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裸眼3D立体显示技术原理详解

导读: 裸眼3D显示器被广泛应用于广告、传媒、示范教学、展览展示以及影视等各个不同领域。然而,观众不佩戴任何设备又是如何感知3D的呢?

  根据原理和光学结构的不同,裸眼3D显示技术主要有光屏障式(parallaxbarrier)、柱状透镜技术(lenticular arrays)以及集成成像技术(integral imaging)。

  下面简要介绍这几种技术。

  3.1 光屏障式技术

  夏普公司欧洲实验室的工程师们经过 10 年的研究,开发了光屏障式技术,基于该技术的自由立体显示可以在三维/二维模式间进行切换,凭借该技术夏普在2002 年底成功的向市场推出了自动立体器。如图 8 所示,光屏障式技术由高分子液晶层、 面板、开关液晶屏及偏振膜等组成,视差障壁是通过利用液晶层和偏振膜产生方向为 90°的一系列垂直条纹形成的,这些垂直条纹宽几十微米,当光通过时就形成了垂直的细条栅模式。

  视差障壁是该技术实现裸眼3D显示的关键所在,在3D显示模式下,安置在 LCD面板及背光模块间的视差障壁,实现了左眼和右眼分别接收到不同的视图,从而使观众感受到3D效果。

  优点:兼容现有的 LCD 液晶制造工艺,因而在成本和量产上较具优势。

  缺点:显示分辨率与视点数成反比,画面显示亮度较低。

  图 8 光屏障式技术示意图

  Fig. 8 Illustration of parallax barrier

  3.2 柱状透镜技术

  菲利普公司基于传统的微柱透镜方法对裸眼3D显示技术展开研究,其开发的裸眼3D是在液晶显示屏的前面加上一层微柱透镜,每个柱透镜下面的图像像素被分成 R、G、B 子像素,每个子像素通过透镜以不同的方向投影,观众便可从不同的方向观看到不同的视图,如图 9 所示。该技术的缺点是放大了像素间的距离,所以简单的叠加子像素是一种难以取得好的显示效果的做法,一种更好的方法是使一组子像素交叉排列,且让柱透镜与像素列呈一定的倾斜角度。

  优点:显示亮度高,3D沉浸感更好。

  缺点:与现有 LCD 液晶制造工艺不兼容,需要更高的成本。

  图 9 柱状透镜技术示意图

  Fig. 9 Illustration of lenticular lenses

  3.3 集成成像技术

  集成成像(最初被称为集成摄影)已有 100 多年的历史,集成成像使用一组球形、方形或六角形的透镜产生三维图像,它可以同时提供水平和垂直视差,属于真三维显示。最早提出集成成像显示技术的实时拍摄方法是 NHK(日本广播公司)科学与技术研究实验室。在拍摄采集步骤中,每个镜头或针孔将记录采集到的对象,这些对象被称为元素图像,大量小型和并列的元素图像将在透镜阵列后方的录制设备上成像,图 10 显示了集成成像采集和显示的原理。

  优点:属于真三维立体显示,在视角范围内可以提供近乎连续变化的视差。

  缺点:技术尚不成熟,图像显示分辨率低,视角较小。

  (a) 采集与显示原理

  (b) 采集与显示过程

  图 10 集成成像技术示意图

  Fig. 10 Illustration of integral imaging

  立体显示还包含多种实现方式,比如:全息技术(holographicdisplay technology)、裸眼3D投影技术、头部跟踪技术(head tracking technology)等。

  全息技术能实现真正的三维立体显示,观众可以在不同的角度裸眼观看影像,全息技术涉及复杂的光学技术,其显示的图像漂浮在空中,显示效果非常震撼。目前主要有全像式、透射式、反射式等全息显示技术,这些技术仍处于研究阶段。

  裸眼3D投影技术也称建筑3D立体投影,分为建筑外巨幅墙面投影和建筑内巨幅墙面投影两种,目前国外应用较多的巨幅墙面投影是建筑外巨幅墙面投影。巨幅墙面投影具有科技感浓郁、3D画面巨大、显示效果震撼,能够吸引社会中的不同人群驻足观看,具有非常高的关注度,因而在产品宣传、主题传播上可以获得很好的效果。

  头部跟踪技术可以在只提供单视点的条件下,实现具有运动视差的立体显示。

  在众多的自由立体显示系统中,基于光栅的 LCD 自由立体显示设备因其易于加工、多视点立体效果好,因而成为了市面上最早出现的裸眼立体显示器,包括任天堂公司的3DS,都采用了狭缝光栅式结构,对于显示器和电视机这种像素点距固定的设备,一般柱镜光栅不好匹配,因此使用狭缝可以有效的解决匹配问题。

  用于自由立体显示器的光栅可以分为三大类:狭缝光栅、棱柱镜光栅、点阵式光栅。其中,点阵式光栅很少见,本文方法主要基于狭缝光栅和棱柱镜光栅。