三维显示技术应用现状及展望

陈　浩　王晓颖　王瑞娜

（西安工业大学理学院，陕西　西安　710021）

三维显示技术应用现状及展望

陈浩王晓颖王瑞娜

（西安工业大学理学院，陕西西安710021）

从视网膜成像原理出发，介绍三维成像的生理基础视差原理，进而探讨目前常见的两类三维显示技术。一类是基于视差原理，利用光的偏振性、分色性等达到三维显示效果的佩戴式立体显示技术和裸眼立体显示技术，这类显示技术能提供一定心理景深，拥有良好的表现力，但与真实的三维空间体仍有较大的差距；另一类是三维非全息显示技术和三维全息显示技术，此类显示技术的技术含量高，成像效果较好，将是未来显示技术研究的主流。

三维显示技术；真三维显示；视差原理

在现代社会中，显示技术的进步是人类在追求更自然、更逼真的影像品质，这也说明人类在追求更真实的视觉享受［1］。三维立体显示技术（3D Volumetric display technology）正是基于这一理念而诞生的技术。

1　视差原理

视觉立体感立足于视差原理，双目视差原理表现为：相邻放置的2个立方体，靠左眼的一面涂色，靠右眼的一面不涂色；单眼观看物体时，左眼看到的是该立方体有色一面并排放置，右眼看到的是该立方体无色一面并排放置。即左右眼观察到的图像有细微的差别，最后经过大脑的综合得以还原出立体图像［2］。左右眼单眼观看物体产生偏差的原因在于人类双眼瞳孔间距大概为63mm，从不同的角度接收到的景象会有所不同，导致左右眼在视网膜上所呈的像也会有差别。这种两眼中观察到的图像轻微不同的现象称为双目视差。经实验证明，其可以产生视觉立体感。此外，视觉深度感也是立体感的来源之一［3］。

2　基于视差原理的三维显示技术

2.1佩戴式立体显示

目前，佩戴式立体显示常见的为眼镜式3D显示技术，根据成像原理可分为偏光式技术、图像分色技术、图像分时技术。

2.1.1偏光式技术。偏光式技术目前在3D电影院中较为常见，其原理是利用光的偏振性使人左右眼接收到互不干涉的不同图像，从而达到立体效果。电影放映时，将两条略带水平视差的画面分别装入2台放映机中，并在放映镜头前分别放置2个偏振轴互成90°的偏振镜。2台放映机同时将画面投放在银幕上。观众戴上特制的偏光眼镜，由于左、右2片偏光镜的偏振轴互相垂直，致使观众的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，经大脑综合产生三维立体的视觉效果。线偏振眼镜对佩戴者要求较高，必须使眼镜保持在水平状态，偏离水平状态则导致左右眼看到明显的重影，影响立体效果。

2.1.2图像分时技术。图像分时技术又被称作快门式3D显示技术。以美国NVIDIA公司的3D VISION眼镜为例。眼镜片实质上是可以分别控制开/关的2片液晶屏。显示器输出左眼图像时，左眼镜片为透光状态，右眼不透光；显示器输出右眼图像时，右眼镜片透光而左眼不透光。以这种方式频繁地切换使双眼分别获得有细微差别的图像，经过大脑综合生成一幅3D立体图像。在整个显示过程中，显示器要以非常高的频率轮换地传送左右眼图像，同时3D Vision眼镜也以同样高的速度开关左右眼的液晶屏，让人眼看到不同画面。这要求显示器和眼镜有较高的刷新速度。一般最少要达到120Hz以上，较低的刷新率会导致使用者产生头痛、恶心等不良反应。这种3D显示技术的优点在于3D显示效果优异；缺点是眼镜造价高，不易于保养。

2.2裸眼立体显示技术

裸眼3D显示的原理一般是通过光栅或透镜将显示器显示的图像进行分光，从而使人眼接收到不同的图像，继而达到3D显示效果。这项技术借助于技术处理后的二维显示屏幕，其突出优势在于观察者并不需要佩戴眼镜等额外装置。2002年美国DTI公司推出38.1cm裸眼立体LCD，开始将裸眼立体显示技术应用于市场。2004年，日本三洋公司提出四视角立体显示装置，有效地解决了显示图像比例变形的问题。2006年，菲利普公司推出了其新式的以柱状透镜为基础的裸眼3D立体显示技术。如今，裸眼3D显示器被广泛应用于广告、传媒、示范教学、展览展示及影视等各个不同领域。

前文所述的三维显示技术都必须借助电子屏幕实现其效果，而显示屏幕只能展示二维平面，无法真实再现出场景的深度。由于其原理是基于人眼的视差原理，只能提供心理景深，固然拥有不错的表现力，但与真实的三维空间还是有较大的差距。

3　真三维显示技术

真三维显示图像的每一个像素都有一个确定的三维坐标（x，y，z），在真实空间中有一个真实点与这个像素点对应。每一个三维像素点的色彩和亮度都可以控制，从而保证真实世界中物体的每一个点在3D显示系统中成像的准确性和可调性。通过这种技术所成的像不但有视觉层次感，还具有现实的深度。真三维显示可分为全息三维显示技术和非全息三维显示技术。

3.1真三维非全息显示技术

真三维非全息显示技术比较典型的应用是Perspecta系统和DepthCube系统。Perspecta系统是由美国Sctuality Systems设计与制造的扫描式3D显示系统。工作时，系统自带的3D模型引擎通过计算将图像分成198幅剖面图，每幅图的尺寸在798×798像素。这些图像被光学投影器件投影到屏幕的合适位置，观察者就能看到一幅幅的“图像切片”。当投影器件与屏幕一起以600rpm的速度绕基座轴心旋转时，由于视觉暂留现象，快速投影在屏幕上的图像切片在人眼中形成一幅拥有物理纵深的立体图像。Perspecta系统的主要优点在于观察者能从任意角度观察，并能实时地放大或缩小显示在屏幕上的图像。

3.2真三维全息显示技术

光学全息技术也称作全息照相术。其物理原理基于光的干涉和衍射现象。首先，通过光的干涉方法将携带物体信息的光的波前“编码”成干涉条纹记录下来，然后利用光的衍射原理“解码”再现与物体相关的信息。

4　发展展望

三维显示是显示技术发展的重要方向，2016年3月阿里巴巴宣布将计划建全球最大3D商品库，这表明三维显示技术已经从传统的影视、游戏、广告等行业向互联网行业进行延伸。目前，基于视觉效应发展的三维显示技术在市场应用上相对成熟，头盔显示器、CAVE、裸眼立体显示器等产品为人们提供了优质的视觉享受。真三维显示技术还存在制作成本高、设备便携式困难等问题，大部分仍处于实验样品阶段。但可以预见的是，同时具备心理景深和物理景深的真三维显示才是显示技术发展的最终方向。我国在真三维显示技术领域起步比较晚，相比于世界先进水平仍存在一定的差距。随着国内科研水平稳步的提高，市场在三维显示领域投入的增大，这些差距也将被逐渐缩小。

［1］雷玉堂.图像显示技术及其最新发展趋势［J］.中国公共安全，2015（16）：38-47.

［2］宝青兰.人类双眼定位原理分析［J］.中国科技信息，2015（2）：24-25.

［3］王冬翠，王惠南.关于立体视觉与真三维立体显示技术［J］.现代显示，2009（9）：16-26，29.

Three-dimensional Display Technology Application Present Situation and Forecast

Chen HaoWang XiaoyingWang Ruina
（Xi'an Technological University，College of Science，Xi'an Shaanxi 710021）

Embarked from the retina image formation principle，the three dimensional image formation physiological foundation parallax principle was introduced，then the present common two kind of three-dimensional display technology were discussed.One kind is based on the parallax principle，using the light polarization，dichroism and so on achieved the three-dimensional display effect wears the type solid display technology and the open hole solid display technology，this kind of demonstration technology can provide certain psychological depth of field，has the good expressive force，but it has the big disparity with the real three-dimensional space body；Another kind is the three dimensional non-total information demonstration technology and the three dimensional total information demonstration technology，the technology content of this kind of demonstration technology is high，the image formation effect is good，will be the mainstream of future display technology research.

three-dimensional display technology；really three-dimensional display；parallax principle

TN873

A

1003-5168（2016）07-0054-02

2016-06-12

陈浩（1992-），男，硕士，研究方向：三维立体光学技术。