一、引言

    眾所周知，現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)立體空間，由于物體都存在三維尺寸和空間位置關(guān)系，因此只有立體顯示器才能夠真實(shí)的重現(xiàn)客觀世界的景象，即表現(xiàn)出圖像的深度感、層次感、真實(shí)感以及圖像的現(xiàn)實(shí)分布狀況。

二、三維立體顯示技術(shù)分類

三、各類技術(shù)簡述

（一）、現(xiàn)有技術(shù)——基于2D顯示器的模擬

原理：采用二維的計(jì)算機(jī)屏幕來顯示旋轉(zhuǎn)的2D圖像，從而產(chǎn)生3D的顯示效果。3D效果=2D圖像+旋轉(zhuǎn)變換
特點(diǎn)：此種顯示方式基于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，是基于像素的。只產(chǎn)生心理景深，而不產(chǎn)生物理景深。

（二）、雙目視差立體顯示
雙目視差技術(shù)簡介
    人具有立體視覺能力，這是由于人有兩只眼睛（成人眼睛瞳孔平均間距為65mm），它們從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到關(guān)于景物的二維圖像，這左右兩幅圖像有著微小的區(qū)別，這種區(qū)別就叫做視差。人的大腦通過對左右兩幅圖像以及兩幅圖像的視差進(jìn)行分析和處理后，可以得到關(guān)于景物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等信息。
    所謂人眼的立體感，就是它們能將視場（即眼睛所觀看到的景物區(qū)域）中的物體區(qū)別出遠(yuǎn)近。視場中遠(yuǎn)近不同的物點(diǎn)之所以在左、右眼中形成微小的差別，是因?yàn)楦魑稂c(diǎn)相對于雙眼的視差角不同。大腦根據(jù)景物空間各物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上的影像相對于黃斑點(diǎn)的線視差就可以決定物點(diǎn)在空間中的位置?？梢姡暡钍橇Ⅲw視覺中十分重要的參數(shù)。
    雙目視差技術(shù)的本質(zhì)：a.首先通過軟件和電路功能使某一時(shí)刻的一對視差圖像，左眼視圖輸出到LCD偶數(shù)列像素上，右眼視圖輸出到LCD奇數(shù)列像素上；b.然后使用如柱面光柵等手段使觀察者的左眼只能看到偶數(shù)列像素上的信息，右眼只能看到奇數(shù)列像素上的信息；c.通過大腦的綜合，形成具有深度感的立體圖像。
假設(shè)顯示屏幕上顯示的3 個(gè)特征點(diǎn)A、B、C（如圖1），每一個(gè)特征點(diǎn)具有左、右兩個(gè)圖像對Al、Ar，Bl、Br，Cl、Cr，并且Al、Bl、Cl分別由左畫面屏幕顯示，Ar、Brl、Cr分別由右畫面屏幕顯示。
    當(dāng)雙眼觀看屏幕時(shí)，由于A點(diǎn)的左右圖像Al、Ar都處在屏幕上同一位置，左、右眼觀看到的是同一個(gè)圖像點(diǎn)，因此大腦會(huì)認(rèn)為圖像A 處于與屏幕重合的位置A'處。而對于B、C 兩點(diǎn)圖像來說，情況則不同，由于B、C 兩點(diǎn)在屏幕上不重合，如果采取一定的方法，使得左眼只能看見圖像B、C 的左圖像Bl、Cl，而右眼只能看見圖像B、C 的右圖像Br、Cr。那么，觀看者的視覺系統(tǒng)會(huì)融合形成圖像B、C 的空間圖像B'、C'，并生成具有深度感的圖像。即圖像B'處于屏幕之后，而圖像C'處于屏幕之前。

 
1、沉浸式系統(tǒng)

原理：基于雙目視差立體顯示技術(shù)，需要佩帶諸如偏振眼鏡、互補(bǔ)色眼鏡或液晶光開關(guān)眼鏡等輔助工具。
特點(diǎn)：盡管立體顯示效果（深度感）比較優(yōu)良，但是人眼被完全占據(jù)，人眼除了觀看屏幕外無法進(jìn)行其他工作，在很多場合并不適用，常用在航空模擬等專用場合。

2、自由立體顯示技術(shù)

原理：基于雙目視差立體顯示技術(shù)，不需要佩帶諸如偏振眼鏡等輔助工具。
特點(diǎn)：人眼不被限制，能夠應(yīng)用與更多的場合。以美國、日本、德國為代表的國家從20 世紀(jì)80 年代開始著手該技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并于隨后的90 年代陸續(xù)獲得成果。國內(nèi)南京大學(xué)、四川大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)分別于近年制作成功原理樣機(jī)。

（1）、視差照明技術(shù) （有效像素降低；由于遮擋，亮度較低；可2D、3D轉(zhuǎn)換）
    視差照明技術(shù)（Parallax Illumination）是美國DTI（Dimension Technologies Inc.）公司的專利技術(shù)，也是自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域研究較早、當(dāng)前較為成熟的技術(shù)之一。
    該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是在普通平面液晶顯示器的基礎(chǔ)上增加可控式狹縫光柵（位于LCD屏之后）、可接收與處理立體圖像信息的視頻電路。將LCD置于某特定照明板前的一定距離內(nèi)，照明板產(chǎn)生大量窄亮的，中間以黑帶平均間隔排列的豎直線光源。
每個(gè)線光源照亮兩列像素，由于線光源間有間隙，因此位于顯示器前的平均視覺距離的觀察者的左右眼分別透過偶、奇列像素能夠觀察到所有的線光源。

（2）、視差障礙技術(shù) （有效像素降低；由于遮擋，亮度較低；可2D、3D轉(zhuǎn)換）
    夏普歐洲實(shí)驗(yàn)室于1992年開始LCD自由立體顯示器的研究，94年推出基于視差障礙技術(shù)（Parallax Barrier）的顯示器。
該技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法是在普通平面液晶顯示屏前增加一個(gè)開關(guān)液晶屏（實(shí)現(xiàn)2D和3D顯示之間的切換）。這種開關(guān)液晶屏在通電情況下形成具有豎直條紋的光柵板，通過對光柵柵距及光柵到像素平面距離等參數(shù)的精確控制，使通過像素平面偶（奇）像素列的光線進(jìn)入觀察者的左（右）眼，即左右眼將分別看到兩幅不同的視差圖像，從而產(chǎn)生立體效果。

（3）、柱面光柵技術(shù) （有效像素降低；無遮擋，不影響亮度；不能2D、3D轉(zhuǎn)換）
        飛利浦公司采用的柱面光柵技術(shù)主要是基于傳統(tǒng)的柱面鏡立體成像方法，在普通液晶顯示器前面加上一塊透明柱面光柵板，液晶像素平面恰好位于柱面光柵的焦平面上。
    經(jīng)過子像素發(fā)出的光線通過柱面光柵平行射出，向各個(gè)方向投影子像素，將會(huì)在顯示器前方形成一排分離的左右眼的視域，從不同方向觀察平面就會(huì)看到具有視差的子像素，從而產(chǎn)生立體感。

3、多視點(diǎn)自由立體顯示

技術(shù)發(fā)展：基于前述能產(chǎn)生有深度感的立體圖像技術(shù)上，建立具有多視點(diǎn)的立體顯示效果。該技術(shù)產(chǎn)生除具有前述深度感的圖像外，隨著觀察者水平位置變化的同時(shí)，圖像產(chǎn)生隨之旋轉(zhuǎn)的效果，與人在水平運(yùn)動(dòng)中眼睛觀察真實(shí)物體的效果相似。

雙目視差立體顯示圖像源

多視點(diǎn)自由立體顯示器

（三）、真三維顯示

1、體積式顯示技術(shù) （顏色單一，為透視的圖像，不宜用在明亮環(huán)境）
（1）、旋轉(zhuǎn)體掃描技術(shù)
體掃描技術(shù)主要用于動(dòng)態(tài)物體的顯示。在該技術(shù)中，一串二維圖像被投影到一個(gè)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的屏幕上，同時(shí)該屏幕以觀察者無法覺察的速度在運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槿说囊曈X暫留從而在人眼中形成三維物體。因此，使用這種立體顯示技術(shù)的顯示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖像的真三維顯示（360°可視）。系統(tǒng)中不同顏色的光束通過光偏轉(zhuǎn)器投影到顯示介質(zhì)上，從而使得介質(zhì)體現(xiàn)出豐富的色彩。同時(shí)，這種顯示介質(zhì)能讓光束產(chǎn)生離散的可見光點(diǎn)，這些點(diǎn)就是體素，對應(yīng)于三維圖像中的任一點(diǎn)。一組組體素用來建立圖像，觀察者可從任意視點(diǎn)觀察到這個(gè)真三維圖像。
        體掃描顯示單元中的成像空間可以由屏幕的旋轉(zhuǎn)或平移產(chǎn)生。在屏幕掃過成像空間時(shí)在發(fā)射面上激活體素。由于體素激活后的有效時(shí)間是有限的，因此需要不斷刷新成像空間中的每個(gè)體素。所以，屏幕的運(yùn)動(dòng)頻率要夠快，才能生成穩(wěn)定的三維物體的立體圖像。由于體掃描顯示技術(shù)是靠屏幕的周期運(yùn)動(dòng)來構(gòu)成成像空間，極高的運(yùn)動(dòng)速度，會(huì)產(chǎn)生一系列的機(jī)械問題：機(jī)械部分的穩(wěn)定性和顯示單元的使用壽命，機(jī)械部分的噪聲和振動(dòng)，機(jī)械部分對顯示單元的輕便性的影響，另外系統(tǒng)操作上不可避免的誤差為顯示單元帶來大的機(jī)械沖擊和大的加速度。
目前在國內(nèi)，浙江大學(xué)的光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京航空航天大學(xué)也正在積極開展體積式顯示技術(shù)的相關(guān)研究工作。
系統(tǒng)包括：激光系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)顯示系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

（2）、靜態(tài)體成像技術(shù)
        靜態(tài)體成像技術(shù)是基于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)形成三維立體圖像的，所謂頻率上轉(zhuǎn)換三維立體顯示是利用成像空間介質(zhì)吸收多個(gè)光子后會(huì)自發(fā)輻射出一種熒光，從而產(chǎn)生可見的象素點(diǎn)。其基本原理是利用兩束相互垂直的紅外激光交叉作用于上轉(zhuǎn)換材料上，經(jīng)過上轉(zhuǎn)換材料的兩次共振吸收，發(fā)光中心電子被激發(fā)到高激發(fā)能級，再向下能級躍遷就可能產(chǎn)生可見光的發(fā)射，這樣的上轉(zhuǎn)換材料空間中的一個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)發(fā)光的亮點(diǎn)，如果使兩束激光的交叉點(diǎn)依照某種軌跡在上轉(zhuǎn)換材料中做三維空間的尋址掃描，那么兩束激光的交叉點(diǎn)所掃描過的地方應(yīng)當(dāng)是一條可以發(fā)射可見熒光的亮帶，即可以顯示出同激光交叉點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡相同的三維立體圖形。這種顯示方法肉眼就可以看到360°全方位可視的三維立體圖像。

2、全息技術(shù)
（1）、傳統(tǒng)全息圖
    全息術(shù)是英國科學(xué)家丹尼斯伽伯（Dennis Gabor）于1948 年提出的一種嶄新的成像概念。按照物理學(xué)的近距作用觀點(diǎn)，人眼之所以能看見外界物體，其直接原因并不是因?yàn)槲矬w的客觀存在，而是由于物體發(fā)出的光波到達(dá)了人眼的視網(wǎng)膜，視神經(jīng)細(xì)胞接收到物光波，從而產(chǎn)生三維空間像的視覺。按照這一新的成像理論，伽伯采用了和傳統(tǒng)照相截然不同的思路和方法，他并不試圖在二維底片上建立與物體相似的像，而是設(shè)法完全記錄攜帶了三維物體信息的物光波的振幅和位相分布，符合上述要求的記錄結(jié)果稱為“全息圖”。通?？梢詫⑷D理解為一個(gè)大容量的存儲(chǔ)器件，存儲(chǔ)或“凍結(jié)”了三維物體的全部光學(xué)信息。為了從全息圖中提取物光波的信息，還必須用適當(dāng)?shù)墓獠ㄕ丈淙D，“解凍”或重構(gòu)原來的物光波，人眼迎著再現(xiàn)物光波觀察時(shí)，就如同通過全息圖這個(gè)窗口去觀察原來的真實(shí)物體一樣。全息術(shù)是一個(gè)兩步成像過程，即物體光波的記錄(存儲(chǔ)或編碼)和再現(xiàn)(重構(gòu)或解碼)的過程，通常前一過程利用光的干涉實(shí)現(xiàn)，后一過程利用光的衍射完成。實(shí)現(xiàn)此功能的兩束光線要求具有高度相干性，通常為激光光束。
    傳統(tǒng)全息圖只能再現(xiàn)一個(gè)靜態(tài)實(shí)際物體圖像，不能處理計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像（虛物）；而且激光的高度相干性，要求全息拍攝過程中各個(gè)元件，光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴(yán)格保持不變，這也給全息技術(shù)的實(shí)際使用帶來了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄的可能性，它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺的黑暗實(shí)驗(yàn)室。

（2）、計(jì)算機(jī)全息圖（CGH）
    計(jì)算機(jī)全息圖是最近才發(fā)展起來的技術(shù)，其分辨率超過了人眼的分辨率，其圖像漂浮于空中并具有較廣的色域，被認(rèn)為是三維立體顯示的最終解決方案。與傳統(tǒng)全息圖需要實(shí)物模型不同，在計(jì)算機(jī)全息圖中，用來產(chǎn)生全息圖的物體只需要在計(jì)算機(jī)中生成一個(gè)數(shù)學(xué)模型描述，且光波的物理干涉也被計(jì)算步驟所代替，在每一步中，CGH模型中的強(qiáng)度圖形可以被確定，該圖形可以輸出到一個(gè)可重新配置的設(shè)備中，該設(shè)備對光波信息進(jìn)行重新調(diào)制并重構(gòu)輸出。
        通俗的講，CGH就是通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算來獲得一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形（虛物）的干涉圖樣，替代傳統(tǒng)全息圖物體光波記錄的干涉過程；而全息圖重構(gòu)的衍射過程并沒有原理上的改變，只是增加了對光波信息可重新配置的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)不同的計(jì)算機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)圖形的全息顯示。
    然而計(jì)算機(jī)全息圖技術(shù)目前仍有不少問題還在研究之中，由于某些硬件性能的限制，一些理論還沒有得到應(yīng)用。比如動(dòng)態(tài)物體的顯示效果、分辨率的提高、海量數(shù)據(jù)的處理等。因?yàn)橐粋€(gè)典型的300×300mm的全息圖包含了10T的數(shù)據(jù)信息。（1T=1024G）對于目前的PC處理與存儲(chǔ)能力來說，已經(jīng)非常巨大，更不用說動(dòng)態(tài)的計(jì)算機(jī)全息圖顯示了。

參考文獻(xiàn)：

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《基于視差照明原理的自由立體顯示幾何建模》 黃永剛

《真三維立體顯示技術(shù)》  姜太平

《真三維立體顯示中旋轉(zhuǎn)體掃描顯示技術(shù)研究》 丁琴

《真三維立體顯示靜態(tài)成像技術(shù)研究》  陳擁軍