關(guān)于裸眼3D立體顯示技術(shù)原理分析和應(yīng)用

引言

眾所周知，現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)三維空間，除去時(shí)間這一維度，現(xiàn)實(shí)世界是由長(zhǎng)度、寬度和高度三個(gè)維度組成，我們每天就生活在這個(gè)三維世界中，而現(xiàn)有的顯示設(shè)備大多數(shù)都只能顯示二維信息，并不能帶給人真實(shí)的三維感覺(jué)。為了使顯示的物體和場(chǎng)景具有深度感（也就是3D），人們紛紛對(duì)3D顯示技術(shù)展開(kāi)研究，經(jīng)歷了二十幾年的發(fā)展，目前已取得了十分豐碩的成果。

裸眼3D顯示器被廣泛應(yīng)用于廣告、傳媒、示范教學(xué)、展覽展示以及影視等各個(gè)不同領(lǐng)域。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙目3D顯示技術(shù)，裸眼3D顯示由于擁有其裸眼的獨(dú)特特性，即不需要觀眾佩戴眼鏡或頭盔便可觀賞3D效果，且其逼真的景深及立體感，又極大提高了觀眾在觀看體驗(yàn)時(shí)的視覺(jué)沖擊力和沉浸感，成為產(chǎn)品推廣、公眾宣傳及影像播放的最佳顯示產(chǎn)品。

然而，觀眾不佩戴任何設(shè)備又是如何感知3D的呢？

1、裸眼如何感知3D

現(xiàn)實(shí)世界是三維世界，人眼觀看物體時(shí)看到的圖像具有位差，兩幅圖像之間的偏差我們稱(chēng)之為視差(disparity/parallax)。正是這種視差，使人們能區(qū)別物體的遠(yuǎn)近，并獲得立體感。根據(jù)視差值的不同，視差又可分為正視差(positive parallax)，負(fù)視差(negativeparallax)和零視差(zero parallax)。當(dāng)觀眾在觀看時(shí)，正視差使人產(chǎn)生物體深入屏幕的感覺(jué)；負(fù)視差使人產(chǎn)生物體懸浮于屏幕外的感覺(jué)；零視差是正視差和負(fù)視差的分界，物體剛好被投射到屏幕上，即我們常說(shuō)的零平面。夏天夜晚的星星離我們很遠(yuǎn)，我們觀看星星的視線幾乎是平行的，這時(shí)視差接近于零，人眼難以區(qū)分星星的距離，因而我們覺(jué)得星星距離我們同樣遠(yuǎn)，繁星仿佛在一個(gè)平面上沒(méi)有立體感。

人的大腦是一個(gè)極其復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，它可以將映入雙眼的兩幅具有視差的圖像，經(jīng)視神經(jīng)中樞的融合反射，以及視覺(jué)心理反應(yīng)便可產(chǎn)生三維立體感覺(jué)。利用這個(gè)原理，我們可以將兩幅具有視差的左右圖像通過(guò)顯示器顯示，將其分別送給左右眼，從而獲得3D感。

裸眼3D顯示的原理一般是通過(guò)光柵或透鏡將顯示器顯示的圖像進(jìn)行分光，從而使人眼接收到不同的圖像，這樣便實(shí)現(xiàn)了3D顯示。狹縫光柵顯示器通過(guò)在顯示面板前方放置一個(gè)參數(shù)合適的狹縫，對(duì)顯示的內(nèi)容進(jìn)行遮擋，在經(jīng)過(guò)一定距離后，到達(dá)人眼的光線便可被分開(kāi)，雙眼接收到兩幅含有視差的圖像。圖 1 中人眼就能分別看到藍(lán)色和綠色，這樣就能產(chǎn)生立體效果。

圖 1 狹縫光柵顯示原理

Fig. 1 Principle of parallax barriers display

柱狀透鏡式采用了相同的原理，只是實(shí)現(xiàn)的方式由狹縫換成了透鏡，透鏡通過(guò)對(duì)光的折射作用，將不同的顯示內(nèi)容折射到空間中不同的地方，到達(dá)人眼時(shí)顯示的內(nèi)容被分開(kāi)，人眼接收到兩幅含有視差的圖像，這樣便產(chǎn)生了立體效果，如圖 2 所示。

圖 2 柱狀透鏡顯示原理

Fig. 2 Principle of lenticular lenses display

因而，裸眼立體顯示仍基于立體視覺(jué)原理，只是通過(guò)改進(jìn)立體顯示器，以特定光學(xué)遮擋和光路傳播控制的方式，實(shí)現(xiàn)將含有視差的圖像分別傳送到我們的左右眼睛，進(jìn)而觀看到立體影像。

2、3D視頻源格式

目前3D視頻源格式有多種，不同的視頻格式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)將對(duì)幾種常見(jiàn)的3D視頻源格式做簡(jiǎn)要的分析與介紹。

2.1 左右視圖

左右視圖格式采用左視圖和右視圖并排傳輸?shù)姆绞?，如圖 3 所示。傳統(tǒng)的立體電影或立體電視一般采用基于左右視點(diǎn)兩路 2D 視頻的表達(dá)方式，這是由于左右視圖格式雖然水平分辨率損失了一半，但完整的保存了原左右視圖的垂直分辨率。

MPEG-2 MVP(Multi-view Profile)使用時(shí)域伸縮工具，提供了對(duì)雙目立體視頻的編碼支持。將一路視頻（左視）作為基本層，另一路視頻（右視）作為增強(qiáng)層。MPEG-4通過(guò)使用MAC(Multiple Auxiliary Component)存放視差信息，支持雙目立體視頻的編碼。采用左右視圖格式的3D視頻源，解碼重建原始視點(diǎn)的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但在繪制其它虛擬視點(diǎn)時(shí)需要做立體匹配，因而計(jì)算較復(fù)雜，且隨著繪制視圖的視差值增大，合成的視圖質(zhì)量將隨之下降。因此，左右視圖格式較適合雙目立體顯示，在多視點(diǎn)自由立體顯示中應(yīng)用較少。

圖 3 左右視圖3D格式

Fig.3 Side-by-side3Dformat

2.2 上下視圖

上下視圖格式采用左視圖和右視圖上下排列的方式傳輸，如圖 4 所示，這種格式與左右視圖格式類(lèi)似，只是它完整的保存了原左右視圖的水平分辨率，而垂直分辨率損失了一半。

圖 4 上下視圖3D格式

Fig. 4 Top-and-bottom3Dformat

2.3 視頻+深度圖(video plus depth, V+D)

“V+D”格式包含了一幅彩色圖和相應(yīng)的深度圖，如圖 5 所示，其中深度圖表達(dá)了 2D 圖像中的像素點(diǎn)與3D場(chǎng)景中真實(shí)點(diǎn)之間的距離，即空間信息，深度信息是非常重要的幾何信息，對(duì)3D場(chǎng)景的編碼和重構(gòu)具有重要的意義。采用DIBR(Depth-Image Based Rendering)算法可以方便的繪制出任意視點(diǎn)。歐洲的 ATTEST 項(xiàng)目采用了“V+D”格式，其中 2D 彩色視頻采用MPEG-2 編碼，深度采用 MPEG-2、MPEG-4或H.264 進(jìn)行編碼，“V+D”的3D格式已標(biāo)準(zhǔn)化為 MPEG-C Part3，即 ISO/IEC 23002-3。Philips已發(fā)布了基于“V+D”格式的3D顯示器接口規(guī)范白皮書(shū)，并且推出了相應(yīng)的顯示器產(chǎn)品。本文采用的3D輸入視頻源格式即為“V+D”，作為DIBR系統(tǒng)的視頻輸入，通過(guò) DIBR 系統(tǒng)繪制得到多個(gè)視點(diǎn)視圖，生成裸眼3D內(nèi)容。

圖 5 “V+D”3D格式

Fig. 5 Video plus depth3Dformat

2.4 多路視頻+深度(multi-view video plus depth, MVD)

由于多路視點(diǎn)視頻需要傳輸多路數(shù)據(jù)，因而傳輸數(shù)據(jù)量太大，在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，采用 MVD 格式可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。與“V+D”格式類(lèi)似，MVD 格式傳輸 2D 視頻序列和相應(yīng)的深度圖序列，通過(guò) DIBR 繪制得到虛擬視點(diǎn)，而與“V+D”格式不同的是，MVD 格式需要傳輸多路 2D 視頻和深度序列，多路視頻中的信息互補(bǔ)可以有效地解決遮擋、空洞問(wèn)題，擴(kuò)展視角范圍，從而使繪制的虛擬視點(diǎn)質(zhì)量得到了大大提高。圖 6 顯示了ballet 序列 MVD 格式。

(a) 第一個(gè)攝像機(jī)在時(shí)刻 1~4 拍攝的 ballet 彩色圖以及對(duì)應(yīng)的深度圖

(b) 第二個(gè)攝像機(jī)在時(shí)刻 1~4 拍攝的 ballet 彩色圖以及對(duì)應(yīng)的深度圖

圖 6 MVD3D格式

Fig. 6 Multi-view video plus depth3Dformat

2.5 分層深度視頻(layered depth video, LDV)

分層深度視頻格式即消除遮擋格式，是由 Philips 在“V+D”格式的基礎(chǔ)上提出的，即 LDI(layered depth image)，通過(guò)再增加一層“V+D”，描述背景中被遮擋區(qū)域的視頻及深度，將3D場(chǎng)景分解為前景和背景，用兩層“V+D”來(lái)描述。圖 7分別為“V+D”“全背景消除遮擋”格式和“V+D”“去冗余消除遮擋”格式，全背景消除遮擋格式包含全部的背景信息及其深度圖，去冗余消除遮擋格式包含背景中被遮擋的 2D 圖像及其深度圖。此種格式較適用于深度平滑的背景上疊加虛擬合成的動(dòng)畫(huà)對(duì)象的場(chǎng)景，對(duì)于深度層次豐富的自然場(chǎng)景，特別是對(duì)法線與光軸方向接近垂直的物體表面的信息，還是不能很好地表達(dá)。

圖 7 LDV3D格式

Fig. 7 Layered depth video3Dformat

3、裸眼3D顯示技術(shù)

根據(jù)顯示原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，裸眼3D顯示技術(shù)主要有光屏障式(parallaxbarrier)、柱狀透鏡技術(shù)(lenticular arrays)以及集成成像技術(shù)(integral imaging)。

下面簡(jiǎn)要介紹這幾種技術(shù)。

3.1 光屏障式技術(shù)

夏普公司歐洲實(shí)驗(yàn)室的工程師們經(jīng)過(guò) 10 年的研究，開(kāi)發(fā)了光屏障式技術(shù)，基于該技術(shù)的自由立體顯示可以在三維/二維模式間進(jìn)行切換，憑借該技術(shù)夏普在2002 年底成功的向市場(chǎng)推出了自動(dòng)立體液晶顯示器。如圖 8 所示，光屏障式技術(shù)由高分子液晶層、LCD 面板、開(kāi)關(guān)液晶屏及偏振膜等組成，視差障壁是通過(guò)利用液晶層和偏振膜產(chǎn)生方向?yàn)?90°的一系列垂直條紋形成的，這些垂直條紋寬幾十微米，當(dāng)光通過(guò)時(shí)就形成了垂直的細(xì)條柵模式。

視差障壁是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示的關(guān)鍵所在，在3D顯示模式下，安置在 LCD面板及背光模塊間的視差障壁，實(shí)現(xiàn)了左眼和右眼分別接收到不同的視圖，從而使觀眾感受到3D效果。

優(yōu)點(diǎn)：兼容現(xiàn)有的 LCD 液晶制造工藝，因而在成本和量產(chǎn)上較具優(yōu)勢(shì)。

缺點(diǎn)：顯示分辨率與視點(diǎn)數(shù)成反比，畫(huà)面顯示亮度較低。

圖 8 光屏障式技術(shù)示意圖

Fig. 8 Illustration of parallax barrier

3.2 柱狀透鏡技術(shù)

菲利普公司基于傳統(tǒng)的微柱透鏡方法對(duì)裸眼3D顯示技術(shù)展開(kāi)研究，其開(kāi)發(fā)的裸眼3D顯示器是在液晶顯示屏的前面加上一層微柱透鏡，每個(gè)柱透鏡下面的圖像像素被分成 R、G、B 子像素，每個(gè)子像素通過(guò)透鏡以不同的方向投影，觀眾便可從不同的方向觀看到不同的視圖，如圖 9 所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是放大了像素間的距離，所以簡(jiǎn)單的疊加子像素是一種難以取得好的顯示效果的做法，一種更好的方法是使一組子像素交叉排列，且讓柱透鏡與像素列呈一定的傾斜角度。

優(yōu)點(diǎn)：顯示亮度高，3D沉浸感更好。

缺點(diǎn)：與現(xiàn)有 LCD 液晶制造工藝不兼容，需要更高的成本。

圖 9 柱狀透鏡技術(shù)示意圖

Fig. 9 Illustration of lenticular lenses

3.3 集成成像技術(shù)

集成成像（最初被稱(chēng)為集成攝影）已有 100 多年的歷史，集成成像使用一組球形、方形或六角形的透鏡產(chǎn)生三維圖像，它可以同時(shí)提供水平和垂直視差，屬于真三維顯示。最早提出集成成像顯示技術(shù)的實(shí)時(shí)拍攝方法是 NHK（日本廣播公司）科學(xué)與技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室。在拍攝采集步驟中，每個(gè)鏡頭或針孔將記錄采集到的對(duì)象，這些對(duì)象被稱(chēng)為元素圖像，大量小型和并列的元素圖像將在透鏡陣列后方的錄制設(shè)備上成像，圖 10 顯示了集成成像采集和顯示的原理。

優(yōu)點(diǎn)：屬于真三維立體顯示，在視角范圍內(nèi)可以提供近乎連續(xù)變化的視差。

缺點(diǎn)：技術(shù)尚不成熟，圖像顯示分辨率低，視角較小。

(a) 采集與顯示原理

(b) 采集與顯示過(guò)程

圖 10 集成成像技術(shù)示意圖

Fig. 10 Illustration of integral imaging

立體顯示還包含多種實(shí)現(xiàn)方式，比如：全息技術(shù)(holographicdisplay technology)、裸眼3D投影技術(shù)、頭部跟蹤技術(shù)(head tracking technology)等。

全息技術(shù)能實(shí)現(xiàn)真正的三維立體顯示，觀眾可以在不同的角度裸眼觀看影像，全息技術(shù)涉及復(fù)雜的光學(xué)技術(shù)，其顯示的圖像漂浮在空中，顯示效果非常震撼。目前主要有全像式、透射式、反射式等全息顯示技術(shù)，這些技術(shù)仍處于研究階段。

裸眼3D投影技術(shù)也稱(chēng)建筑3D立體投影，分為建筑外巨幅墻面投影和建筑內(nèi)巨幅墻面投影兩種，目前國(guó)外應(yīng)用較多的巨幅墻面投影是建筑外巨幅墻面投影。巨幅墻面投影具有科技感濃郁、3D畫(huà)面巨大、顯示效果震撼，能夠吸引社會(huì)中的不同人群駐足觀看，具有非常高的關(guān)注度，因而在產(chǎn)品宣傳、主題傳播上可以獲得很好的效果。

頭部跟蹤技術(shù)可以在只提供單視點(diǎn)的條件下，實(shí)現(xiàn)具有運(yùn)動(dòng)視差的立體顯示。

在眾多的自由立體顯示系統(tǒng)中，基于光柵的 LCD 自由立體顯示設(shè)備因其易于加工、多視點(diǎn)立體效果好，因而成為了市面上最早出現(xiàn)的裸眼立體顯示器，包括任天堂公司的3DS，都采用了狹縫光柵式結(jié)構(gòu)，對(duì)于顯示器和電視機(jī)這種像素點(diǎn)距固定的設(shè)備，一般柱鏡光柵不好匹配，因此使用狹縫可以有效的解決匹配問(wèn)題。

用于自由立體顯示器的光柵可以分為三大類(lèi)：狹縫光柵、棱柱鏡光柵、點(diǎn)陣式光柵。其中，點(diǎn)陣式光柵很少見(jiàn)，本文方法主要基于狹縫光柵和棱柱鏡光柵。