数字幻影裸眼3D投影技术

刘书戬

中国科学技术大学(合肥 230026)

数字幻影裸眼3D投影技术是一项新型裸眼3D技术。与传统3D技术不同，它高度还原一个物体本身应该发出的光线。在成像特点这一方面，与全息投影技术类似，不是以“两场”的传统3D技术的形式存在。“两场”就是让左眼看到一个像，让右眼看到一个像，这两个像相互独立，左眼看不到右眼该看到的，同时右眼也看不到左眼该看到的。数字幻影要做到的不仅是让两眼看到的东西不一样，而且不同的位置看到的东西都是不一样的。不仅让人摆脱了眼镜的限制，而且它所呈现的东西更真实，相比全息3D技术它成像位置的自由度更大。

真实世界是三维立体的，人的双眼观察到的是两幅不同的画面，大脑经过对画面信息进行叠加融合，构成一个具有前一后、左一右、上一下、远一近等立体方向效果的画面，便产生了三维立体感觉[1]。

数字幻影裸眼3D技术利用人眼的视觉暂留的特点和视差以扫描的形式把一个3D像分时地呈现，以高度还原这个像原本应该发出的光。还原这个像的立体特点，给人以几乎绝对的真实感。

1 数字幻影裸眼3D技术原理

1.1 单个点的发光特点及成像处理方法

处理一个像之前我们先处理好一个像点的发光。单个点的发光是向四面八方的，在这里，我们先只处理大致指向一个方向的光线(如图1所示)。当这个点上没有光源时我们很难同时处理这些光线，但是我们可以将这些光线分时地处理。将呈现它的一帧分成若干时间片分别处理这些光线(如图2所示)。在时间片1时处理光线1，时间片2时处理光线2，以此类推。这样在一帧内就还原了单个点的发光。

图1 点光源的发光

图2 单个点成像处理

1.2 对1.1中的方法的具体实现方法

这里用两个屏幕来处理，前面的屏幕为屏幕a，这是一个专门用于筛选的屏幕，和液晶屏幕的液晶部分的作用一样。后面的屏幕为屏幕b，这是一个普通的发光用的屏幕。这两个屏幕拉开一定的距离。

对于一个点的发光，我们先假设这个点在这两个屏幕的中间，把这个虚拟的点的发光进行还原，将呈现这个点的一帧分时地分开，在时间片1时，屏幕a的1号像素透光，由像点的位置来计算屏幕b的哪一个像素透光；时间片2时，屏幕a的2号像素透光，然后由像点的位置计算屏幕b的哪一个像素透光，以此类推(如图3)。

1.3 对一个像的成像处理

对1.2提出的做法，我们没有必要且没有条件去一个像点一个像点的呈现一个像。在1.2中，处理一个点的发光时，屏a的某一个像素透光时，屏b只有一个像素相响应，但是这样未免有一些浪费。所以在处理一个像的时候，我们可以这样处理：在屏a某一个像素透光时，屏b整个屏幕都有所响应。这样，仍然将一帧的像分时地呈现，在时间片1时，屏幕a的1号像素透光，由整个像计算出整个屏幕b的显示内容，以此类推(如图4)。这样就做到了整个像的成像。

图3 具体的成像处理 图4一个像的处理

2 数字幻影裸眼3D投影技术显示能力的优势与局限

2.1 相比传统裸眼3D技术的优势

数字幻影裸眼3D投影技术的优势相比传统3D技术有一个明显优势就是让人们摆脱了眼镜。另外，这里不得不提到传统3D的一个不可回避的问题。2010年《阿凡达》有2D，3D和IMAX-3D三种版本，在给观众带来震撼的视觉享受的同时，也有很多观众反映，观看3D版本时发生了头晕，恶心等症状。这些症状产生的根本原因在于，目前各大院线使用的是偏光式3D技术或快门式3D技术。这两种技术的共同特征是观看者必须佩戴3D眼镜，左右镜片通过快速开关分别实现左右眼分别观看自己的图像。这种方式属于强制性的对人眼的屈光状态进行修正，如果人眼长期处于不正常的状态，势必造成头晕，恶心等症状[2]。然而，数字幻影裸眼3D投影技术的高度还原像的特征的这一特点使它投影出的像高度真实化。而不是对人眼的屈光进行强行修正，也就不会造成头晕，恶心等症状。

2.2 相比全息3D技术的优势

数字幻影裸眼3D投影技术可以把像成在屏幕前方，屏幕里和屏幕后方，甚至在屏幕后方很远的地方。而全息3D技术只能将像成在十分有限的区域。也就是在成像自由度上数字幻影投影技术远超过全息3D技术。

2.3 相比全息3D技术的劣势

全息3D技术所成的像相当于在空间中直接创造出一个实物的模拟，理论上可以估到全方位都能看到它所要成的像。而数字幻影裸眼3D技术只能做到一个角度范围内的成像

3 数字幻影裸眼3D的硬件需求的计算

以1 024*768的a屏幕为例，我们要求b屏幕要比a屏幕大一点，以1 200×800为例。颜色以真彩色为标准(24位色)。下面进行它对硬件的要求的计算：

3.1 每一帧的信息量

b屏幕的一帧对应于a屏幕的对一个点的扫描，而b屏幕的一帧的数据量为1 200×800×24=23 040 000约为23Mbit。而a屏幕扫描完一个周期才是一个像的一帧，而扫描的点数为1 024×768=786 432，总数据量为786 432×32 040 000=18 119 393 280 000约为18.1Tbit的数据量。而这仅为一帧的数据量，而要投入正常使用则每秒至少要24帧。而这数据量是灾难性的，短期的计算技术不可能达到这惊人的要求。

3.2 对屏幕b的要求：

b屏幕的每秒的帧数相当于a屏幕每秒要扫描的次数，以a屏幕每秒24帧为例，则b屏幕需要每秒显示的帧数为24×1 024×768=18 874 368约18.9M帧/秒。这同时也是灾难性的，现在还没有任何一个日常用的屏幕能达到如此之快的帧数要求。

4 针对3中的两个“灾难性需求”的缓解方法构想

3中提到的两个硬指标的技术限制使得这项技术可能要等到以后技术足以满足这“灾难性需求”才能使这项技术得以发展。但我们可以将其用一些方法来降低这些需求，使其“不那么灾难性”。

4.1 缩减视角构想

可以通过牺牲屏幕的有效视角换取可观的数据量的减少。在前面，我们用的方法是a的一次扫描对于b就是一帧，而b的一帧是一整个的屏幕都亮起来(图5)。但是，过大的视角是基本上没有人看的。很容易想象，没人会站得过高并俯视屏幕，或者坐得过偏来看屏幕。所以大可以把这些人们非常难用到的刁角度忽略掉。

这里我们假设a的一次扫描b只相应a对应的点附近的一个椭圆，而不是全屏亮(图6)。这样就大大缩小了数据量，我们假设这个椭圆的长轴200像素，短轴100像素。这样b的数据量就是pi×100×50=15 705而这样一帧的数据量就下降到了786 432×15 705×24=296 421 949 440bit大约37GB。可见，虽然数据量依然不乐观，但比18.1Tbit要缓解了很多。目前的显卡的计算技术可以达到每秒进行T次的浮点计算，对于37GB每帧的计算量依照目前的显卡来说是可以完成的。

图5 未经任何处理简化 图6经过处理简化

4.2 多点同时扫描构想

4.1 中提出了缩减视角，这样如果依然a屏幕以逐点扫描的方式处理的话，那么b屏幕大部分时间地暗的。我们可以利用这些被浪费的暗的部分。我们可以令a屏幕多点同时进行扫描，这些点对应的b屏幕的区域不得有重叠，这样，最大化利用b屏幕以减少a屏幕的扫描周期(如图7)。我们将a屏幕分成若干块，如果按照4.1中的200和100的长轴和短轴，a屏幕分成的块的像素尺寸为200×100，则a屏幕只需要扫描200×100次就完成了一帧的扫描，这样对b屏幕的硬件需求就大大减小了。b屏幕只需要每秒200×100×24=480 000帧即可。虽然数字仍然不乐观，但相比18.9M帧/秒已经大大缓解，甚至现有的技术已经能够达到这个数字。

4.3 多列同时扫描构想

可以基于一个假设来进行更进一步的简化。假设人两个眼睛永远是水平的，可以进行多列同时扫描的操作。扫描的每一个时间片，对于前面的屏幕A是若干个列在同时扫描，而后面的屏幕B只需要计算不考虑人眼的高低变化的数据量，这就意味着A屏幕的一个点对应着B屏幕的一个很短的单行的点(如图8)。这样比4.2中的方法节约了更多的数据量的计算，同时对屏幕B的能力要求下降得更低。但这样做的代价就是当人眼上下移动时，看到的像也会随之上下移动。

5 像素限制的解决设想

5.1 应用化的像素限制：

3和4 中的计算可以说由于计算量太大顶级的配置兴许能做到实时显示，但对于次一级的配置来说，只能预先准备好要显示的内容。但我们可以能过减少像素的方式来先实现一个低像素的屏幕(比如200*300)，实际上，很多的裸眼3D技术(例如视差屏障)都采用牺牲像素来实现裸眼3D效果的方法。

图7 多点同时扫描 图8多列同时扫描

5.2 像素限制造成的问题

一量降低了像素，那么就会造成一个尴尬问题。像素的限制直接制约了屏幕a的一个像素的扫描从那个点放出的光线的密度，如果密度过小，而人眼的位置正好的话，则会出现相邻的两条光线分别照在了人眼瞳孔的左边和右边。造成了这个眼睛对这一像素什么都看不见的现象。

5.3 像素限制问题的解决办法

可以通过一些手段去将一个离散的发光点阵换为一个连续的发光体。这样就不存在关于光线密度有限导致的问题了。

很容易想象，一个光源前面比较近的位置放置一张纸，那张纸上会显现出一个中心比较强，而边上比较弱的图像。而我们可能能过这个原理将离散的像素点扩散成为一个连续的图像。这需要一个特制的膜，这个膜的特征要求一个像素的发光能通过某种特殊的方式扩散，但只能扩散到一个像素。这样，在非像素存在的点位的光强就由与之相除的四个像素点决定了，这样就会使整个屏幕的发光连续，而且光线的变化比较缓和，可以说是填充了若干的实际不存在的像素点。以此来使得屏幕发出的光连续，而避免5.2中所提到的问题。当然这也可以用于现在的显示技术，让显示器呈现的图像更加细腻。

[1]王永，孙可，孙士祥.3D显示技术的现状及发展[J],现代显示,2012,(2).

[2]刘妍秀.3D显示技术的原理及应用[J],长春大学计算机科学技术学院,2011,23,(12).