三維顯示的技術(shù)

1、三維顯示技術(shù)摘要：平面三維顯示技術(shù)是近年來(lái)最新出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù),其最大的特點(diǎn)是觀察者無(wú)需使用任何輔助附加設(shè)備,直接用肉眼就可看到屏幕上顯示的三維圖像。為推進(jìn)三維顯示技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)一步研究了視差立體成像原理，本文主要簡(jiǎn)單介紹了3,艮鏡的分類及偏振眼鏡立體式電影的原理。正文：三維顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一,同時(shí)也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本要求。在信息時(shí)代,三維顯示技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛,并且對(duì)其它科學(xué)技術(shù)的研究有著極大促進(jìn)作用的應(yīng)用技術(shù)。隨著三維顯示在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及它對(duì)人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)的極大便利,三維顯示技術(shù)已成為當(dāng)前世界上顯示技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。各國(guó)、各科研機(jī)構(gòu)都投入了大量的人

2、力和物力進(jìn)行了深入探索和研究,使三維顯示技術(shù)得到了日新月異的發(fā)展。美國(guó)、日本等許多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)三維顯示技術(shù)的研究工作開(kāi)展較早,取得了許多突破性的進(jìn)展并有相應(yīng)的產(chǎn)品或原型機(jī)發(fā)布;而我國(guó)對(duì)于三維顯示技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)還處于初始階段,對(duì)三維顯示的研究只是限于在現(xiàn)有原理的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。由于大多數(shù)三維顯示設(shè)備價(jià)格都比較昂貴,所以開(kāi)發(fā)若干結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的三維顯示系統(tǒng)并使其為大眾所接受和應(yīng)用是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的最終目的。三維顯示分為全息三維顯示和非全息三維顯示兩種。全息三維顯示由于計(jì)算量過(guò)大以及當(dāng)前技術(shù)的限制,適用于靜態(tài)圖像的攝取和顯示；非全息障柵三維顯示由于具有易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),為當(dāng)今廣泛采用的三維顯示

3、技術(shù)。視差立體成像原理人眼的立體感能將視場(chǎng)(即眼睛所觀看到的景物區(qū)域)中的物體區(qū)別出遠(yuǎn)近,通常把左右兩眼所獲得的不同圖像分別稱作左圖像和右圖像。在顯示技術(shù)中,如果同時(shí)在屏幕上顯示出左圖像和右圖像,又利用一定的裝置使得左眼只能看到左圖像,右眼只能看到右圖像,那么,經(jīng)大腦融合就能還原成立體圖像。如圖1，圖中A1、A2分別是同一物點(diǎn)A在屏幕上所顯示的左圖像點(diǎn)與右圖像點(diǎn)；B1、B2分別是同一物點(diǎn)B在屏幕上所顯示的左圖像點(diǎn)與右圖像點(diǎn)。如果左眼只能看到A1、B1,右眼只能看到A2、B2,則在人的大腦里就可以反映出A點(diǎn)和B點(diǎn)的深度信息。圖像點(diǎn)A成像于屏幕之后，稱之為“后方圖像"；圖像點(diǎn)B成像于屏幕

4、之前,稱之為“前方圖像”。設(shè)人兩眼之間的距離為x,人眼與屏幕的距離為L(zhǎng),A1、A2兩點(diǎn)之間距離為SA,B1、B2兩點(diǎn)之間距離為SB。則后方圖像A點(diǎn)距屏幕的深度為:D=SAx-SAL,(1)同理,前方圖像B點(diǎn)距屏幕的深度為:D=SBxSBL。全息記錄是利用干涉原理,將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來(lái),使物光波前的全部信息都貯存下來(lái)1以R(x,y)表示參考光,O(x,y)表示物光,則記錄的總光強(qiáng)為I(x,y)=|O(x,y)+R(x,y)|2(1)利用全息衍射再現(xiàn)的原理,用計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)數(shù)字全息圖1數(shù)字計(jì)算產(chǎn)生照明波前C(x,y)1由衍射原理可知,全息圖平面的透射波場(chǎng)U(x,y)為照明波

5、前與衍射屏(全息圖)振幅透射率的乘積,即U(x,y)=C(x,y)I(x,y)=C|R|2+C|O|2+CF3O+CRO(2)透射波前U(x,y)中的第四項(xiàng)包含了原物光的共軛信息,如果再現(xiàn)光C(x,y)=3(x,y),可以再現(xiàn)得到與原物體一致的實(shí)像1在O3(x,y)傳播的光場(chǎng)區(qū)域,選取一系列與全息圖平行的平面,并計(jì)算其二維光場(chǎng)分布1通過(guò)研究各個(gè)平面光強(qiáng)分布的規(guī)律找出三維像點(diǎn)的位置和亮度數(shù)據(jù)1設(shè)某一選擇平面PE刀，離全息圖的距離為d,在菲涅耳近似情況下，再現(xiàn)共鈍物光波波前Uid(已，刀)的計(jì)算表達(dá)式如式(3)Uid(2，刀)=AkC3(x,y)exp-i2兀入d(xE+yr)-expi兀入d(x

6、2+y2)expi兀入d(22+刀2)dxdy=Aexpin入d(22+t2)kC3(x,y)expi兀入d(x2+y2)-exp-i2兀入d(xS+yr)dxdy(3)03(x,y)可以表示成會(huì)聚于不同點(diǎn)(工l,ril,dl)處球面波的疊加,會(huì)聚點(diǎn)即為像點(diǎn)1即在數(shù)學(xué)上03(x,y)可以表示成03(x,y)=6IBlexp-i兀入dl(x2+y2)-exp-i兀入dl(E2I+刀2I)expi2兀入dl(xSI+yriI)(4)式中Bl表示會(huì)聚于(tj,yl,dl)處的像點(diǎn)的亮度1于是式(3)可表本為Uid(E,刀)=Aexpin入d(22+刀2)k6IBl-exp-i兀入dl(E2l+x2l

7、)exp-i兀入dl(x2+y2)-expi兀入d(x2+y2)expi2兀入dl(xSl+y刀l)exp-i2兀入d(xE+y刀)dxdy(5)因?yàn)楣鈴?qiáng)分布為|Uid(S,刀)|2,顯然,對(duì)于dl=d的會(huì)聚點(diǎn)，積分結(jié)果為S函數(shù)，即為像點(diǎn)1而dl不等于d的會(huì)聚點(diǎn),在選擇平面上則形成彌散斑1。3D眼鏡的分類偏光原理，人的視覺(jué)之所以能分辨遠(yuǎn)近，是靠?jī)芍谎劬Φ牟罹?。人的兩眼分開(kāi)約5公分，兩只眼睛除了瞄準(zhǔn)正前方以外，看任何一樣?xùn)|西，兩眼的角度都不會(huì)相同。雖然差距很小，但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里，腦子就用這微小的差距，產(chǎn)生遠(yuǎn)近的深度，從而產(chǎn)生立體感。一只眼睛雖然能看到物體，但對(duì)物體遠(yuǎn)近的距離卻不易分辨。根據(jù)這

8、一原理，如果把同一景像，用兩只眼睛視角的差距制造出兩個(gè)影像，然后讓兩只眼睛一邊一個(gè)，各看到自己一邊的影像，透過(guò)視網(wǎng)膜就可以使大腦產(chǎn)生景深的立體感了。我們稱其為“偏光原理”。3D眼鏡的分類有三種，一是時(shí)分式，二是被動(dòng)偏光式，三是主動(dòng)快門(mén)式。首先介紹一下時(shí)分式。色差式3D技術(shù)，英文為Anaglyphic3D,配合使用的是被動(dòng)式紅-藍(lán)(或者紅-綠、紅-青)濾色3D眼鏡。色差式又稱互補(bǔ)色，大家常見(jiàn)紅藍(lán)，紅綠等有色鏡片類的都是色差式的3D眼鏡。色差式可以稱為分色立體成像技術(shù)，是用兩臺(tái)不同視角上拍攝的影像分別以兩種不同的顏色印制在同一副畫(huà)面中。用肉眼觀看的話會(huì)呈現(xiàn)模糊的重影圖像，只有通過(guò)對(duì)應(yīng)的紅藍(lán)等立體眼

9、鏡才可以看到立體效果，就是對(duì)色彩進(jìn)行紅色和藍(lán)色的過(guò)濾，形成視差，此時(shí)兩只眼睛看到的不同影像在大腦中重迭就會(huì)呈現(xiàn)出3D立體效果。但是這種眼鏡的立體效果是最次的，畫(huà)面質(zhì)量也最差。其次是被動(dòng)偏振式。偏光式3D技術(shù)也叫偏振式3D技術(shù)，英文為Polarization3D，配合使用的是被動(dòng)式偏光眼鏡。偏光式3D眼鏡可以分為圓偏振式3D眼鏡和線偏式3D眼鏡兩種，圓偏振式的效果比線偏振式的更好，更真實(shí)。主要原理是立體感產(chǎn)生的主要原因是左右眼看到的畫(huà)面不同，拍攝立體圖像時(shí)就是用2個(gè)鏡頭一左一右。然后左邊鏡頭的影像經(jīng)過(guò)一個(gè)橫偏振片過(guò)濾，得到橫偏振光，右邊鏡頭的影像經(jīng)過(guò)一個(gè)縱偏振片過(guò)濾，得到縱偏振光。立體眼鏡的左眼

10、和右眼分別裝上橫偏振片和縱偏振片，橫偏振光只能通過(guò)橫偏振片，縱偏振光只能通過(guò)縱偏振片。在偏振式3D眼鏡中運(yùn)用的是光的偏振。所以以下簡(jiǎn)單地介紹一下光的偏振，光的偏振我們?cè)诖蠖r(shí)就已經(jīng)學(xué)過(guò)了，我們知道光是一種橫波，所以會(huì)發(fā)生偏振，橫波的振動(dòng)矢量垂直于波的傳播方向振動(dòng)，振動(dòng)矢量偏于某個(gè)特定方向的現(xiàn)象叫偏振；縱波只能沿著波的傳播方向振動(dòng)，所以不可能有偏振。自然光是沿各個(gè)方向振動(dòng)的光。自然光通過(guò)偏振片（叫做起偏器）之后，只有振動(dòng)方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通過(guò)。也就是說(shuō)，通過(guò)第一個(gè)偏振片的光波，在垂直于傳播方向的平面上，只沿著一個(gè)特定的方向振動(dòng)。這種光叫做偏振光?？扉T(mén)式3D眼鏡，快門(mén)式可以為家庭

11、用戶提供高品質(zhì)的3D顯示效果，這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要一付主動(dòng)式LCD快門(mén)眼鏡，交替左眼和右眼看到的圖象以至于你的大腦將兩幅圖像融合成一體來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生了單幅圖像的3D深度感。快門(mén)式3D眼鏡原理圖根據(jù)人眼對(duì)影像頻率的刷新時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)提高畫(huà)面的快速刷新率（至少要達(dá)到120Hz）左眼和右眼各60Hz的快速刷新圖象才會(huì)讓人對(duì)圖象不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)感，并且保持與2D視像相同的幀數(shù)，觀眾的兩只眼睛看到快速切換的不同畫(huà)面，并且在大腦中產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，便觀看到立體影像?？扉T(mén)式3D眼鏡原理圖根據(jù)人眼對(duì)影像頻率的刷新時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)提高畫(huà)面的快速刷新率（至少要達(dá)到120Hz）左眼和右眼各60Hz的快速刷新圖象才會(huì)讓人對(duì)

12、圖象不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)感，并且保持與2D視像相同的幀數(shù)，觀眾的兩只眼睛看到快速切換的不同畫(huà)面，并且在大腦中產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，便觀看到立體影像。運(yùn)用最廣泛的是被動(dòng)偏振式3D眼鏡。因其攜帶方便，造價(jià)低廉而備受親睞。偏振3,艮鏡如圖2,熒幕左右圖像交錯(cuò)排列,熒幕前方放微偏振片陣列,它的作用相當(dāng)于起偏器;把熒幕左右的圖像分為與偏振方向垂直的兩組像素,觀眾通過(guò)佩戴偏振片眼鏡,左右眼分別接收左圖像和右圖像,以形成立體顯示效果,這就是偏振眼鏡式立體電影的原理。這種方法缺點(diǎn)在于必須佩戴偏振片眼鏡，不過(guò)作為已經(jīng)成熟的技術(shù)，至今仍在3M影院廣泛應(yīng)用。偏振眼鏡立體顯示圖3偏振眼鏡立體顯示示意圖如圖所示，就是一個(gè)偏振片立體顯示系統(tǒng)

13、，它主要由分別帶有偏振片1和偏振片2的兩個(gè)投影機(jī)組成。觀看者戴上由偏振片3和偏振片4組成的立體眼鏡，并使偏振片1和偏振片2的透射軸方向相互垂直，偏振片2和偏振片4的透射軸方向一致，偏振片1和偏振片3的透射軸方向也一致,這樣觀看者的左右眼睛就能各自看到具有水平視差左右視差圖,通過(guò)大腦融合就可看到立體圖像。偏振眼鏡成像的質(zhì)量與立體串?dāng)_度有關(guān)。立體串?dāng)_度。在圖3的偏振眼鏡立體顯示系統(tǒng)中,為了研究偏振片對(duì)立體圖像性能的影響,提出了立體串繞擾度概念。在理想情況下,左眼接收的左視差圖為主透圖像,接收的右視差圖為次透圖像,右眼也類似,則立體串?dāng)_度泌次透圖像亮度Bs與主透圖像亮度Bm的比值，即C=Bs/Bm(

14、1)公式中的C直能夠反映左右眼圖像的串?dāng)_程度，是立體圖像質(zhì)量的重要評(píng)定參數(shù)。當(dāng)C>0.1時(shí)，立體圖像質(zhì)量較差；當(dāng)C<0.1時(shí),立體圖像質(zhì)量良好；當(dāng)C=0寸,立體圖像質(zhì)量最佳。立體串?dāng)_度的影響因素。1、立體串?dāng)_度與偏振片旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。在圖3所示的偏振眼鏡立體顯示系統(tǒng)中,若觀看者轉(zhuǎn)動(dòng)頭部,偏振片3和4的透射軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)左眼除接收左視差圖外,還接收到右視差圖,右眼情況類似,即發(fā)生了左右視差圖的串?dāng)_,立體圖像性能變差。投影機(jī)的偏振片1和2發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)際情況也是如此。設(shè)圖1中任意一片偏振片的透射軸的旋轉(zhuǎn)角度為8，根據(jù)馬呂斯定理，主透圖像的透過(guò)率為0.5cos2(0),次透圖像的透過(guò)率為

15、0.5cos2(90°-0)，由式(2)得到系統(tǒng)的立體串?dāng)_度CW偏振片旋轉(zhuǎn)角度0的關(guān)系為：(2)根據(jù)式(2)可得到如圖2所示的立體串?dāng)_度CW偏振片旋轉(zhuǎn)角度9之間的關(guān)系曲線。圖4立體串?dāng)_度與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系由圖4可知，隨著偏振片旋轉(zhuǎn)角度的增加，立體串?dāng)_度從0增加到無(wú)窮大。減小偏振片的旋轉(zhuǎn)角度9就能夠改善偏振眼鏡立體顯示性能。若立體串?dāng)_度C>1,次透圖像的亮度大于或者等于主透圖像的亮度，則左右眼圖像融合出偽立體或者無(wú)法融合。當(dāng)立體串?dāng)_度C<0.1時(shí)，表明偏振眼鏡立體顯示性能良好，此時(shí)偏振片的旋轉(zhuǎn)角度0<17.8°。2、立體串?dāng)_度與偏振片的偏振度的關(guān)系。設(shè)兩片相同的偏振片平行組合的透過(guò)率為T(mén)0,垂直組合的透過(guò)率為T(mén)90,則偏振片的偏振度V為：( 3)圖3中，主透圖像的透過(guò)率等于P0,次透圖像的透過(guò)率等于P90,由式(1)和式(3)可知，立體串?dāng)_度C與偏振片的偏振度V的關(guān)系為：( 4)根據(jù)式(4)可得到如圖3所示的立體串?dāng)_度CW偏振片偏振度V之間的關(guān)系曲線圖3立體串?dāng)_度與偏振度的關(guān)系由圖3可以看出，偏振片的偏振度越接近1時(shí)，立體串?dāng)_度越小，直至消除。增大偏振片的偏振度例能夠改善偏振眼鏡立體顯示的立體圖像質(zhì)量。立體串?dāng)_度C<