三维立体显示综述

摘 要:按基本工作原理是否为双目视差将三维立体显示分为两大类。基于双目视差原理的三维立体显示主要有眼镜/头盔式立体显示和光栅式自由立体显示,这类三维立体显示的技术相对成熟并有相应产品;非基于双目视差原理的三维立体显示主要有全息立体显示、集成成像立体显示和体显示等,这类三维立体显示的技术较不成熟,大多没有相应产品。对这些三维立体显示的器件结构、工作原理以及各自的特性进行了阐述。

关键词:立体显示;双目视差;全息;集成成像;体显示;自由立体显示

中图分类号: TP391.9; TN141

文献标志码:A

Survey on stereoscopic three-dimensional display

WANG Qiong-hua1,2, WANG Ai-hong1

1. School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;

2. Key Laboratory of Fundamental Synthetic Vision Graphics and Image for National Defense, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China

Abstract:Stereoscopic three-dimensional displays are classified into two types according to their operation principles. One type is based on binocular parallax. Eye-glasses/helmet stereoscopic displays and stereoscopic displays based on parallax barrier or lenticular belong to this type. Their technologies are relatively mature and corresponding productions are common. The other type is not based on binocular parallax. Holographic display, integral imaging display and volumetric display belong to this type. Their technologies are under development and corresponding productions are in lack. The device structures, operation principles and characteristics of the various stereoscopic displays were briefly expounded

Key words:stereoscopic display; binocular parallax; holography; integral photography; volumetric display; autostereoscopic display

0 引言

现实世界是一个三维立体世界,随着社会的发展,目前通常的二维平面显示在某些方面已不能满足人类的需求,人们希望显示器能真实地还原显示出空间的三维信息。因此,三维立体显示[1-2]应运而生,并不断得到发展,成为当今显示领域的一个研究热点。

19世纪30年代, 科学家 Wheatstone 着手研究人的视觉,并于 1838 年发明了立体镜,拉开了人类对三维立体显示研究的帷幕。20世纪中后期,随着计算机信息领域的发展以及平板显示器的出现,三维立体显示蓬勃发展。日本、韩国、欧美等国家从20世纪80年代开始了三维立体显示的基础研究,各国根据自身的情况,开发了各种技术和产品。我国三维立体显示虽起步较晚,基础薄弱,与国际水平存在差距,但也有不少高校、研究所和公司企业对立体显示开展研究并取得了一些成果。

三维立体显示有着广泛的应用前景。如果说黑白显示器是第一代产品,彩色显示器是第二代产品,那么立体显示器就是第三代产品。

1 三维立体显示分类及概述

自19世纪30年代开始,经过接近两个世纪的发展,已开发出各种三维立体显示。本文按其基本工作原理是否为双目视差将三维立体显示分为两大类。所谓双目视差[1]是指人两眼间有一定泳,在观看物体时左眼和右眼所接收到的视觉图像略有差异。基于双目视差原理的三维立体显示为观看者的左右眼提供同一场景的立体图像对,采用光学等手段让观看者的左右眼分别只看到对应的左右眼图像,这样便使观看者感知到立体图像。这类三维立体显示的技术相对成熟并有相应产品,但存在观看视疲劳[3]等问题。非基于双目视差原理的各种三维立体显示的工作原理各不相同,如利用光学干涉衍射原理、人眼视觉暂留效应以及人眼视错原理等。这类三维立体显示不存在观看视疲劳,但技术一般不成熟,大都没有相应产品。下面对这些三维立体显示作简要阐述。

1.1 基于双目视差原理的三维立体显示

基于双目视差原理的三维立体显示技术主要有眼镜/头盔式立体显示和光栅式自由立体显示两类,前者技术和产品都较成熟,后者已有一些产品,但其性能大多有待提高,因此,这类三维立体显示仍是目前的研究热点。

1)眼镜/头盔式三维立体显示。

眼镜三维立体显示按其工作原理主要分为三类:一是基于波长,如红绿、红蓝等互补色立体眼镜的三维立体显示,其主要特点是技术成熟、成本低,但不能显示彩色图像;二是基于时序立体眼镜[4]的三维立体显示,其显示屏分时显示左右视差图,并通过同步信号发射器及同步信号接收器控制观看者所佩戴的液晶快门立体眼镜,使得当显示屏显示左(右)眼视差图像时左(右)眼镜片透光而右(左)眼镜片不透光,其主要特点是要求显示器的帧频为普通显示器的两倍,一般需要达到120@Hz;三是基于偏振眼镜[5]的三维立体显示,显示屏上左右眼视差图的光线为互相正交的线偏振光或左右旋圆偏振光,观众配戴上相对应的偏光眼镜就可以观看到立体效果。

头盔式三维立体显示[6]是在观看者双眼前各放置一个显示屏,观看者的左右眼只能分别观看到显示在对应屏上的左右视差图,从而提供给观看者一种沉浸于虚拟世界的沉浸感。这种立体显示存在单用户性、显示屏分辨率低、头盔沉重及易给眼睛带来不适感等固有缺点。

2)光栅式三维自由立体显示。

光栅式自由立体显示器[7]主要是由平板显示屏和光栅精密组合而成,左右眼视差图像按一定规律排列并显示在平板显示屏上,然后利用光栅的分光作用将左右眼视差图像的光线向不同方向传播,当观看者位于合适的观看区域时其左右眼分别观看到左右眼视差图像,经过大脑融合便可观看到有立体感的图像。根据采用的光栅类型可分为狭缝光栅式自由立体显示和柱透镜光栅式自由立体显示两类。

狭缝光栅式自由立体显示器又分为前置狭缝光栅和后置狭缝光栅两种[8],其结构与原理图分别如图1(a)和图1(b)所示。图1(a)中狭缝光栅置于平板显示屏与观看者之间,观看者左右眼透过狭缝光栅的透光部分只能看到对应的左右眼视差图像,由此产生立体视觉。图1(b)中狭缝光栅置于平板显示屏与背光源之间,用来将背光源调制成狭缝光源。当观看者位于合适的观看区域时,从左(右)眼处看显示屏上只有左(右)眼视差图像被狭缝光源照亮,那么左右眼就只能看到对应的左右眼视差图像,由此产生立体视觉。

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图1 狭缝光栅式自由立体显示器的结构与原理

柱透镜光栅式自由立体显示器[9]的结构与原理如图2所示,利用柱透镜阵列对光线的折射作用,将左右眼视差图像分别提供给观看者的左右眼,经过大脑融合后产生具有纵深感的立体图像。

狭缝光栅式自由立体显示由于狭缝不透光部分对光线的遮挡,从而导致立体图像亮度相对于平面图像损失严重;而柱透镜光栅式自由立体显示由于采用透明的柱透镜,除了透镜对光线的吸收外立体图像亮度基本没有损失。这两种光栅式立体显示由于在平板显示器上同时显示两幅或多幅视差图像,从而导致立体图像分辨率相对于平面图像有所降低[10]。光栅式自由立体显示由于其结构简单、易于实现、无需佩戴辅助观看装置及立体显示效果良好等优点得到立体显示研究人员的青睐。然而要使光栅式自由立体显示得到广泛应用,还需要研究人员不断提高其性能,改善其立体显示效果。

┑3期

王琼华等:三维立体显示综述

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┆扑慊应用 ┑30卷

1.2 非基于双目视差原理的三维立体显示

非基于双目视差原理的三维立体显示主要有全息立体显示、集成成像立体显示以及体显示等,它们的技术和产品都尚不成熟,需要开展更深入的研究工作。

1)全息立体显示。

全息技术是利用干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,形成“全息图”,全息图中包含了物光波前的振幅及位相信息。当用相干光源照射全息图时,基于衍射原理重现原始物光波,从而形成原物体逼真三维图像。全息立体显示是一种真三维立体显示技术,观看全息立体图像时具有观看真实物体一样的立体感。全息图的每一部分都记录了物体各点的光信息,故即使全息图有所损坏也照样能再现原物体的整个图像。通过多次曝光可在同一张底片上记录多个不同图像且互不干扰地分别显示出来。

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图2 柱透镜光栅式自由立体显示器的结构与原理

近年来,随着计算机技术的发展和高分辨率电荷耦合成像器件(Charge Couple Device,CCD)的出现,数字全息技术得到迅速发展。与传统全息不同的是,数字全息[11]用CCD代替普通全息记录材料记录全息图,用计算机模拟取代光学衍射来实现物体再现,实现了全息图记录、存储、处理和再现全过程的数字化。

要使数字全息技术得到广泛应用,需对其基础理论及不足之处进行深入研究。数字全息采用CCD记录相干光波,其分辨率与全息干板是无法相提并论的,因此全息图分辨率比较低,从而严重影响图像清晰度。通过在全息光路中引入辅助光学元件、缩短记录距离以及扩大记录面的尺寸等措施可一定程度上提高数字全息再现像分辨率[12]。数字全息图再现时,零级像与共轭像严重影响了再现像的信噪比和对比度,需通过在空域滤波或在时域相移等技术来消除零级像和共轭像的影响[13-14]。此外,动态以及实时数字全息记录与再现技术也需要得到不断发展。

2)集成成像立体显示。

集成成像技术也由记录和再现两个基本过程组成,与全息技术不同的是其记录再现过程并不需要相干光的参与,而是利用二维微透镜阵列来实现[15]。如图3(a)所示,第一步将记录介质置于微透镜板的焦平面上,每个微透镜单元从不同的方向记录物体空间的部分信息,将每个微透镜单元所记录的一幅幅小图像称为“子图像”,空间物体的视差信息就被这一幅幅“子图像”记录下来。第二步将记录介质置于具有相同参数的微透镜阵列的焦平面上,用散射光照射,由光线可逆原理就可在微透镜板另一侧观看到再现物体空间场景。如图3(b)所示。

利用集成成像技术实现三维立体显示可供多个观看者同时观看且无需配戴特殊眼镜,观看三维图像时不存在眼睛会聚与调节不匹配的问题,再现的三维场景具有全真色彩以及连续视差。但集成成像技术也具有其自身的不足之处需要改善:1)记录和再现两过程中会产生空间反转,通过两次记录可解决空间反转问题,但图像质量会有所下降,采用负透镜阵列[16]等技术可较好地解决空间反转问题;2)立体观看视角比较窄,可通过透镜开关[17]及非球面透镜[18]等方法来拓宽立体视角;3)可清晰记录的物体景深比较小,一般为几个厘米,可利用双图像平面[19]等方法来增强景深;4)分辨率低,可采用逆光线获取[20]等方法来提高分辨率。此外,子图像间的相互串扰以及透镜单元本身的像差等因素也会影响到集成成像质量。随着对集成成像理论研究的不断深入以及对成像质量的不断改善,集成成像技术将成为立体显示领域的重要研究方向。

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图3 集成成像技术的记录和再现过程

3)体显示。

体显示[21-22]通常是将三维物体分割为点阵或一系列二维图像,再依次扫描,利用人眼的视觉暂留效应形成立体图像。图4(a)中是把三维物体分割为点阵再依次扫描,图中所示立方体是添加了发光物质的透明荧光体,两束不可见波长的光聚焦到同一点进行激发,从而发出可见光,对立方体中每点依次扫描即可形成立体图像。图4(b)中是把三维物体分割为二维图像再依次扫描, 以半圆形显示屏作为投影面,将它高速旋转在空间形成一个半球形成像区域,在旋转的过程中将半圆形显示屏像素有规律的点亮,由于人眼视觉暂留效应从而观看到空间连续的三维图像。体显示可供多个观看者同时从不同角度观看到同一显示图像的不同侧面,且兼顾了人眼的调节和会聚特性,不会引起视觉疲劳。

2 结语

本文按基本工作原理是否为双目视差将三维立体显示分为两大类,并对各种三维立体显示器的结构、基本原理以及优缺点进行了简要分析。和一些研究方向不同,三维立体显示具有百家争鸣、百花齐放的特点,各种三维立体显示各具特点,各有各的使用场合;与其他新兴研究方向一样,立体显示技术还不完全成熟,还有很多未知的认识需要探讨,更高性能的器件和系统等待研制并产业化,相信在不久的将来,人类的立体显示梦想将真正实现。

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图4 体显示的工作原理

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