倒金字塔狀裸眼3D顯示器的制作與思考

潘俊捷，歐陽(yáng)浩藝，崔佳琪，郭奕東，張俊明，林澤銘，劉勇（通訊作者）

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣東廣州，510642）

0 引言

現(xiàn)如今，3D電影比比皆是，但是問(wèn)題是這些影視作品都需要佩戴3D眼鏡進(jìn)行觀看，近視的觀眾則需要在近視眼鏡的基礎(chǔ)上再佩戴上3D眼鏡來(lái)觀看，這是一種非常不好的體驗(yàn)。另外，VR技術(shù)也有不錯(cuò)的發(fā)展，其帶有同樣的特點(diǎn)—需額外佩戴特殊眼鏡使用，再者，由于VR眼鏡是直接屏幕投射影像，長(zhǎng)期佩戴使用會(huì)對(duì)人眼視力和精神上都有一定的傷害[1-2]。

在眾多的3D方案中，有一種方案使用了較為古老的舞臺(tái)表演藝術(shù)作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)，其原理非常簡(jiǎn)單，制作起來(lái)也很方便。其形狀類似一個(gè)倒立的金字塔，每個(gè)半透射半反射面通過(guò)反射特制的視頻來(lái)達(dá)到3D效果。

1 原理分析

■1.1 佩珀?duì)柣孟髿v史

這種倒金字塔狀裸眼3D顯示器使用的原理非常簡(jiǎn)單，其名字為佩珀?duì)柣孟螅≒epper’s ghost），這是一種古老的表演藝術(shù)，在16世紀(jì)就有人提出了這種幻象表演方式，并且這種表演方式一直沿用至今。

■1.2 倒金字塔狀顯示器原理

圖1 佩珀?duì)柣孟笤韴D

這種倒金字塔狀的顯示模型要求每一面與視頻源的夾角為45°[3]，如圖1所示，這樣視頻源發(fā)出的光線便會(huì)通過(guò)鏡面反射進(jìn)入人眼，又因?yàn)槠浣M成為半透射半反射的透明材料，所以在反射面后面的光線也會(huì)進(jìn)入觀察者眼睛，通過(guò)人眼的“視覺(jué)欺騙”讓人腦產(chǎn)生視頻內(nèi)容就在這個(gè)空間存在的錯(cuò)覺(jué)，從而產(chǎn)生立體感。

■1.3 模型制作

我們利用PVC塑料板材制作了四面的顯示模型。我們將不同厚度的PVC板材（分別為1mm厚與2mm厚）通過(guò)勾刀切割成對(duì)應(yīng)尺寸的等腰梯形，并使用熱熔膠將四個(gè)面粘連在一起組成一個(gè)削了頭的金字塔，如圖2所示。其中，對(duì)于四面模型，假設(shè)在視頻源中部留白區(qū)域取一個(gè)小于該留白區(qū)域的邊長(zhǎng)為a的正方形，并且該正方形距離顯示視頻源的屏幕邊緣最近處的距離為len，那么經(jīng)過(guò)計(jì)算，每一等腰梯形的短邊長(zhǎng)為a，長(zhǎng)邊長(zhǎng)為a+2len，高為2len。

另外，為了能夠測(cè)試出實(shí)際顯示效果，我們自行上網(wǎng)查找了現(xiàn)成的視頻源，視頻源樣式如圖3所示。

圖2 四面金字塔模型實(shí)物圖

圖3 四面模型的視頻源截圖

■1.4 在體驗(yàn)中存在的問(wèn)題

我們根據(jù)要求制作出這樣的四面金字塔模型，為了觀察影響視覺(jué)效果的因素，還選擇了1mm和2mm兩種不同厚度。實(shí)際效果圖如圖4所示。在體驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)這種四面體顯示方案存在一些問(wèn)題。即在厚度為2mm的顯示方案上會(huì)出現(xiàn)重影現(xiàn)象，在較靠近面面交界處會(huì)出現(xiàn)圖像橫向壓縮的現(xiàn)象，在正對(duì)邊界處會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)像的現(xiàn)象。由于模型是手工粘連，所以出現(xiàn)了兩個(gè)像的顯示高度不一致的現(xiàn)象。出現(xiàn)重影表示板材厚度過(guò)厚，光線經(jīng)過(guò)折射再經(jīng)內(nèi)部反射，然后再折射出來(lái)的光線與一次反射的光線的位移偏差已經(jīng)達(dá)到人眼的分辨率，所以能清晰分辨出重影。如圖5所示。圖像出現(xiàn)橫向壓縮是由于過(guò)分偏離最佳視覺(jué)角度即平視且正對(duì)該模型的正方形底面的一條邊。由于這種3D技術(shù)并不是真正的全息，而是一種視覺(jué)錯(cuò)誤，且根據(jù)佩珀?duì)柣孟笤恚覀兛吹降南衿鋵?shí)就是等于將水平放置的視頻源通過(guò)反射后的虛像，而這個(gè)虛像是平面的，垂直的，所以我們從側(cè)方觀察時(shí)，圖像自然會(huì)發(fā)生橫向壓縮。在邊界處出現(xiàn)雙像顯示的情況是由于我們?nèi)搜弁瑫r(shí)看到了由兩個(gè)面反射而來(lái)的光線。

圖4 四面金字塔模型圖（左圖為1mm，右圖為2mm板制作）

圖5 圖像顯示原理及重影出現(xiàn)原理

2 拓展制作

綜合以上問(wèn)題，我們決定通過(guò)增加反射面的方法來(lái)試圖改善觀看體驗(yàn)。我們選擇制造6面和8面這兩種“異形”金字塔來(lái)進(jìn)行嘗試，并且利用PowerPoint軟件和GIF動(dòng)圖制作同步播放的視頻源。同樣地，我們依然采用了1mm和2mm的板材進(jìn)行制作，并且通過(guò)計(jì)算每個(gè)面的大小尺寸以保證每個(gè)面與視頻源的夾角為45°。效果圖如圖6和圖7所示。自制的視頻源截圖如圖8所示。

圖6 六面金字塔模型圖（左圖為1mm 右圖為2mm）

圖7 八面金字塔模型圖（左圖為1mm 右圖為2mm）

圖8 六、八面視頻源截圖

3 結(jié)果分析

無(wú)論在六面還是八面的顯示方案中，因?yàn)榘宀暮穸榷l(fā)生的重影現(xiàn)象并不能消除，因?yàn)檫@種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因與顯示方案無(wú)關(guān)，只與板材厚度有關(guān)，所以在所有實(shí)驗(yàn)中，我們可以清晰地發(fā)現(xiàn)1mm板材顯示畫(huà)面更加純凈清晰。

六面和八面的顯示方案較四面的對(duì)圖像的橫向壓縮問(wèn)題有了改善，但是因?yàn)槊鏀?shù)的增加，在一面的正視角處能看到相鄰兩面，從而導(dǎo)致了很容易會(huì)看到相鄰兩面的反射圖像。六面和八面方案之所以能夠改善四面方案的圖像橫向壓縮的問(wèn)題是因?yàn)槊鏀?shù)的增多使得我們更快地到達(dá)面面交接處，使得我們可以偏移的角度變小。這樣，我們就會(huì)在到達(dá)圖像開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重壓縮的角度之前提前到達(dá)面面交接，從而迫使我們切換下一個(gè)觀察面觀察。而對(duì)于面面交界處的雙像問(wèn)題，依然存在。

經(jīng)過(guò)增加面數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)八面顯示方案出現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，就是僅在少數(shù)角度觀察，才能避免看到其他面的反射圖像。總體來(lái)說(shuō)，六面的顯示方案比八面的顯示方案要好。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種簡(jiǎn)易的3D顯示設(shè)備并不是真正意義上的全息，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它是一種為全息投影，其原理是利用佩珀?duì)柣孟笫沟萌搜郛a(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，誤認(rèn)為圖像出現(xiàn)在三維空間中。而佩珀?duì)柣孟笾皇且粋€(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)反射原理，搭配制作原材料的半透射半反射特性，后面的光線會(huì)透過(guò)顯示裝置與反射圖像一起進(jìn)入人眼。對(duì)顯示面數(shù)目的擴(kuò)增使得圖像橫向壓縮變得不容易發(fā)生，但是同時(shí)其他面的反射圖像也更容易投射進(jìn)人眼干擾觀察，在八面顯示方案中更為嚴(yán)重。理論上可以將其做成斜面角度為45°的圓錐形裝置，然后感應(yīng)觀察者所在方位，將變形后的圖像在相應(yīng)的角度顯示出來(lái)，這樣便能實(shí)現(xiàn)360°的顯示，而且不會(huì)出現(xiàn)圖像橫向壓縮和看到其他面反射圖像的問(wèn)題，這需要高靈敏度的傳感器和高速的圖像運(yùn)算芯片支持。

最后，感謝國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的支持。