā)出的光。還原這個(gè)像的立體特點(diǎn)，給人以幾乎絕對(duì)的真實(shí)感。

1 數(shù)字幻影裸眼3D技術(shù)原理

1.1 單個(gè)點(diǎn)的發(fā)光特點(diǎn)及成像處理方法

處理一個(gè)像之前我們先處理好一個(gè)像點(diǎn)的發(fā)光。單個(gè)點(diǎn)的發(fā)光是向四面八方的，在這里，我們先只處理大致指向一個(gè)方向的光線(如圖1所示)。當(dāng)這個(gè)點(diǎn)上沒有光源時(shí)我們很難同時(shí)處理這些光線，但是我們可以將這些光線分時(shí)地處理。將呈現(xiàn)它的一幀分成若干時(shí)間片分別處理這些光線(如圖2所示)。在時(shí)間片1時(shí)處理光線1，時(shí)間片2時(shí)處理光線2，以此類推。這樣在一幀內(nèi)就還原了單個(gè)點(diǎn)的發(fā)光。

圖1 點(diǎn)光源的發(fā)光

圖2 單個(gè)點(diǎn)成像處理

1.2 對(duì)1.1中的方法的具體實(shí)現(xiàn)方法

這里用兩個(gè)屏幕來處理，前面的屏幕為屏幕a，這是一個(gè)專門用于篩選的屏幕，和液晶屏幕的液晶部分的作用一樣。后面的屏幕為屏幕b，這是一個(gè)普通的發(fā)光用的屏幕。這兩個(gè)屏幕拉開一定的距離。

對(duì)于一個(gè)點(diǎn)的發(fā)光，我們先假設(shè)這個(gè)點(diǎn)在這兩個(gè)屏幕的中間，把這個(gè)虛擬的點(diǎn)的發(fā)光進(jìn)行還原，將呈現(xiàn)這個(gè)點(diǎn)的一幀分時(shí)地分開，在時(shí)間片1時(shí)，屏幕a的1號(hào)像素透光，由像點(diǎn)的位置來計(jì)算屏幕b的哪一個(gè)像素透光；時(shí)間片2時(shí)，屏幕a的2號(hào)像素透光，然后由像點(diǎn)的位置計(jì)算屏幕b的哪一個(gè)像素透光，以此類推(如圖3)。

1.3 對(duì)一個(gè)像的成像處理

對(duì)1.2提出的做法，我們沒有必要且沒有條件去一個(gè)像點(diǎn)一個(gè)像點(diǎn)的呈現(xiàn)一個(gè)像。在1.2中，處理一個(gè)點(diǎn)的發(fā)光時(shí)，屏a的某一個(gè)像素透光時(shí)，屏b只有一個(gè)像素相響應(yīng)，但是這樣未免有一些浪費(fèi)。所以在處理一個(gè)像的時(shí)候，我們可以這樣處理：在屏a某一個(gè)像素透光時(shí)，屏b整個(gè)屏幕都有所響應(yīng)。這樣，仍然將一幀的像分時(shí)地呈現(xiàn)，在時(shí)間片1時(shí)，屏幕a的1號(hào)像素透光，由整個(gè)像計(jì)算出整個(gè)屏幕b的顯示內(nèi)容，以此類推(如圖4)。這樣就做到了整個(gè)像的成像。

圖3 具體的成像處理 圖4一個(gè)像的處理

2 數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)顯示能力的優(yōu)勢(shì)與局限

2.1 相比傳統(tǒng)裸眼3D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相比傳統(tǒng)3D技術(shù)有一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)就是讓人們擺脫了眼鏡。另外，這里不得不提到傳統(tǒng)3D的一個(gè)不可回避的問題。2010年《阿凡達(dá)》有2D，3D和IMAX-3D三種版本，在給觀眾帶來震撼的視覺享受的同時(shí)，也有很多觀眾反映，觀看3D版本時(shí)發(fā)生了頭暈，惡心等癥狀。這些癥狀產(chǎn)生的根本原因在于，目前各大院線使用的是偏光式3D技術(shù)或快門式3D技術(shù)。這兩種技術(shù)的共同特征是觀看者必須佩戴3D眼鏡，左右鏡片通過快速開關(guān)分別實(shí)現(xiàn)左右眼分別觀看自己的圖像。這種方式屬于強(qiáng)制性的對(duì)人眼的屈光狀態(tài)進(jìn)行修正，如果人眼長(zhǎng)期處于不正常的狀態(tài)，勢(shì)必造成頭暈，惡心等癥狀[2]。然而，數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)的高度還原像的特征的這一特點(diǎn)使它投影出的像高度真實(shí)化。而不是對(duì)人眼的屈光進(jìn)行強(qiáng)行修正，也就不會(huì)造成頭暈，惡心等癥狀。

2.2 相比全息3D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字幻影裸眼3D投影技術(shù)可以把像成在屏幕前方，屏幕里和屏幕后方，甚至在屏幕后方很遠(yuǎn)的地方。而全息3D技術(shù)只能將像成在十分有限的區(qū)域。也就是在成像自由度上數(shù)字幻影投影技術(shù)遠(yuǎn)超過全息3D技術(shù)。

2.3 相比全息3D技術(shù)的劣勢(shì)

全息3D技術(shù)所成的像相當(dāng)于在空間中直接創(chuàng)造出一個(gè)實(shí)物的模擬，理論上可以估到全方位都能看到它所要成的像。而數(shù)字幻影裸眼3D技術(shù)只能做到一個(gè)角度范圍內(nèi)的成像

3 數(shù)字幻影裸眼3D的硬件需求的計(jì)算

以1 024*768的a屏幕為例，我們要求b屏幕要比a屏幕大一點(diǎn)，以1 200×800為例。顏色以真彩色為標(biāo)準(zhǔn)(24位色)。下面進(jìn)行它對(duì)硬件的要求的計(jì)算：

3.1 每一幀的信息量

b屏幕的一幀對(duì)應(yīng)于a屏幕的對(duì)一個(gè)點(diǎn)的掃描，而b屏幕的一幀的數(shù)據(jù)量為1 200×800×24=23 040 000約為23Mbit。而a屏幕掃描完一個(gè)周期才是一個(gè)像的一幀，而掃描的點(diǎn)數(shù)為1 024×768=786 432，總數(shù)據(jù)量為786 432×32 040 000=18 119 393 280 000約為18.1Tbit的數(shù)據(jù)量。而這僅為一幀的數(shù)據(jù)量，而要投入正常使用則每秒至少要24幀。而這數(shù)據(jù)量是災(zāi)難性的，短期的計(jì)算技術(shù)不可能達(dá)到這驚人的要求。

3.2 對(duì)屏幕b的要求：

b屏幕的每秒的幀數(shù)相當(dāng)于a屏幕每秒要掃描的次數(shù)，以a屏幕每秒24幀為例，則b屏幕需要每秒顯示的幀數(shù)為24×1 024×768=18 874 368約18.9M幀/秒。這同時(shí)也是災(zāi)難性的，現(xiàn)在還沒有任何一個(gè)日常用的屏幕能達(dá)到如此之快的幀數(shù)要求。

4 針對(duì)3中的兩個(gè)“災(zāi)難性需求”的緩解方法構(gòu)想

3中提到的兩個(gè)硬指標(biāo)的技術(shù)限制使得這項(xiàng)技術(shù)可能要等到以后技術(shù)足以滿足這“災(zāi)難性需求”才能使這項(xiàng)技術(shù)得以發(fā)展。但我們可以將其用一些方法來降低這些需求，使其“不那么災(zāi)難性”。

4.1 縮減視角構(gòu)想

可以通過犧牲屏幕的有效視角換取可觀的數(shù)據(jù)量的減少。在前面，我們用的方法是a的一次掃描對(duì)于b就是一幀，而b的一幀是一整個(gè)的屏幕都亮起來(圖5)。但是，過大的視角是基本上沒有人看的。很容易想象，沒人會(huì)站得過高并俯視屏幕，或者坐得過偏來看屏幕。所以大可以把這些人們非常難用到的刁角度忽略掉。

這里我們假設(shè)a的一次掃描b只相應(yīng)a對(duì)應(yīng)的點(diǎn)附近的一個(gè)橢圓，而不是全屏亮(圖6)。這樣就大大縮小了數(shù)據(jù)量，我們假設(shè)這個(gè)橢圓的長(zhǎng)軸200像素，短軸100像素。這樣b的數(shù)據(jù)量就是pi×100×50=15 705而這樣一幀的數(shù)據(jù)量就下降到了786 432×15 705×24=296 421 949 440bit大約37GB。可見，雖然數(shù)據(jù)量依然不樂觀，但比18.1Tbit要緩解了很多。目前的顯卡的計(jì)算技術(shù)可以達(dá)到每秒進(jìn)行T次的浮點(diǎn)計(jì)算，對(duì)于37GB每幀的計(jì)算量依照目前的顯卡來說是可以完成的。

圖5 未經(jīng)任何處理簡(jiǎn)化 圖6經(jīng)過處理簡(jiǎn)化

4.2 多點(diǎn)同時(shí)掃描構(gòu)想

4.1 中提出了縮減視角，這樣如果依然a屏幕以逐點(diǎn)掃描的方式處理的話，那么b屏幕大部分時(shí)間地暗的。我們可以利用這些被浪費(fèi)的暗的部分。我們可以令a屏幕多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行掃描，這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的b屏幕的區(qū)域不得有重疊，這樣，最大化利用b屏幕以減少a屏幕的掃描周期(如圖7)。我們將a屏幕分成若干塊，如果按照4.1中的200和100的長(zhǎng)軸和短軸，a屏幕分成的塊的像素尺寸為200×100，則a屏幕只需要掃描200×100次就完成了一幀的掃描，這樣對(duì)b屏幕的硬件需求就大大減小了。b屏幕只需要每秒200×100×24=480 000幀即可。雖然數(shù)字仍然不樂觀，但相比18.9M幀/秒已經(jīng)大大緩解，甚至現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到這個(gè)數(shù)字。

4.3 多列同時(shí)掃描構(gòu)想

可以基于一個(gè)假設(shè)來進(jìn)行更進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。假設(shè)人兩個(gè)眼睛永遠(yuǎn)是水平的，可以進(jìn)行多列同時(shí)掃描的操作。掃描的每一個(gè)時(shí)間片，對(duì)于前面的屏幕A是若干個(gè)列在同時(shí)掃描，而后面的屏幕B只需要計(jì)算不考慮人眼的高低變化的數(shù)據(jù)量，這就意味著A屏幕的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著B屏幕的一個(gè)很短的單行的點(diǎn)(如圖8)。這樣比4.2中的方法節(jié)約了更多的數(shù)據(jù)量的計(jì)算，同時(shí)對(duì)屏幕B的能力要求下降得更低。但這樣做的代價(jià)就是當(dāng)人眼上下移動(dòng)時(shí)，看到的像也會(huì)隨之上下移動(dòng)。

5 像素限制的解決設(shè)想

5.1 應(yīng)用化的像素限制：

3和4 中的計(jì)算可以說由于計(jì)算量太大頂級(jí)的配置興許能做到實(shí)時(shí)顯示，但對(duì)于次一級(jí)的配置來說，只能預(yù)先準(zhǔn)備好要顯示的內(nèi)容。但我們可以能過減少像素的方式來先實(shí)現(xiàn)一個(gè)低像素的屏幕(比如200*300)，實(shí)際上，很多的裸眼3D技術(shù)(例如視差屏障)都采用犧牲像素來實(shí)現(xiàn)裸眼3D效果的方法。

圖7 多點(diǎn)同時(shí)掃描 圖8多列同時(shí)掃描

5.2 像素限制造成的問題

一量降低了像素，那么就會(huì)造成一個(gè)尷尬問題。像素的限制直接制約了屏幕a的一個(gè)像素的掃描從那個(gè)點(diǎn)放出的光線的密度，如果密度過小，而人眼的位置正好的話，則會(huì)出現(xiàn)相鄰的兩條光線分別照在了人眼瞳孔的左邊和右邊。造成了這個(gè)眼睛對(duì)這一像素什么都看不見的現(xiàn)象。

5.3 像素限制問題的解決辦法

可以通過一些手段去將一個(gè)離散的發(fā)光點(diǎn)陣換為一個(gè)連續(xù)的發(fā)光體。這樣就不存在關(guān)于光線密度有限導(dǎo)致的問題了。

很容易想象，一個(gè)光源前面比較近的位置放置一張紙，那張紙上會(huì)顯現(xiàn)出一個(gè)中心比較強(qiáng)，而邊上比較弱的圖像。而我們可能能過這個(gè)原理將離散的像素點(diǎn)擴(kuò)散成為一個(gè)連續(xù)的圖像。這需要一個(gè)特制的膜，這個(gè)膜的特征要求一個(gè)像素的發(fā)光能通過某種特殊的方式擴(kuò)散，但只能擴(kuò)散到一個(gè)像素。這樣，在非像素存在的點(diǎn)位的光強(qiáng)就由與之相除的四個(gè)像素點(diǎn)決定了，這樣就會(huì)使整個(gè)屏幕的發(fā)光連續(xù)，而且光線的變化比較緩和，可以說是填充了若干的實(shí)際不存在的像素點(diǎn)。以此來使得屏幕發(fā)出的光連續(xù)，而避免5.2中所提到的問題。當(dāng)然這也可以用于現(xiàn)在的顯示技術(shù)，讓顯示器呈現(xiàn)的圖像更加細(xì)膩。

[1]王永，孫可，孫士祥.3D顯示技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J],現(xiàn)代顯示,2012,(2).

[2]劉妍秀.3D顯示技術(shù)的原理及應(yīng)用[J],長(zhǎng)春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,2011,23,(12).