關于3D顯示的研究與應用前景

王少典

（南京市金陵中學 江蘇 南京 210000）

1 引言

我們所生活的是一個三維的空間，人類大部分的經驗來自于對深度信息的感知。3D顯示由于其存在深度信息，所以能夠實現很多2D顯示所不具備的功能。而縱觀現如今大部分的電子產品，很多都還停留在2D顯示的水平上。這和以前的圖像處理技術的水平有關。隨著科技發展，圖像處理技術突飛猛進。目前的圖像處理硬件實現了微型化、高效化、和低發熱的特性。同時，各種3D顯示的光學方案層出不窮，為3D顯示技術的普及奠定了基礎。本文將會通過對3D顯示技術原理的研究，討論各種3D顯示方案的優缺點，并提出一定的改進意見。

2 3D顯示的基本原理

人腦之所以能感覺到三維立體圖像主要是由于外界物體的光從左右兩個不同角度進入人的兩只眼睛并且經過大腦對圖像的分析與合成才得以實現。這正是3D技術依賴的生物基礎。3D顯示技術的方法雖然有很多，但在原理上都是為了使人的兩只眼睛呈不同的像以實現3D效果。下面將按順序依次介紹分析幾種3D顯示技術。

2.1 色差式

原理：放映時兩個不同的放映機放出不同色彩（主要為紅藍色）的從兩個角度分別拍攝物體的畫面，人眼佩戴具有對應顏色鏡片的色差式眼鏡。因為相同色彩的鏡片只能通過相同色彩，所以可實現兩眼呈不同的像，達到在人腦中呈3D圖像的效果。

優缺點：色差式相比于其他3D顯示技術最大的優點就是成本低廉，這也正是為什么色差式眼鏡成為早期家庭3D體驗首選的原因。然而同時色差式技術也有著3D顯示技術最致命的弱點——圖像一定程度的缺失，由于只是單純的濾色使得這種技術更難保證對圖像原畫的呈現效果。其次，雖然輕便的設計緩解了一點對臉部的壓迫感，但紅藍色的配色也會使許多用戶出現不適的狀況。

2.2 偏光式

a.線偏振式

原理：光波是橫波，橫波具有偏振現象。運用只允許通過特定方向橫波的偏振片可以代替色差式眼鏡中濾色鏡片的作用。在拍攝立體圖像時就使用偏振片篩選出特定方向的光，如模擬左眼的攝像機前放置橫偏振片，另一臺攝像機放置垂直方向的偏振片，這樣在攝像時便可得到兩種不同的圖像。讓觀看者佩戴偏光式眼鏡。左眼佩戴與攝像機對應的橫偏振片鏡片，右眼也佩戴相應鏡片。放映時，相應的圖像信息只能通過相應的偏振鏡片進入相應的人眼，以此實現3D顯示。

優缺點：偏振光技術的應用不再需要紅藍等互補色的使用，因此偏振式眼鏡的色彩損失是很小的，同時偏振片本身接近透明，色彩校正也更為容易。其次，雖然偏振式眼鏡成本較色差式的昂貴一點，但相比于其他3D顯示技術成本還算較低，相對于色差式技術其又擁有更良好的影視體驗，更優秀的性價比。這也使其成為各大影院播放3D電影時的首選方案。然而早期的偏振技術只能單純的過濾縱向和橫向的偏振光，這對使用者的觀看姿勢要求很高，每當觀眾稍稍偏離一定角度，所看到的圖像就會異常。所以就有了對偏振式顯示技術的改良即圓偏振式技術。

表1 各項3D顯示技術的綜合對比

b.圓偏振式

原理：圓偏振式技術與線偏振式的原理大體上是一致的。不過這里的偏振光分別有規律地左旋和右旋，原先接受線偏振光的鏡片也被改造成接受圓偏振光的鏡片。

本技術與線偏振技術都是利用偏振光的特性以達到在人兩眼上呈現不同的像的效果。不同的是由于圓偏振式鏡片篩選掉的偏振光只與偏振光旋轉方向有關，不存在特定的偏振指向，這就允許觀眾觀看時不必保持頭部水平。但是，即使圓偏振技術的應用解決了偏振眼鏡的部分問題，偏振技術仍然有分辨率減半、亮度損失等缺點。可見偏振技術想要進一步占領市場還需要許多改進。

2.3 快門式

原理：根據人體的視覺暫留現象，通過提高畫面的刷新率也可以產生兩眼觀察到不同影像的效果。這項技術需要有一個顯示器以一定的速度輪流切換左右眼應看到的圖像，觀眾則需要佩戴特殊的快門式眼鏡，這種眼鏡也以同樣的速度輪流將某一鏡片變為黑屏，這樣可以讓左眼該看到的圖像只進入左眼，右眼的只進入右眼，以此達到兩眼“同時”收到不同的圖像，從而產生立體效果。當然這里的“同時”指的是時間極短，對于人眼來說視覺暫留可持續0.1s～0.4s，但要避免抖動感則要求每只眼睛看到的畫面刷新率達到60Hz，整個顯示器的刷新率要達到120Hz，且要保持與2d圖像播放時相同的幀數。

優缺點：對于顯示器要求不高，只需達到120Hz即可，同時特殊的時分設計使得每一幀圖像的分辨率不會受損。然而120Hz的頻率對于如今的液晶面板和驅動裝置等要求較高，能耗較大。尤其是快速的閃動對眼鏡的要求也很高，這就造成快門式眼鏡是幾款3D顯示技術眼鏡中最重的。且眼鏡有一半時間處于黑屏，圖像亮度也大打折扣。諸如此類的缺點使得快門式在市場中的地位漸漸下降。

3 關于偏光式和快門式3D顯示技術的改進方案

結合偏光式顯示技術和快門式3D顯示技術的優點，在此提出一個改進方案。即通過快門式3D顯示技術中顯示屏交替顯示不同偏振方向上的左右眼圖像，然后再搭配偏光式3D顯示技術里的圓偏振式眼鏡觀察圖像，以此達到3D立體成像的效果。

改進優點：由于是由顯示器交替顯示，因此可以彌補偏光式技術中包括不閃式3D顯示技術的分辨率減半的缺點。同時由于運用了只允許通過特定方向圓偏振光的偏振鏡片，其也擺脫了交替顯示圖像的時間間隔對于眼鏡的束縛，觀眾佩戴的眼鏡更輕，體驗也更好。

4 裸眼3D

原理：與其他3D顯示技術不同，裸眼3D 技術主要通過將不同的圖像直接投射到人的兩眼來實現立體成像。顯然，這一技術在拋棄了“通過眼鏡區別左右眼圖像”這一傳統概念后無疑對圖像定向投射的技術水平要求會更高。裸眼3D一般有3種方式，下面依次介紹分析。

a.液晶光柵

光柵由擋光的屏障和透光的裂縫兩部分組成，可以放在顯示屏前方或后方。顯示器輪流顯示右眼和左眼的圖像，利用光柵遮擋形成視差的效應，保證了兩只眼睛看到的圖像是不同的。借助視覺暫留現象便可達到立體成像效果。

優缺點：這項技術通過遮光的形式使圖像分離，簡單方便，可以輕松的將顯示模式在2D和3D之間轉換。但同時其固定的遮光裝置也使得觀眾所能擁有的觀察位置極為有限，交替顯示技術的應用對于液晶面板和驅動裝置要求也是較高的。

b.指向光源

即通過有指向的光源將圖像投入人眼中實現3D顯示。本技術搭配兩組LED和快速反應的LCD面板，借助顯示屏的交替顯示使圖像以序列方式進入人眼產生3D效果。對指向光源技術投入較大精力的是3M公司，目前本技術尚未成熟，仍處于研發階段。

c.柱狀透鏡

通過透鏡使光折射的特點讓不同的光射向不同的方位以此達到在兩眼中呈不同的像。由于透鏡的折射率一般是固定的，所以這項技術需要觀眾在特定的位置才能得到最合適的像。當然隨著技術的改進，運用光的幾何性質通過構建多視點的顯示場景，可以使這種顯示方式的可視范圍變大，以此甚至能達到多人同時裸眼觀看3D顯示屏的效果。同時柱狀透鏡也避免了交替顯示的弊端，且不會擋住光線，對硬件要求也沒有指向光源高，所以具有成本低、亮度高等優點。

5 全息投影

原理：在拍攝時其利用干涉原理記錄物體光波信息：物體在激光輻照下反射的物光束和參考光束疊加產生干涉，并在全息底片上產生干涉條紋，通過獨一無二的干涉條紋記錄物體的空間信息，形成全息照片。放映時利用衍射原理在相干激光照射下還原全息照片，并在透明成像膜所產生的空間中直接生成立體圖像。

優缺點與應用前景：不同于以上所有的3D顯示技術，全息投影技術并沒有把技術中心放在讓人的兩眼看見不同的圖像，而是著眼于對3D物體形狀、位置、色彩等要素的還原。正是由于這一特性使得全息投影技術所產生的視覺效果更為逼真，立體感極強。對于物體的高還原度也使得這項技術肩負著使3D顯示技術具有互動功能的使命。當然由于其全息圖復雜的形成方式，以及許多諸如無法在自由空間中成像等技術問題，全息投影技術短期內難以像其他3D顯示技術一樣大規模市場化。

6 結語

綜上所述，3D顯示技術正不斷地向立體感更強，觀看限制更少的方向發展。縱觀未來，3D顯示技術甚至會對醫療，教育等行業產生深遠影響。當然，3D顯示技術要想蛻變成嶄新的未來技術仍有很多路要走，現有的3D顯示技術仍存在著許多類似于分辨率減半、亮度損失、成本昂貴等問題亟待解決，還有譬如實現3D圖像在自由空間的顯示，實現3D圖像的互動功能等仍需要多方的共同努力。

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