今生到来世——三维立体显示技术发展概况
穿戴式立体显示
穿戴式立体显示包括助视式立体显示技术与头盔式显示技术。助视式立体显示技术是指需要佩戴辅助眼镜才可以观看3D的显示方式，它利用双目视差的原理为人脑带来立体感。根据助视式立体设备分光原理的不同，我们可以将其分为分色3D显示、偏振光3D显示和快门3D显示三种，这三种显示方式分别对应了图6中的三种不同立体眼镜。
图6 分色、偏振光和快门立体眼镜
基于分色原理的3D显示是将立体眼镜的两个镜片分别制作为两种互补色，将具有双目视差的一对立体图像对以相应的互补色共同显示。通过分色3D眼镜的滤光作用，观看者可以观察到3D图像。分色眼镜的种类有很多，包括红/青互补色、品红/绿互补色和青/黄互补色等。分色3D显示的优点是制作成本低廉、使用方便。缺点是由于眼镜对光线有过滤作用，使得颜色失真严重，极大的降低了观看质量，因此该技术无法广泛商用。
在电影院中偏振光3D显示系统通常由一块投影幕，两个偏振投影机组成。两个投影机分别向投影幕上投出具有不同偏振光的左右视差图像，通过投影屏幕的漫反射作用，偏振光的方向不会发生改变。观看者通过佩戴对应的偏光眼镜可以保证右眼观察到右视差图像，左眼观察到左视差图像，从而形成正确的立体感。偏振光3D显示技术目前已有广泛的应用，包括影院、家庭和娱乐场所等。它的优点是没有色彩失真，主要缺点是偏振光通过偏振眼镜时亮度会有所下降。
快门3D显示设备可以将左右视差图像以极高的刷新频率交替显示，快门眼镜可以配合显示设备的刷新频率控制左右眼镜片的透光与遮光状态，从而为观看者提供舒适的3D效果。快门3D显示的优点是效果好，缺点是快门眼镜价格相对昂贵。
头盔式3D显示技术是将显示设备集成在头戴设备上，并通过波导或者透镜将3D图像呈现在眼前。根据应用的不同我们可以将其分为增强现实显示与虚拟现实显示两种。增强现实显示是指可以将3D信息与真实场景相互融合的显示技术，代表设备是谷歌眼镜，如图7(a)所示。虚拟现实显示是指可以让观看者完全沉浸在虚拟3D场景中的显示技术，代表设备是Oculus的虚拟现实头盔，如图7(b)所示。
图7增强现实眼镜与虚拟现实头盔
全息显示
全息显示是一种可以还原真实三维空间场景的显示技术，它最早是在1948年由英籍匈牙利科学家D.Gabor提出，由于当时光源的相干性较差，使得全息技术的发展受到了巨大的阻碍。直到激光诞生后，Upatnieks和Leithehe提出了离轴全息图制作方法，使得全息技术有了突破性的进展。全息技术由拍摄与再现两个实验环节组成。在拍摄过程中，利用光的干涉原理在记录介质表面以干涉条纹的形式记录下物场信息，如图8(a)所示。再现过程中，利用光的衍射原理将还原光照射在干涉条纹表面重建原始物场，如图8(b)所示。目前全息显示技术已经广泛应用于产品展示、商标防伪、干涉测量等领域。
图8 全息技术的基本原理图(a)记录过程(b)再现过程
图9 斑马公司的全息照片
美国Univ.of Arizona研究小组在可更新的动态三维全息方面进行了探索性的研究。该小组在2008年2月采用photore fractive-polymer作为全新的全息记录材料，利用数码全息打印技术，在几分钟内完成一张4in×4in数码全息图的制作。该全息图可以保存数个小时，当再次采用同样流程写入新的图像时，原始全息图将被更新。通过进一步的研究，该小组在2010年实现了记录时间为2s，视角数目为16个的单色立体内容的远距离传输。由于大尺寸的全息照片制作过程复杂，工艺条件苛刻，而且动态效果实现困难，所以全息技术在3D显示方面的应用受到了极大的束缚。
体3D显示
体3D显示技术是通过在空间中显示真实的体像素点的方式来实现3D效果的，它可以让多名观看者从不同角度获得同一个3D物体不同侧面的信息。体3D显示技术同时兼顾了人眼的辐辏与调节特性，因此不会给观看者带来视觉疲劳感。根据成像原理的不同，体3D显示技术可以分为静态体三维显示与动态扫描体三维显示两种，如图10所示。
静态体三维显示的代表产品是LightSpace公司推出的DepthCube3D显示器，如图10(a)所示。它是由一个高速投影仪与多平面光学元件组成。多平面的光学元件内包含了20片液晶散射屏，每片散射屏之间有一定的距离。高速投影机将一系列的2D图像投影到这20片液晶散射屏上，通过控制投影机与散射屏之间的同步，可以使得不同深度的屏幕上显示不同的2D图像切片。利用人眼的视觉暂留效应，观看者便可以感受到真实的3D效果。这种技术的优点是没有高速旋转装置，系统结构稳定，无噪声。但是由于液晶散射屏的数目有限，且液晶散射屏之间存在间隙，所以该系统的体像素间隔很大，这将导致静态体三维显示系统的空间分辨率低下，影响立体感的连续性。
动态扫描体三维显示的代表产品是美国Actuality Systems公司在2002年推出的Perspecta 3D立体显示器屏，如图10(b)所示。Perspecta 3D立体显示器实现了实时的3D数据传输与显示，并且具有相应的应用操作接口，目前这套系统在医学图像分析领域已经进行了商品化的推广。该立体显示器是由分辨率为1024768的高速投影仪与旋转屏组成。在该系统中，首先计算机将3D模型分解为198个切片(这些切片可以构成一个完整的球面)，然后通过控制投影内容与旋转屏的转动同步，利用人眼视觉暂留效应形成完整的3D图像。该系统的体像素数目超过一亿个，并且具有360°的观看范围与180°的俯仰观看视角。
图10 体显示设备(a)DepthCube 3D显示器(b)Perspecta 3D显示器
体三维显示技术的显示景深受到设备尺寸的限制，不能任意调整。此外，体三维显示技术只能构建体像素点的空间位置，无法控制空间点的发光方向，因此由该技术显示的3D物体之间没有遮挡关系，这会导致再现的内容呈现出透明的视觉效果。目前利用体三维显示技术实现复杂的3D场景仍然比较困难，该技术尚处于发展与探索阶段。
光栅立体显示
光栅立体显示技术包括：狭缝光栅立体显示与柱透镜光栅立体显示。
基于狭缝光栅的裸眼3D显示设备结构如图2所示，它由2D液晶显示器与狭缝光栅两部分组成。通过在2D显示器上加载多个视点的图像编码信息，可以让不同的视差图像在空间中不同位置处成像，从而实现裸眼3D的显示效果。3D显示中的狭缝光栅可以看作是由透光条与遮光条交替排列共同组成的。为了实现高效的分光作用，遮光条通常为黑色，因此狭缝光栅也通常被称为黑光栅。狭缝光栅可以通过在玻璃上间隔印刷的方式实现，所以相对于其他裸眼立体显示的光学器件，狭缝光栅的设计原理简单且制作成本低廉。
图11 狭缝光栅裸眼立体显示器结构示意图
通过设计狭缝光栅透光条与遮光条的宽度、控制2D液晶显示器与狭缝光栅之间的距离，可以实现对裸眼3D显示设备观看距离与视点间距等参数的控制，从而满足观看者正确观看立体视差图像的需求。
基于柱透镜光栅的裸眼3D显示设备结构如图4所示，它由2D液晶显示器与柱透镜光栅两部分组成。其显示原理与狭缝光栅立体显示器类似，都是通过在2D显示面板上编码不同角度的视差图像实现立体。柱透镜光栅是由许多结构相同的柱面透镜平行排列而成。由于柱面透镜通常采用透明介质材料制作，因此在调制编码2D图像时对光线不会有遮挡作用。相比于狭缝光栅，基于柱透镜光栅的裸眼3D显示具有亮度高的优点。
图12 柱透镜光栅裸眼立体显示器结构示意图
现阶段柱透镜光栅立体显示器已经在全世界范围内得到广泛推广，具有代表性的公司包括欧洲的飞利浦公司和StreamTV公司、韩国的三星公司以及美国DTI公司等。随着国内硬件水平的发展与加工工艺的提高，本土的众多厂商如超多维，易维视，卓美华视等公司也纷纷加入到光栅立体显示器的研发与生产中来。图13是易维视公司为不同场合设计的不同尺寸立体显示设备。
图13 不同尺寸的光栅立体显示设备(a)85寸立体广告机(b)55寸家用立体电视(c)10寸立体平板
上面就是3D显示的前世今生，未来的3D技术还会有更进一步的发展和应用。时代在发展，科技在进步，让我们期待3D技术给人们带来更多的新视觉、新体验!
作者：于迅博
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