倒金字塔状裸眼3D显示器的制作与思考

潘俊捷，欧阳浩艺，崔佳琪，郭奕东，张俊明，林泽铭，刘勇（通讯作者）

（华南农业大学电子工程学院，广东广州，510642）

0 引言

现如今，3D电影比比皆是，但是问题是这些影视作品都需要佩戴3D眼镜进行观看，近视的观众则需要在近视眼镜的基础上再佩戴上3D眼镜来观看，这是一种非常不好的体验。另外，VR技术也有不错的发展，其带有同样的特点—需额外佩戴特殊眼镜使用，再者，由于VR眼镜是直接屏幕投射影像，长期佩戴使用会对人眼视力和精神上都有一定的伤害[1-2]。

在众多的3D方案中，有一种方案使用了较为古老的舞台表演艺术作为基础来设计，其原理非常简单，制作起来也很方便。其形状类似一个倒立的金字塔，每个半透射半反射面通过反射特制的视频来达到3D效果。

1 原理分析

■1.1 佩珀尔幻象历史

这种倒金字塔状裸眼3D显示器使用的原理非常简单，其名字为佩珀尔幻象（Pepper’s ghost），这是一种古老的表演艺术，在16世纪就有人提出了这种幻象表演方式，并且这种表演方式一直沿用至今。

■1.2 倒金字塔状显示器原理

图1 佩珀尔幻象原理图

这种倒金字塔状的显示模型要求每一面与视频源的夹角为45°[3]，如图1所示，这样视频源发出的光线便会通过镜面反射进入人眼，又因为其组成为半透射半反射的透明材料，所以在反射面后面的光线也会进入观察者眼睛，通过人眼的“视觉欺骗”让人脑产生视频内容就在这个空间存在的错觉，从而产生立体感。

■1.3 模型制作

我们利用PVC塑料板材制作了四面的显示模型。我们将不同厚度的PVC板材（分别为1mm厚与2mm厚）通过勾刀切割成对应尺寸的等腰梯形，并使用热熔胶将四个面粘连在一起组成一个削了头的金字塔，如图2所示。其中，对于四面模型，假设在视频源中部留白区域取一个小于该留白区域的边长为a的正方形，并且该正方形距离显示视频源的屏幕边缘最近处的距离为len，那么经过计算，每一等腰梯形的短边长为a，长边长为a+2len，高为2len。

另外，为了能够测试出实际显示效果，我们自行上网查找了现成的视频源，视频源样式如图3所示。

图2 四面金字塔模型实物图

图3 四面模型的视频源截图

■1.4 在体验中存在的问题

我们根据要求制作出这样的四面金字塔模型，为了观察影响视觉效果的因素，还选择了1mm和2mm两种不同厚度。实际效果图如图4所示。在体验中，我们发现这种四面体显示方案存在一些问题。即在厚度为2mm的显示方案上会出现重影现象，在较靠近面面交界处会出现图像横向压缩的现象，在正对边界处会出现两个像的现象。由于模型是手工粘连，所以出现了两个像的显示高度不一致的现象。出现重影表示板材厚度过厚，光线经过折射再经内部反射，然后再折射出来的光线与一次反射的光线的位移偏差已经达到人眼的分辨率，所以能清晰分辨出重影。如图5所示。图像出现横向压缩是由于过分偏离最佳视觉角度即平视且正对该模型的正方形底面的一条边。由于这种3D技术并不是真正的全息，而是一种视觉错误，且根据佩珀尔幻象原理，我们看到的像其实就是等于将水平放置的视频源通过反射后的虚像，而这个虚像是平面的，垂直的，所以我们从侧方观察时，图像自然会发生横向压缩。在边界处出现双像显示的情况是由于我们人眼同时看到了由两个面反射而来的光线。

图4 四面金字塔模型图（左图为1mm，右图为2mm板制作）

图5 图像显示原理及重影出现原理

2 拓展制作

综合以上问题，我们决定通过增加反射面的方法来试图改善观看体验。我们选择制造6面和8面这两种“异形”金字塔来进行尝试，并且利用PowerPoint软件和GIF动图制作同步播放的视频源。同样地，我们依然采用了1mm和2mm的板材进行制作，并且通过计算每个面的大小尺寸以保证每个面与视频源的夹角为45°。效果图如图6和图7所示。自制的视频源截图如图8所示。

图6 六面金字塔模型图（左图为1mm 右图为2mm）

图7 八面金字塔模型图（左图为1mm 右图为2mm）

图8 六、八面视频源截图

3 结果分析

无论在六面还是八面的显示方案中，因为板材厚度而发生的重影现象并不能消除，因为这种现象的产生原因与显示方案无关，只与板材厚度有关，所以在所有实验中，我们可以清晰地发现1mm板材显示画面更加纯净清晰。

六面和八面的显示方案较四面的对图像的横向压缩问题有了改善，但是因为面数的增加，在一面的正视角处能看到相邻两面，从而导致了很容易会看到相邻两面的反射图像。六面和八面方案之所以能够改善四面方案的图像横向压缩的问题是因为面数的增多使得我们更快地到达面面交接处，使得我们可以偏移的角度变小。这样，我们就会在到达图像开始出现严重压缩的角度之前提前到达面面交接，从而迫使我们切换下一个观察面观察。而对于面面交界处的双像问题，依然存在。

经过增加面数，我们发现八面显示方案出现了一个严重的问题，就是仅在少数角度观察，才能避免看到其他面的反射图像。总体来说，六面的显示方案比八面的显示方案要好。

4 结束语

实验结果表明，这种简易的3D显示设备并不是真正意义上的全息，严格来说它是一种为全息投影，其原理是利用佩珀尔幻象使得人眼产生错觉，误认为图像出现在三维空间中。而佩珀尔幻象只是一个简单的光学反射原理，搭配制作原材料的半透射半反射特性，后面的光线会透过显示装置与反射图像一起进入人眼。对显示面数目的扩增使得图像横向压缩变得不容易发生，但是同时其他面的反射图像也更容易投射进人眼干扰观察，在八面显示方案中更为严重。理论上可以将其做成斜面角度为45°的圆锥形装置，然后感应观察者所在方位，将变形后的图像在相应的角度显示出来，这样便能实现360°的显示，而且不会出现图像横向压缩和看到其他面反射图像的问题，这需要高灵敏度的传感器和高速的图像运算芯片支持。

最后，感谢国家大学生创新训练项目的支持。