三維顯示技術應用現狀及展望

陳　浩　王曉穎　王瑞娜

（西安工業大學理學院，陜西　西安　710021）

三維顯示技術應用現狀及展望

陳浩王曉穎王瑞娜

（西安工業大學理學院，陜西西安710021）

從視網膜成像原理出發，介紹三維成像的生理基礎視差原理，進而探討目前常見的兩類三維顯示技術。一類是基于視差原理，利用光的偏振性、分色性等達到三維顯示效果的佩戴式立體顯示技術和裸眼立體顯示技術，這類顯示技術能提供一定心理景深，擁有良好的表現力，但與真實的三維空間體仍有較大的差距；另一類是三維非全息顯示技術和三維全息顯示技術，此類顯示技術的技術含量高，成像效果較好，將是未來顯示技術研究的主流。

三維顯示技術；真三維顯示；視差原理

在現代社會中，顯示技術的進步是人類在追求更自然、更逼真的影像品質，這也說明人類在追求更真實的視覺享受［1］。三維立體顯示技術（3D Volumetric display technology）正是基于這一理念而誕生的技術。

1　視差原理

視覺立體感立足于視差原理，雙目視差原理表現為：相鄰放置的2個立方體，靠左眼的一面涂色，靠右眼的一面不涂色；單眼觀看物體時，左眼看到的是該立方體有色一面并排放置，右眼看到的是該立方體無色一面并排放置。即左右眼觀察到的圖像有細微的差別，最后經過大腦的綜合得以還原出立體圖像［2］。左右眼單眼觀看物體產生偏差的原因在于人類雙眼瞳孔間距大概為63mm，從不同的角度接收到的景象會有所不同，導致左右眼在視網膜上所呈的像也會有差別。這種兩眼中觀察到的圖像輕微不同的現象稱為雙目視差。經實驗證明，其可以產生視覺立體感。此外，視覺深度感也是立體感的來源之一［3］。

2　基于視差原理的三維顯示技術

2.1佩戴式立體顯示

目前，佩戴式立體顯示常見的為眼鏡式3D顯示技術，根據成像原理可分為偏光式技術、圖像分色技術、圖像分時技術。

2.1.1偏光式技術。偏光式技術目前在3D電影院中較為常見，其原理是利用光的偏振性使人左右眼接收到互不干涉的不同圖像，從而達到立體效果。電影放映時，將兩條略帶水平視差的畫面分別裝入2臺放映機中，并在放映鏡頭前分別放置2個偏振軸互成90°的偏振鏡。2臺放映機同時將畫面投放在銀幕上。觀眾戴上特制的偏光眼鏡，由于左、右2片偏光鏡的偏振軸互相垂直，致使觀眾的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，經大腦綜合產生三維立體的視覺效果。線偏振眼鏡對佩戴者要求較高，必須使眼鏡保持在水平狀態，偏離水平狀態則導致左右眼看到明顯的重影，影響立體效果。

2.1.2圖像分時技術。圖像分時技術又被稱作快門式3D顯示技術。以美國NVIDIA公司的3D VISION眼鏡為例。眼鏡片實質上是可以分別控制開/關的2片液晶屏。顯示器輸出左眼圖像時，左眼鏡片為透光狀態，右眼不透光；顯示器輸出右眼圖像時，右眼鏡片透光而左眼不透光。以這種方式頻繁地切換使雙眼分別獲得有細微差別的圖像，經過大腦綜合生成一幅3D立體圖像。在整個顯示過程中，顯示器要以非常高的頻率輪換地傳送左右眼圖像，同時3D Vision眼鏡也以同樣高的速度開關左右眼的液晶屏，讓人眼看到不同畫面。這要求顯示器和眼鏡有較高的刷新速度。一般最少要達到120Hz以上，較低的刷新率會導致使用者產生頭痛、惡心等不良反應。這種3D顯示技術的優點在于3D顯示效果優異；缺點是眼鏡造價高，不易于保養。

2.2裸眼立體顯示技術

裸眼3D顯示的原理一般是通過光柵或透鏡將顯示器顯示的圖像進行分光，從而使人眼接收到不同的圖像，繼而達到3D顯示效果。這項技術借助于技術處理后的二維顯示屏幕，其突出優勢在于觀察者并不需要佩戴眼鏡等額外裝置。2002年美國DTI公司推出38.1cm裸眼立體LCD，開始將裸眼立體顯示技術應用于市場。2004年，日本三洋公司提出四視角立體顯示裝置，有效地解決了顯示圖像比例變形的問題。2006年，菲利普公司推出了其新式的以柱狀透鏡為基礎的裸眼3D立體顯示技術。如今，裸眼3D顯示器被廣泛應用于廣告、傳媒、示范教學、展覽展示及影視等各個不同領域。

前文所述的三維顯示技術都必須借助電子屏幕實現其效果，而顯示屏幕只能展示二維平面，無法真實再現出場景的深度。由于其原理是基于人眼的視差原理，只能提供心理景深，固然擁有不錯的表現力，但與真實的三維空間還是有較大的差距。

3　真三維顯示技術

真三維顯示圖像的每一個像素都有一個確定的三維坐標（x，y，z），在真實空間中有一個真實點與這個像素點對應。每一個三維像素點的色彩和亮度都可以控制，從而保證真實世界中物體的每一個點在3D顯示系統中成像的準確性和可調性。通過這種技術所成的像不但有視覺層次感，還具有現實的深度。真三維顯示可分為全息三維顯示技術和非全息三維顯示技術。

3.1真三維非全息顯示技術

真三維非全息顯示技術比較典型的應用是Perspecta系統和DepthCube系統。Perspecta系統是由美國Sctuality Systems設計與制造的掃描式3D顯示系統。工作時，系統自帶的3D模型引擎通過計算將圖像分成198幅剖面圖，每幅圖的尺寸在798×798像素。這些圖像被光學投影器件投影到屏幕的合適位置，觀察者就能看到一幅幅的“圖像切片”。當投影器件與屏幕一起以600rpm的速度繞基座軸心旋轉時，由于視覺暫留現象，快速投影在屏幕上的圖像切片在人眼中形成一幅擁有物理縱深的立體圖像。Perspecta系統的主要優點在于觀察者能從任意角度觀察，并能實時地放大或縮小顯示在屏幕上的圖像。

3.2真三維全息顯示技術

光學全息技術也稱作全息照相術。其物理原理基于光的干涉和衍射現象。首先，通過光的干涉方法將攜帶物體信息的光的波前“編碼”成干涉條紋記錄下來，然后利用光的衍射原理“解碼”再現與物體相關的信息。

4　發展展望

三維顯示是顯示技術發展的重要方向，2016年3月阿里巴巴宣布將計劃建全球最大3D商品庫，這表明三維顯示技術已經從傳統的影視、游戲、廣告等行業向互聯網行業進行延伸。目前，基于視覺效應發展的三維顯示技術在市場應用上相對成熟，頭盔顯示器、CAVE、裸眼立體顯示器等產品為人們提供了優質的視覺享受。真三維顯示技術還存在制作成本高、設備便攜式困難等問題，大部分仍處于實驗樣品階段。但可以預見的是，同時具備心理景深和物理景深的真三維顯示才是顯示技術發展的最終方向。我國在真三維顯示技術領域起步比較晚，相比于世界先進水平仍存在一定的差距。隨著國內科研水平穩步的提高，市場在三維顯示領域投入的增大，這些差距也將被逐漸縮小。

［1］雷玉堂.圖像顯示技術及其最新發展趨勢［J］.中國公共安全，2015（16）：38-47.

［2］寶青蘭.人類雙眼定位原理分析［J］.中國科技信息，2015（2）：24-25.

［3］王冬翠，王惠南.關于立體視覺與真三維立體顯示技術［J］.現代顯示，2009（9）：16-26，29.

Three-dimensional Display Technology Application Present Situation and Forecast

Chen HaoWang XiaoyingWang Ruina
（Xi'an Technological University，College of Science，Xi'an Shaanxi 710021）

Embarked from the retina image formation principle，the three dimensional image formation physiological foundation parallax principle was introduced，then the present common two kind of three-dimensional display technology were discussed.One kind is based on the parallax principle，using the light polarization，dichroism and so on achieved the three-dimensional display effect wears the type solid display technology and the open hole solid display technology，this kind of demonstration technology can provide certain psychological depth of field，has the good expressive force，but it has the big disparity with the real three-dimensional space body；Another kind is the three dimensional non-total information demonstration technology and the three dimensional total information demonstration technology，the technology content of this kind of demonstration technology is high，the image formation effect is good，will be the mainstream of future display technology research.

three-dimensional display technology；really three-dimensional display；parallax principle

TN873

A

1003-5168（2016）07-0054-02

2016-06-12

陳浩（1992-），男，碩士，研究方向：三維立體光學技術。