關于全信息成像和layered3D顯示技術的研究

趙若時

摘 要：目前的主流顯示技術仍然是二維平面顯示，然而三維立體顯示已經日益發展普及。人們總是希望擁有更加直觀真實的顯示技術和視覺感受，在此需求的刺激之下，全息成像的思想應運而生。本課題首先對偽全息成像原理與技術進行研究。偽全息成像技術的固有問難和難點難以突破，難以真正逼近真實的全息顯示技術。從而，本課題進一步探索和研究MIT于2011年提出的分層三維顯示（Layered 3D）技術，將待呈現的四維光場進行斷層重構，以內部分層圖像的方式實現光場的計算顯示。

關鍵詞：顯示技術 渲染光場 MATLAB 偽全息成像 Layered 3D

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

全息技術的提出距今已經有大約半個世紀的歷史。這期間，人們不斷開發新的全息成像方式，不斷優化已有的手段，在不停的實踐中，各種全息成像技術的優勢和弊端漸漸顯露出來。我們對全息成像的原理和成果有很大的興趣。為什么會產生立體感，如何產生立體感，可以如何應用和改進，這些都是我們希望了解和研究的問題。我們從現有的Layered 3D入手，切入到全息成像的本質，同時嘗試著拓寬layered 3D的技術層面和應用層面。在此期間，我們還會對偽全息成像進行探索，嘗試運用此技術制作全息視頻。

我們的研究中，將會涉及Matlab、POV-Ray、全息膜成像等技術，這其中包括了我們并不熟悉的領域，需要慢慢了解和學習。我們從理論中尋找解決的方法，這些都是我們研究的理論意義。實踐是檢驗真理的唯一標準，從實踐中，我們能夠檢驗理論的合理性，并且做出改進和創新。比如渲染圖像的個數，光場空間坐標的確定，logo設計及合成的算法，分辨率的調整優化，強光下的顯示效果，數據傳輸延遲的解決，都是需要攻克的難題。而攻克的過程這是我們研究的意義所在。

1 研究方法及過程

首先，我們就偽3d成像（全息金字塔）進行了詳細具體的研究。其成像原理是在播放影像時，顯示器上的每個影像經過45°的折射后在棱錐里成一個正立等大的虛像，肉眼通過不同角度的觀察，可以看到物體不同的側面，從而給人立體的感覺。但全息膜成像技術不是真的全息，從接近側棱的位置觀察時，圖像會有明顯的錯位、重疊或割裂，而影響展示效果。我們首先還原了4面的金字塔，發現確實存在視角連續性差的問題。因此，我們嘗試將四面金字塔改造為了六面金字塔，從而解決這一問題。在改造過程中，我們利用mmd制作了相對應的片源。在制作片源的過程中我們發現，更多的面會使人物變小，而所需要使用的投影光源的投影范圍也需要更廣，才可以讓人物的像在大小不變的情況下投影出來。可以預見這一技術在商業、博物館等文化媒體領域的重要作用。

除此以外，我們還研究了layered3D顯示技術。這是一種在平面上利用計算機層析顯示出3D效果的圖像的技術。我們找到了該技術研發人員的研究論文和開源MATLAB代碼，學習了論文中所闡述的原理：先從多個只有微小角度差的視角拍攝出多張立體光場模型的圖片，再用其計算出的函數將圖片進行疊加與衰減，繪制出三或五張衰減層析圖，分別打印在菲林片上后疊在一起就顯示出了3D效果。我們學習了MATLAB軟件中的相關函數和基本操作方法，用開源代碼附帶的圖片復現了該技術。之后，我們學習了POV-Ray軟件的使用方式，渲染出了自己的光場，用clock等函數生成了自己的光場圖像，繼續使用MATLAB軟件進行斷層重構分解，將四維光場分解為五幅分層圖像，通過將每一層圖像在菲林片上打印，并用PVC板分隔支撐，構成了分層三維顯示的基本原型系統。這一技術將會在廣告和媒體的領域起到重要的革新作用。

2 研究結果分析與討論

我們最終將Layer3D打印出來，實際觀察到了該技術的實物效果，雖然囿于硬件限制只有單色效果，但還是能看出明顯的3D效果。偽全息方面最終實現了4面和6面金字塔的影像投放。相比4面金字塔，6面金字塔的影像要更小，但更加清晰。

3 結論與展望

3.1 主要結論

3d成像技術還有很多的發展空間。這個發展空間更多的建立在硬件的基礎上。清晰度更高的圖像，更大的現實源都可以讓3d成像變得更加清晰，成熟。我們發現可以用更大的投影屏使得其角度更加圓潤自如，增加映像數目可以提高清晰度。但其中無法顯示背景，投影不清晰的問題依然存在，而其所花費的材料和時間都已經大大縮短。隨著3d技術的進一步發展，這些都是可解決的問題。

3.2 研究存在的不足及展望

偽3d成像技術對精度有十分高的要求。清晰度越高，容差值越小。在理論上，只要有足夠大的顯示屏和清晰的片源，就可以呈現出栩栩如生的影像。而layer3d計算復雜，建模相對來說困難，但只要有模型，制作成本相對較低，在廣告上可以一展身手，等到技術成熟，就可以輕松應用。

偽全息技術被空間的限制很大。如果要投出一個3米高清晰的人像，往往需要500立方米甚至更大的空間。而且四周光線對此技術影響也很大。如果外部光線過于明亮，金字塔內部的影像會變得模糊不清，目前只能在相對黑暗的環境下進行投放。

Layer3d生成的圖像并不復雜，但是計算量十分的大。Matlab的程序設計上還可以更加簡潔。而且其中有要求實物拍照，需要25個攝像頭來拍照。我們認為這個問題可以通過建模或者廣場渲染來解決。雖然最后的材料成本不高，但是之前準備工作過于繁雜，設備成本高。

簡而言之，3d成像技術對人們的生活將會有越來越大的影響。在如今的生活中，動漫，電影都在逐漸向3d轉形。這一技術有著很好的發展前景和商業機會。也許有一天，電影里那種相隔萬里也可以投下自己身影的技術，真的會實現。

參考文獻

[1] 青島大學物理科學學院11級光信息科學技術，淺談全息技術及3d全息投影技術的簡單應用.

[2] 百度百科.

[3] 李明.激光全息技術的發展及應用趨勢研究.激光雜志，2005.

[4] 王典民.激光全息照相技術[M].吉林科學技術出版.1993：2-8.