三維立體顯示技術(shù)

1、三維立體顯示技術(shù)三維立體顯示技術(shù)5123467立體視覺的形成立體視覺的形成 -Binocular parallax兩眼看到不同角度的圖像（stereoscope）；由腦部將兩眼的圖像融合，從而產(chǎn)生深度感；-Motion parallax當(dāng)觀察位置變化時(shí)，觀察到的圖像也會(huì)隨之變化；這也會(huì)形成深度感-Accommodation眼睛聚焦的程度也會(huì)影響顯示物體的深度眼睛聚焦的程度也會(huì)影響顯示物體的深度感。感。三維立體顯示技術(shù)的分類三維立體顯示技術(shù)的分類目前，三維立體顯示技術(shù)從顯示空間上劃分可分為兩類：1.二維平面 -通過平面屏幕顯示 三維空間物體 2. 三維空間 -在三維空間中模擬產(chǎn)生體像素點(diǎn)體三維顯

2、示體三維顯示立體顯示立體顯示(Stereoscopic Display)(Stereoscopic Display)自動(dòng)立體顯示自動(dòng)立體顯示 (Autostereoscopic Displays )集成圖像顯示集成圖像顯示 (Intergral Image)全息顯示全息顯示立體顯示技術(shù)(Stereoscopic Display)原理：通過立體眼鏡使左右 眼分別看到不同的圖像 立體眼鏡的種類：立體眼鏡的種類：Anaglyph 3D Glasses（紅綠眼鏡）（紅綠眼鏡）Polarized 3D Glasses（偏振眼鏡）（偏振眼鏡）Shutter 3D Glasses（液晶閃閉眼鏡）（液晶閃閉眼

3、鏡）HMD（頭盔式）（頭盔式）典型系統(tǒng)立體顯示技術(shù)(Stereoscopic Display) Geforce 3D Vision三維顯示系統(tǒng) n液晶閃閉式立體顯示系統(tǒng)；n 需要高幀頻顯示器（120HZ）與其配合使用;PLANAR公司SD2420W立體顯示器n分辨率:最高1920*1200；n單眼幀頻:75HZ；n特點(diǎn)：使用兩塊不同偏振方向的LCD顯示器，解決了單眼幀頻過低的問題。 美國陸軍航空與導(dǎo)彈司令部的緊湊型雙液晶偏振立體顯示系統(tǒng)立體顯示技術(shù)(Stereoscopic Display)典型系統(tǒng)n特點(diǎn)：在保留常規(guī)雙LCD偏振分光立體顯示系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)解決了體積過大，不能在惡劣環(huán)境使用的問題

4、。n需要佩戴額外的眼鏡；n一套系統(tǒng)無法做到多人同時(shí)觀察；n無法提供全部立體信息（如運(yùn)動(dòng)視差等）；n長時(shí)間使用有不適感；立體顯示技術(shù)(Stereoscopic Display)存在的問題返回自動(dòng)立體顯示原理 通過屏幕上的特殊光學(xué)結(jié)構(gòu)，使左右眼圖像分離，并投射到不同的空間上以實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示。自動(dòng)立體顯示典型系統(tǒng)PHILIPS公司屏前透鏡（parallax barrier）顯示系統(tǒng)DTI公司視差照明(Parallax Illumination)顯示系統(tǒng)自動(dòng)立體顯示典型系統(tǒng)SHARP公司視障（parallax barrier）顯示系統(tǒng)自動(dòng)立體顯示最新技術(shù)SANYO公司屏階梯柵（Step barrie

5、r）技術(shù)辛辛那提大學(xué)基于DMD的自動(dòng)立體顯示系統(tǒng) 自動(dòng)立體顯示最新技術(shù)劍橋大學(xué)橫向偏移時(shí)分復(fù)用多視角顯示系統(tǒng) 自動(dòng)立體顯示最新技術(shù)自動(dòng)立體顯示技術(shù)最新技術(shù) 劍橋大學(xué)橫向偏移時(shí)分復(fù)用多視角顯示系統(tǒng) 最新樣機(jī)n可50英寸顯示范圍n供兩位觀察者同時(shí)使用n圖像間隔角度為12自動(dòng)立體顯示技術(shù) 存在的問題n仍然是基于雙目視差原理的；n對(duì)觀察者頭部的位置和觀察角度有較嚴(yán)格的限制 ；n不能顯示或只能顯示很有限的運(yùn)動(dòng)視差圖片 ；n水平分辨率損失，畫面亮度較低 。n 更精確的深度圖；n區(qū)域移動(dòng)補(bǔ)點(diǎn)研究 ；n運(yùn)動(dòng)視差圖像的研究 ；n新型結(jié)構(gòu)和器件的研究 。研究方向返回集成顯示技術(shù)（Integral Imaging

6、） 集成顯示技術(shù)又稱全景顯示，于1908年由 Lippmann發(fā)明。 一種用微透鏡陣列來記錄和顯示全真三維場景的三維圖像技術(shù)。集成顯示技術(shù)發(fā)展過程集成顯示的深度反轉(zhuǎn)集成顯示的深度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象現(xiàn)象(pseudoscopic) 二次記錄法二次記錄法n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n解決深度反轉(zhuǎn)解決深度反轉(zhuǎn)(pseudoscopic )問題問題n缺點(diǎn)：圖像質(zhì)量大大下降，空間信缺點(diǎn)：圖像質(zhì)量大大下降，空間信息丟失息丟失集成顯示技術(shù)發(fā)展過程基于自校正傳輸屏技術(shù)基于自校正傳輸屏技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n只有一次記錄過程，圖像只有一次記錄過程，圖像損失?。粨p失?。籲不損失景深和深度信息不損失景深和深度信息漸變型多模光纖的集成顯示技術(shù)漸變

7、型多模光纖的集成顯示技術(shù)n優(yōu)點(diǎn)：子圖之間無重疊，再現(xiàn)圖像質(zhì)量高優(yōu)點(diǎn)：子圖之間無重疊，再現(xiàn)圖像質(zhì)量高。計(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)n原理：利用計(jì)算機(jī)模擬集成圖像的記錄過程，產(chǎn)生類似由光學(xué)儀原理：利用計(jì)算機(jī)模擬集成圖像的記錄過程，產(chǎn)生類似由光學(xué)儀器生成的集成顯示圖像器生成的集成顯示圖像 。n優(yōu)點(diǎn)：既克服了優(yōu)點(diǎn)：既克服了II成像系統(tǒng)本身存在的一些問題，又能對(duì)三維集成像系統(tǒng)本身存在的一些問題，又能對(duì)三維集成顯示圖像技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究成顯示圖像技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究 。計(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)發(fā)展過程n最早的最早的CGII系統(tǒng)系統(tǒng)由Chutjian于于1968年設(shè)計(jì)完成；年設(shè)計(jì)完成；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能產(chǎn)生高

8、質(zhì)量且視差連續(xù)的圖像 ，生成的圖像存在空白地帶 ，不能完成對(duì)三維集成顯示圖像的實(shí)時(shí)記錄 。計(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)發(fā)展過程時(shí)分多路復(fù)用集成顯示技術(shù) n原理：通過使記錄和顯示微透鏡陣列同步在水平方向振動(dòng) ，來增加對(duì)物空間的光線采樣, 從而提高圖像的分辨率。 n優(yōu)點(diǎn)：可有效的提高再現(xiàn)圖像質(zhì)量，增大視角。計(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)存在的問題及發(fā)展的方向 目前II技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化的水平。當(dāng)前限制該技術(shù)發(fā)展的因素主要集中在記錄再現(xiàn)設(shè)備、記錄場景有限的景深和視角范圍以及定位與速度幾個(gè)問題上。n視角問題：主要通過改變微透鏡的折射率和通過移動(dòng)微透鏡的位置 n生成速度以及定位問題 。返回計(jì)算全息三維顯示系統(tǒng)計(jì)算全

9、息三維顯示系統(tǒng)n Dennis Gabor在40年代提出全息照相，原理利用膠片同時(shí)記錄光的振幅及相位；1967 年Goodman 提出數(shù)字全息技術(shù) ， 后來，Thomas Kreis 等提出了實(shí)時(shí)數(shù)字全息，其核心思想就是用一個(gè)數(shù)字設(shè)備光學(xué)再現(xiàn)全息圖，來縮短全息操作時(shí)間 。n 優(yōu)點(diǎn)：真三維顯示，可提供全部深度信息；平面顯示，無運(yùn)動(dòng)部件。基于數(shù)字合成全息技術(shù)的三維顯示技術(shù)基于數(shù)字合成全息技術(shù)的三維顯示技術(shù) n 利用計(jì)算機(jī)圖形軟件,產(chǎn)生一系列帶有視差的二維圖像,并用電尋址的透射液晶屏以相干光圖像的形式顯示出來；n 將每一幅二維視差圖像在光致聚合物膠片上記錄一幅2mm 2mm 的反射式像素全息圖(Ho

10、gel) ；n 利用計(jì)算機(jī)控制的分步重復(fù)技術(shù),將上萬個(gè)“Hogels”排列成一個(gè)60cm 60cm的全息圖單元；n (4)將多個(gè)全息圖單元拼裝在一起,合成一幅大的全息圖。 美國的Zebra Imaging 公司的數(shù)字合成全息圖 基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù)基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù) n 世界上第一種真三維動(dòng)態(tài)全息顯示系統(tǒng) n 使用聲光調(diào)制器（AOM）n 顯示區(qū)域150*75*75mmn 單色顯示（紅色）n 幀頻2.5hz n 可視角度30MIT多媒體實(shí)驗(yàn)室的基于聲光調(diào)制器的全息三維顯示系統(tǒng)基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù)基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù) n 使

11、用數(shù)字微鏡（DMD）作為光調(diào)制器n 分辨率1024*768n 使用多層可控液晶(LC)片和糖脂凝膠(Gel tank)及霧化屏(Frosted Plate)作為顯示空間 美國Texas大學(xué)的基于DMD的全息三維顯示系統(tǒng)基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù)基于空間光調(diào)制器的數(shù)字全息三維顯示技術(shù) n 該系統(tǒng)采用了120個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行全息圖計(jì)算，并由電尋址空間光調(diào)制器( EA-SLM)分時(shí)地將子全息圖通過復(fù)制光組的開關(guān)和投射作用透射到光尋址空間光調(diào)制器(OA-SLM)上。n 該系統(tǒng)可以30Hz的刷新率再現(xiàn)大小為140mm 100mm的三維圖像。n 優(yōu)點(diǎn)是顯示效果較好,且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示,缺

12、點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴。英國Qinetiq公司的Active TilingTM(AT) 三維全息顯示系統(tǒng) 基于集成技術(shù)的數(shù)字全息三維顯示技術(shù)基于集成技術(shù)的數(shù)字全息三維顯示技術(shù) 漢城國立大學(xué)的基于集成技術(shù)的數(shù)字彩色三維全息顯示系統(tǒng) 三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù)三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù) 全息算法干涉理論和衍射理論是全息圖算法的理論依據(jù)。1.基于干涉理論2. 基于衍射理論層析法層析法菲涅耳波帶法菲涅耳波帶法多視角投影合成法多視角投影合成法 基于角譜理論的算法基于角譜理論的算法 三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù)三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù) 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括計(jì)算硬件系統(tǒng)及光調(diào)制器系統(tǒng)。各種分布式計(jì)算硬件

13、構(gòu)架的比較三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù)三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù) 硬件系統(tǒng)n Valve (GLV)；該調(diào)制器與DMD很相似與DMD不同點(diǎn)在于以衍射代替了DMD器件的反射。GLV的主要優(yōu)點(diǎn)有：n響應(yīng)速度快，在納秒級(jí)別；n由于沒有有介入損失，因此光學(xué)效率很高；n運(yùn)動(dòng)部件少，因此使用壽命長，抗沖擊；n衍射角度由制造工藝確定，因此穩(wěn)定性較好；n分辨率較高；成本較低；返回體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng)n 原理：通過在三維空間中的體像素（volex）來顯示三維物體。n 優(yōu)點(diǎn)：真三維顯示，可提供全部深度信息。數(shù)據(jù)率適中，系統(tǒng)簡單。體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng)的分類的分類目前，體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng)從顯示

14、空間的形成上劃分可分為兩類：1.掃描體三維顯示2. 靜態(tài)體三維顯示頻率上轉(zhuǎn)換靜態(tài)體三維顯示頻率上轉(zhuǎn)換靜態(tài)體三維顯示等離子靜態(tài)體三維顯示等離子靜態(tài)體三維顯示DEPTH CUBE系統(tǒng)系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體主動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體三維顯示三維顯示被動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體被動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體三維顯示三維顯示螺旋屏螺旋屏平面屏平面屏旋轉(zhuǎn)掃描體顯示系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，刷新速率快n 缺點(diǎn)：存在顯示死區(qū)及顯示的非均勻性，分辨率及彩色顯示受限。被動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體顯示系統(tǒng)Felix3D三維顯示系統(tǒng) n 可顯示物體的體像素?cái)?shù)目10k。被動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)掃描體顯示系統(tǒng)Perspecta 3d顯示器 n分辨率:768*768*192；n色

15、彩格式:24bit RGB;n旋轉(zhuǎn)屏轉(zhuǎn)速：730rad;n體像素?cái)?shù)：100M；n幀頻：2409FPS；n接口數(shù)據(jù)率：4.68GB;n顯示范圍：10英寸；n可視角度：360。靜態(tài)體三維顯示技術(shù)基于空間等離子體的三維顯示技術(shù) 靜態(tài)體三維顯示技術(shù)DepthCube三維顯示系統(tǒng) 體三維顯示系統(tǒng)最新進(jìn)展最新進(jìn)展 南加州大學(xué)研制的三維顯示系統(tǒng) 體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng) 南加州大學(xué)研制的三維顯示系統(tǒng)的 創(chuàng)新之處:n 使用與水平成45度的旋轉(zhuǎn)鏡來代替平面漫反射屏幕 。n 研制了基于DLP的幀頻可高達(dá)5000fps的超高速彩色投影機(jī)。n 使用了頭部跟蹤器，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水平與垂直方向的運(yùn)動(dòng)視差 。n 究了新

16、型的透視關(guān)系校正算法，從而使顯示垂直方向運(yùn)動(dòng)視差時(shí)的圖像畸變得到補(bǔ)償 。存在的問題：n 通過頭部跟蹤器無法為多個(gè)觀察者提供垂直視差 ；n 該系統(tǒng)使用單個(gè)投影儀進(jìn)行投影，限制了分辨與水平視差精度的進(jìn)一步提高 體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng)最新進(jìn)展最新進(jìn)展北京理工大學(xué)研制的三維顯示系統(tǒng) 體三維顯示系統(tǒng)體三維顯示系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展當(dāng)前發(fā)展北京理工大學(xué)研制的三維顯示系統(tǒng)的北京理工大學(xué)研制的三維顯示系統(tǒng)的 創(chuàng)新之處創(chuàng)新之處:n 使用多投影儀來解決投影儀幀頻和數(shù)據(jù)率的限制。n 使用同步照明系統(tǒng)了解決投影儀響應(yīng)速度及同步的問題優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：n 突破了分辨率、灰階和幀頻的相互制約瓶頸 ；n 采用數(shù)據(jù)并行傳輸技術(shù)，提升了三維圖像的體刷新率和分辨率，消除了數(shù)據(jù)接口I/O性能對(duì)系統(tǒng)的限制 返回三維立體顯示的未