3D顯示技術的總體分類

在人獲得的外界信息中，視覺信息占80%以上。長期以來，表達可視信息的圖片、視頻等都是二維的。然而，現(xiàn)實世界是三維的，二維圖像在和采集和顯示的過種中丟掉了實際事物大量、重要的第三維信息。這些二維圖像無法滿足人類大腦信息處理的習慣，人腦更需要獲取與現(xiàn)實事物完全一致的“全部信息”，即三維的信息。

自古以來，人們就一直存在對三維成像技術的追求。15世紀初的歐洲的文藝復興時期，意大利建筑師Bruneselleschi 對“繪畫透視” 進行了首次論證。達芬奇(Leonardo da Vinci)也曾在他的著作"Trattato della Pittura"中引用了"透視框"的概念作為他研究遠景透視的依據(jù)。如藝術家需要將一張畫紙夾在玻璃板上，再通過一個目鏡觀察畫紙上場景的投影畫面，然后在畫紙上描繪下場景的輪廓，就可以得到一幅具有真實透視的草圖。

繪畫透視和雕塑藝術研究和實踐就表明：只有給兩只眼睛分別提供相對獨立的圖像，在恢復了雙眼視差的情況下，才可能獲得真實的立體視覺。

透視效果是觀看三維世界時的基本規(guī)律，是畫面產(chǎn)生立體感的基本要求。

人眼在看真實的圓柱體和看屏幕上顯示的圓柱體時，視差角有明顯的不同，看屏幕時的視差角實際上和看平板玻璃時是一樣的，因此不管屏幕上顯示的內(nèi)容如何變化，立體感始終是一個平面，這也是普通顯示器無法實現(xiàn)立體顯示的原因。

透視效果是觀看三維世界時的基本規(guī)律，是畫面產(chǎn)生立體感的基本要求。

人類的雙眼是橫向并排，之間大約有 6～7 厘米的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有些微的差異，這個差異被稱為“視差”，大腦會解讀雙眼的視差并藉以判斷物體遠近與產(chǎn)生立體視覺。這意味著假如你看著一個物體，兩只眼睛是從左右兩個視點分別觀看的。左眼將看到物體的左側(cè)，而右眼則會看到她的中間或右側(cè)。當兩眼看到的物體在視網(wǎng)膜上成像時，左右兩面的印象合起來，就會得到最后的立體感覺。而這種獲得立體感的效應就是“視覺位移”。

既然可以人為的控制視差角，我們就可以在顯示圓柱體時調(diào)節(jié)視差角產(chǎn)生圓柱體的立體感，事實上，當今主流的4種立體顯示技術都是基于這個原理的。

實現(xiàn)基于雙眼視覺的立體顯示需要經(jīng)過兩大步驟，首先，要準備好兩套分別供左眼和右眼觀看的畫面。目前，這種畫面的來源有三種途徑：

一、雙機拍攝：拍攝電影或圖片時將兩臺照像機或攝像機并排放置，兩機間的角度和距離都模擬人的雙眼。

二、從3D場景中提?。河捎?D場景本來就被設計用來可供任何角度觀看，所以從中提取兩套畫面自然不難，提取的兩套畫面相互間的角度要模擬人的雙眼。

三、用軟件智能模擬：這是利用計算機根據(jù)原始畫面重新生成兩套畫面，可用于將現(xiàn)有的普通視頻和圖片轉(zhuǎn)換為立體顯示的片源，但效果略差。

片源準備好以后，第二個步驟就是將它們輸送給雙眼，并且要點是給左眼觀看的畫面只能讓左眼看到。在輸送時其實并不需要刻意的調(diào)節(jié)兩套畫面的差距，只要能將上述途徑獲得的片源按要求輸送給雙眼，那么人眼就會自動產(chǎn)生與畫面對應的立體感了。為了實現(xiàn)這一步，各種立體顯示技術采用了不同的方式。

3D顯示技術的總體分類

分色技術

分色技術的基本原理是讓某些顏色的光只進入左眼，另一部分只進入右眼。我們眼睛中的感光細胞共有4種，其中數(shù)量最多的是感覺亮度的細胞，另外三種用于感知顏色，分別可以感知紅、綠、藍三種波長的光，感知其它顏色是根據(jù)這三種顏色推理出來的，因此紅、綠、藍被稱為光的三原色。要注意這和美術上講的紅、黃、藍三原色是不同的，后者是顏料的調(diào)和，而前者是光的調(diào)和。

顯示器就是通過組合這三元色來顯示上億種顏色的，計算機內(nèi)的圖像資料也大多是用三原色的方式儲存的。分色技術在第一次過濾時要把左眼畫面中的藍色、綠色去除，右眼畫面中的紅色去除，再將處理過的這兩套畫面疊合起來，但不完全重疊，左眼畫面要稍微偏左邊一些，這樣就完成了第一次過濾。第二次過濾是觀眾帶上專用的濾色眼鏡，眼鏡的左邊鏡片為紅色，右邊的鏡片是藍色或綠色，由于右眼畫面同時保留了藍色和綠色的信息，因此右邊的鏡片不管是藍色還是綠色都是一樣的。

分光技術

常見的光源都會隨機發(fā)出自然光和偏振光，分光技術是用偏光濾鏡或偏光片濾除特定角度偏振光以外的所有光，讓0度的偏振光只進入右眼，90度的偏振光只進入左眼(也可用45度和135度的偏振光搭配)。兩種偏振光分別搭載著兩套畫面，觀眾須帶上專用的偏光眼鏡，眼鏡的兩片鏡片由偏光濾鏡或偏光片制成，分別可以讓0度和90度的偏振光通過，這樣就完成了第二次過濾。目前，分光技術的應用還主要停留在投影機上，早期必須使用雙投影機加偏振光濾鏡的方案，現(xiàn)在已經(jīng)可以用單投影機來實現(xiàn)，不過都必須配合不破壞偏振光的金屬投影幕才能使用。

分時技術

分時技術是將兩套畫面在不同的時間播放，顯示器在第一次刷新時播放左眼畫面，同時用專用的眼鏡遮住觀看者的右眼，下一次刷新時播放右眼畫面，并遮住觀看者的左眼。按照上述方法將兩套畫面以極快的速度切換，在人眼視覺暫留特性的作用下就合成了連續(xù)的畫面。目前，用于遮住左右眼的眼鏡用的都是液晶板，因此也被稱為液晶快門眼鏡，早期曾用過機械眼鏡。

光柵技術

光柵技術和前三種差別較大，它是將屏幕劃分成一條條垂方向上的柵條，柵條交錯顯示左眼和右眼的畫面，如1、3、5…顯示左眼畫面，2、4、6…顯示右眼畫面。然后在屏幕和觀眾之間設一層“視差障礙”，它也是由垂直方向上的柵條組成的，對于液晶這類有背光結構的顯示器來說，視察障礙也可設在背光板和液晶板之間。

視察障礙的作用是阻擋視線，如圖，它遮住了兩眼視線交點以外的部分，使左眼看到的柵條右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。不過，如果觀看者的位置改變的話，那么視差障礙位置也要隨之改變。為了方便移動視差障礙，小型光柵顯示器都是采用液晶板來作為視差障礙的，而檢測觀看者位置的方法主要有兩種，一種是在觀看者頭上戴一個定位設備，另一種是用兩個攝像頭像人眼一樣的定位。

四種主流立體顯示技術的優(yōu)缺點

應用范圍方面

這4種技術可應用的范圍還是比較廣的，值得一提的就是分時技術還不能應用于液晶顯示器，主要是因為液晶顯示器的響應時間太長，響應特性也非常怪異。

舒適性方面

前三種技術使用時必須要配戴專用的眼鏡，好在觀看的位置不限;光柵技術雖然不需要配戴眼鏡，但有一部分產(chǎn)品要在頭上配戴定位設備，同時觀眾必須在特定的范圍內(nèi)才能正常觀看。

畫面質(zhì)量方面

4種技術普遍存在亮度損失的問題，分色技術使用顏色較深的濾色鏡，亮度損失理所當然，同時它還會損失一部分顏色信息，另外顯示彩色畫面時，如果鏡片顏色不夠深，很可能導致濾色不徹底，會影響觀看效果;分光技術要用到偏光片，它會吸收特定角度偏振光以外的所有光，亮度損失很嚴重;分時技術雖然在任意一個時刻只有一只眼睛能看到光線，但由于人眼的視覺暫留特性，所以這并不是它損失亮度的主要原因，之所以損失亮度，是因為液晶快門眼鏡中也包含偏光片，所以它和分光技術是一樣的;至于光柵技術，視差障礙使每只眼睛只能接收到原來一半的光線，因此亮度損失一半，同時水平分辨率也只有原來的一半。

保護視力方面

首先，分光和光柵兩種技術對視力是沒有損害的，另外兩種技術中，分色技術是無藥可救的，因為觀看時，雙眼接收到的顏色信息嚴重不平衡，雖然大腦可以將它們完美的組合在一起，但是會造成視神經(jīng)疲勞，不能長時間使用。分時技術必須配合CRT這類的低響應時間的顯示器才能使用，CRT一個顯著的特點是瞬間發(fā)光，必須以非常高的頻率重復的掃描，然后在人眼視覺暫留特性的作用下才能呈現(xiàn)連續(xù)的畫面，為了使畫面足夠穩(wěn)定并且不會對視力造成損害，刷新頻應該達到85赫茲，普通顯示器都可以達到這個指標，但使用分時技術后就不同了，由于單位時間內(nèi)只有一只眼睛能看到畫面，原來的85赫茲現(xiàn)在變成了42.5赫茲，如果還要保護視力的話，顯示器的刷新率就要設置為170赫茲了。但是顯示器的性能有限，很多顯示器即使在最低的分辨率下也只能達到120赫茲，實際只相當于60赫茲，在這樣的刷新率下人眼就很容易疲勞了。即使顯示器支持170赫茲的高刷新率，液晶快門眼鏡也大多不支持。需要注意，這個缺點只是針對CRT而言，如果換用非瞬間發(fā)光的顯示器就不存在這個問題了，但絕大部分的液晶快門眼鏡都是為CRT優(yōu)化的，可能會不適應其它顯示器的響應時間和響應特性。

其它立體顯示技術

透鏡3D液晶顯示技術

該技術不需要佩戴眼鏡，它在顯示器前面板鑲上一塊柱透鏡板組成裸眼立體顯示的光學系統(tǒng)，像素的光線通過柱透鏡的折射，把視差圖像投射到人的左、右眼，經(jīng)視覺中樞的立體融合獲得立體感。柱透鏡板由細長的半圓柱透鏡緊密排列構成，下圖顯示了柱透鏡方法的原理。左右眼視圖分別位于奇列和偶列像素上，形成視圖分區(qū)。

它利用在液晶的最表層添加了數(shù)組透鏡，而在這層凸透鏡數(shù)組上形成影像。其中每個透鏡以液晶像素成一個小的角度擺放，并且對應了7個液晶Cell，每一個液晶像素有3個液晶Cell組成，具備呈現(xiàn)RGB三色的功能，再加上根據(jù)特殊的算法，在液晶Cell中形成不同顏色，而最終形成影像，確保讓觀看者在左、右眼上形成不同的圖像，這樣就可以看到逼真的三維效果。缺點是如果觀看液晶的角度不同，因為Barrier的效果減弱，而無法看到三維效果，而且多焦點影像極易造成眼睛疲勞。

DFD立體顯示技術

DFD(Depth-Fused 3D)是根據(jù)全新的錯視原理開發(fā)的景深融合型立體影像技術，其利用兩片液晶顯示器與half mirror，開發(fā)不需特殊眼鏡就可以觀賞的立體影像的技術，這種立體影像制作原理稱為REAL。REAL立體影像的制作過程是先利用一般攝影機、相機、閃光燈攝影等方式拍攝影像，然后取一般攝影與閃光燈攝影拍攝影像灰色度兩者的差分，再與一定峰值比較藉此獲得二值化(0與1的數(shù)字元元化)的影像，接著抽出所謂的近影像領域，最后再將Relief狀景深添加至近影像領域內(nèi)。被照物景深形狀除了球體比較接近真實景深外，其它物體都會出現(xiàn)某種程度的差異，只要近影像與遠影像兩者前后關系維持正確，且景深為連續(xù)性平滑狀的話，通常利用肌理描繪(texture)作補正，就可以獲得非常協(xié)調(diào)的立體影像。

微位相差板立體顯示技術

微位相差板法是***光電研究院研究成功的一種裸眼立體顯示技術。使用微位相差板改變光的偏極態(tài)來達到左、右視圖的分離。微位相差板立體顯示器不需要戴眼鏡，但是視角很小，需要和頭部跟蹤裝置配合使用。

特殊照明法立體顯示技術

線光源照明法的立體顯示器在LCD的像素層后使用一系列并排的線狀光源給像素列提供背光照明，線光源寬度極小并與液晶屏的列像素平行。密集的線光源照明使奇、偶列像素的圖像傳輸路徑分離，使左、右眼看到對應的畫面。

立體顯示設備

頭盔顯示器

頭盔顯示器(HMD，Head Mounted Display)的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸狀透鏡使影像因折射產(chǎn)生類似遠方效果。利用此效果將近處物體放大至遠處觀賞而達到所謂的全像視覺(Hologram)。液晶顯示器(早期用小型陰極射線管，最近已有應用有機電致發(fā)光顯示器件)的影像通過一個偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當影像產(chǎn)生的影像進入偏心自由曲面棱鏡面，再全反射至觀視者眼睛對向側(cè)凹面鏡面。側(cè)凹面鏡面涂有一層鏡面涂層，反射同時光線再次被放大反射至偏心自由曲面棱鏡面 ，并在該面補正光線傾斜，達到觀視者眼睛。

頭盔顯示器的光學技術設計和制造技術日趨完善，不僅作為個人應用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設計的基礎，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進軍事電子技術中得到普遍應用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術中，虛擬現(xiàn)實電子技術系統(tǒng)首先應用了頭盔顯示器。近期新一代家用仿真電子游戲機和步行者DVD影視系統(tǒng)的出現(xiàn)就是頭盔顯示器的普及推廣應用的實例。

頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用頭盔將人的對外界的視覺、聽覺封閉起來，引導用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的分辨率已達到1024×768，可為用戶提供清晰的虛擬場景畫面。

眾所知視覺影像的解析度與色彩度取決于顯示器件的像素(pixel)與灰度(grey level)，然而目前小型高像素、高灰度液晶顯示器(LCD)的單價極端昂貴，因此，日本Olympus公司利用OSR元件使18萬畫素的LCD產(chǎn)生相當于72萬畫素，水平解析度500條以上的畫質(zhì)效果。OSR是由偏光控制元件(液晶cell)與復折射板所構成。藉由OSR元件將LCD的黑色矩陣上由像素所產(chǎn)生的光線移位。雖然理論上它是一種可使光學畫質(zhì)提高4倍之技術，但實際上單純的使光線移位所產(chǎn)生的4像素技術卻會造成影像模糊效應。因此OSR將對應各移位的影像信號從原始影像信號中取樣，再顯示于HMD的自由曲面棱鏡，也就是說各移位的像素都能夠正確顯示在該當位置，實質(zhì)像素提高4倍的同時又不會有影像模糊的問題。OSR元件置于LCD與自由曲面棱鏡之間。OSR是由2片偏光控制元件與3片復折射板所構成。當電壓ON/OFF施加于2片偏光控制元件時光線移位成4道。OSR的控制是將原影像信號配合移位像素的位置取樣，之后以1/120秒的速度驅(qū)動LCD，再同步配合像素移位置顯示影像利用OSR元件依次使各個像素的光線以4/120秒(=1/30秒：視頻信號的結構單位)的速度為一周期。之后一邊監(jiān)控LCD的實時一邊倍速驅(qū)動LCD，同時與LCD驅(qū)動狀況連動控制OSR元件。雖然LCD移位光量(距離)取決于OSR元件的復折射板的厚度，但是由于LCD像素大小只有10μm，像素間的黑色矩陣大小為14μm，因此復折射板的厚度必須具備微米級的加工精度，配合高折射結晶材料才能完成厚度為2.9mm的OSR元件。

隨著虛擬現(xiàn)實電子顯示系統(tǒng)的推廣應用，可預期未來類似HMD可將小型LCD顯示器件的影像透過光學系統(tǒng)作成全像大銀幕的需求將日益增加。另外由于自由曲面棱鏡的設計乃至加工量產(chǎn)技術將因此更趨完備。除光學技術之外，納米級(nano)超精密機械加工技術亦將成為本世紀初的熱門課題。

3D投影機

目前3D投影機領域的3D顯示技術主要有3種，分別是氣體成像式投影技術、偏光投影技術以及120Hz投影技術。

第一種氣體成像式投影技術：它采用一臺投影機和一個空氣屏幕系統(tǒng)，利用海市蜃樓的成像原理，空氣屏幕系統(tǒng)可以制造出由水蒸氣形成的霧墻，投影機將畫面投射在上面，由于空氣與霧墻的分子震動不均衡，可以形成立體感很強的圖像。由于承載影像的介質(zhì)是空氣而非固體，導致播放的影像并不固定，產(chǎn)生畫面隨著空氣流動而晃動的感覺，此外，播放環(huán)境必須很暗，才能獲得清晰的圖像。這項技術不能全空間任意顯示，只能在投影系統(tǒng)上方空間處播放畫面，而且由于承載影像的介質(zhì)是空氣而不是固體，所以播放的影像并不是固定位置的，存在畫面隨著空氣流動的同時晃動的感覺。

第二種方式是雙投影式投影機：它是通過雙頭輸出的顯卡將播放內(nèi)容同步直接輸出到兩個投影機中，在投射左眼的投影機前加上偏正鏡，然后在投射右眼圖像的投影機前也加偏正鏡但角度旋轉(zhuǎn)90度，讓產(chǎn)生兩束偏振光的偏振方向互相垂直。而偏振光投射到專用的投射屏幕上再反射到觀眾位置時偏振方向需不改變。觀眾佩戴偏振眼鏡觀看時，每只眼睛只能看到相應的偏振圖像，從而在視覺神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生立體感覺。該方式必須使用兩臺投影機，需要特殊的投射屏幕，對屏幕的偏振性以及增益要求都很高。同時，此方式在投射過程中光線損失50%-80%，因此要求投影機亮度必須很高。

第三種是120Hz3D成像投影技術：目前在液晶顯示器領域非常受歡迎。這項技術的主要技術在眼鏡上，它的眼鏡片是可以分別控制開關的兩扇小窗戶，在同一臺放映機上交替播放左右眼畫面時，通過液晶眼鏡的同步開閉功能，在放映左畫面時，左眼鏡打開右眼鏡關閉，觀眾左眼看到左畫面，右眼什么都看不到。同樣翻轉(zhuǎn)過來時，右眼看右畫面，左眼看不到畫面，就這樣讓左右眼分別看到左右各自的畫面，從而產(chǎn)生立體效果。這種技術從原理上來講是最正統(tǒng)的3D技術，對投影幕、投影機的亮度沒有特殊要求，而且效果也非常出色，同時成本的控制也相對簡單。最重要的是這種技術對于片源或是游戲沒有要求，可以馬上實現(xiàn)3D效果。是目前市面上顯示效果最好、最便宜的3D解決方案。