真三维立体显示技术研究现状与进展

摘 要:文章从双目视觉机理角度介绍了立体显示的相关原理,阐述了真三维立体显示的相关概念, 同时解释了基于体素的三维显示技术,介绍了国外真三维立体显示技术的最新发展情况,并介绍我实验室自主研发的固态体积式真三维立体显示器的最新研究进展。

关键词: 立体视觉; 真三维立体显示; 固态体积式真三维

中图分类号:TN141 文献标识码:B

Review on Research Progress of True-3D Volumetric

Display Technology

LIU Tao1,2, LV Guo-qiang1, TONG Hao1,2, CHANG Yun-fei1,2

(1. Key Lab of Special Display Technology, Ministry of Education, National Engineering Lab of Special Display Technology, Key Lab of Advanced Display Technology of Anhui Province Institute of Opto-Electronic Technology, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China; 2. School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, HFUT, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract: From the perspective of the binocular stereoscopic display mechanism, the relevant principles true three-dimensional display is introduced in the paper. The voxel-based concepts related to True 3D volumetric display is figured out. the latest developments of the foreign of real three-dimensional display technology are listed; the progress of our self-developed solid-state volumetric 3D display system of our lab is introduced.

Keywords: stereoscopic vision; true-3D volumetric display; solid volumetric true-3D

引 言

近年来,随着光学技术、微电子技术和计算机技术的进步,立体显示技术也获得了飞速的发展。显示器一直以来都是人们接触最频繁的电子产品,而显示技术的进步也代表人类在追求更真实的视觉享受。从早期的黑白电视到彩色电视,再到现在的高清电视,无一不是追求更自然、逼真的影像品质,而立体显示技术的发展提供了人们更进一步的视觉体验,除了一般的影像与色彩外,还提供了立体空间感受。

人们对客观环境的感知总是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等自然地获取,对系统的控制也自然地借助自动跟踪系统,即利用性能先进的传感器对人置及力度进行有效的探测。换言之,人们对客观世界的感知方式有多种,借助视觉所能获取的信息量远远超过了通过听觉、触觉、嗅觉及味觉等其它方式所能获取的信息量,而且视觉可产生客体景物的深度感,即提供客体景物的立体三维信息[1]。

要实现三维立体显示,有必要搞清楚人眼为什么会产生立体视觉。人体生理学研究表明,立体视觉是人类双眼的高级功能,可以感知周围物体的间距、深度和体积,并且只有具备正常的双眼解剖结构和生理功能这两点才能建立立体视觉功能,而现在的立体显示技术也是基于这两点实现的。

1 双目立体视觉的机理

双眼视物时,主观上可产生被视物体的厚度以及空间的深度或距离等感觉,称为立体视觉(stereopsis)。同一被视物体在两眼视网膜上的像并不完全相同,左眼从左方看到物体的左侧面较多,而右眼则从右方看到物体的右侧面较多,来自两眼的图像信息经过视觉高级中枢处理后,产生一个有立体感的物体形象。然而,在单眼视物时,有时也能产生一定程度的立体感觉,这主要是通过调节和单眼运动而获得,而这种立体感觉的产生与生活经验、物体表面的阴影等也有关。但是,良好的立体视觉只有在双眼同时观察时才有可能。双眼视觉的优点是可以弥补单眼视野中的盲区缺损,扩大视野,并产生立体视觉,如图1所示。

2 立体显示的实现

要重新呈现出立体的感觉,目前最重要的方向,大多还是想办法让两只眼睛看到左右眼各自不同的画面,而为了做到这一点,也衍生出了各式各样不同的方法。

目前在二维显示器中的立体显示技术就是针对以上人眼的生理特点,想办法去“欺骗”人眼,使之产生“伪”立体视觉感。基于这种思想,目前技术已比较成熟,即从人眼的生理结构特性入手利用双目视差原理实现。这种方法由于贴近于人眼本身的立体视觉原理,所以在立体感的细节显示上效果极佳,但由于每变化一下视角的位置就需要生成两幅双目视差的对应图像,这就需要大量的后台数据计算,而且该技术没有完全脱离二维平面的显示方法,其视角非常有限,尽管可采用视角跟踪设备,却也无法达到180 °。 但是,所有这些利用心理景深和双目视差产生的立体视觉,都有一定的通病,就是使用较长时间后,会使人眼感到不适[2] 。仅仅能够暂时地欺骗人眼,但人眼需要不断调节,当它所需的细节得不到满足时,它就会努力去获取,这样就会产生疲劳和头晕等症状,这种症状的产生是由于利用双目视差原理,在一个二维屏幕上同时对左右两只眼睛显示两幅具有视差的图像,从而产生立体感的显示,强迫我们聚焦于一定距离,然后通过眼睛的辐辏运动看清图中的物体,人为地割裂了人在注视这一动作中适应性调节与辐辏的相关性,可以说根本原因在于它们都不能提供足够的产生自然立体视觉的线索。因此,要从根本上实现立体显示,还是要立足于物理上真正的三维立体显示,即具有物理景深的真三维立体显示。

3 真三维立体显示

真正的三维立体显示首先要摒弃传统的二维显示空间,实现在物理三维空间的显示[3],而且不采用虚拟显示眼镜这类辅助设备的光学方法产生双目视差。迄今为止所有商业化信息显示器(CRT、 LCD、 投影仪等) 都只能显示二维图像和文字 ,人们无法从被显示的图像上获得物体的三维信息或感受到物体的物理深度。所谓“真三维显示”, 是指被显示图像的每一个三维像素点 (又称为 “三维体素” 或“体元”,Voxel ) 位于三维物理空间中的真实位置,每个体元的亮度和色彩可控,体元之间的相对空间位置关系真实地体现在三维显示系统中, 从而组成真正意义上的三维空间图像。观察者可以通过变换观察位置从不同角度看到被显示图像的不同侧面。多个观看者可以同时从不同角度观察同一被显示三维物体,如同观察真实的三维物体一样。真三维显示能够带给观察者完备的心理和生理的三维感知信息,为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。从基本原理上讲,真三维显示就是要在三维空间中显示三维体素,也就是提供给观察者物理景深,这就需要建立三维成像空间或三维显示空间,即通常所说的显示屏。

目前,真三维显示技术主要是体三维显示技术和全息技术, 后者一般只能生成静态的三维光学场景,并且很多理论还没有得到应用[4,5]。目前, 比较成熟的是体三维显示技术,已经有部分商业产品是基于体三维立体显示技术,在此重点介绍这种技术。

体三维显示是真正能够实现动态效果的3D技术,它可以让你看到科幻电影中“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为旋转扫描式显示(swept-volume display)和固态体显示 (so l i d -volume display)两种。其中,前者的代表是Perspecta和Felix3D[6],而后者的代表为Depth Cube[7]。

旋转扫描式体三维立体显示技术制造成本低、结构简单,但目前存在着不少难以解决的问题,如亮度低、抗振动性差以及不适合大屏幕应用场合等;而固态体积式立体显示技术既可以提高亮度,又能够适应大屏幕应用场合,其前景也更广阔[8]。

3.1 Perspecta立体显示器

Actuality三维立体显示器是采用旋转屏幕技术的一种新产品,它采用一个XGA级别的高分辨率(1,024×768)投影仪将图像投影到一个旋转屏幕上,该屏幕同光学投影器件和3 组起转向投影作用的平面镜一起,以600rpm或以上的速度旋转 。被投影的图像实际上是呈放射状的“图像切片 ”, 由于视觉暂留,这些图像切片快速连续地投影到三维空间, 从而在人眼中形成有真实立体感的三维图像(如图2所示 ) 。Perspecta立体显示器采用了名为空间光处理(digital light processing)的技术,其核心是三块基于微、机、电系统(MEMS)的DLP光学芯片,每块芯片上均布设了由百万个以上数字化微镜像器件(digital micro-mirror)组成的高速发光阵列,这三块DLP芯片分别负责R/G/B三色图像,并被合成为一幅图像,由经底座中的固定光学系统以及随马达同步旋转的光中继镜片的反射,最终被投影至屏面。

3.2 Felix3D显示器

Felix3D拥有一个很直观的结构框架,它是一个基于螺旋面的旋转结构(如图3所示),一个马达带动一个螺旋面高速旋转,然后由R/G/B三束激光会聚成一束色度光线,经过光学定位系统打在螺旋面上,产生一个彩色亮点,当旋转速度足够快时,螺旋面看上去变得透明了,而这个亮点则仿佛是悬浮在空中一样,成为了单个体像素(空间像素,Voxel),多个这样的Voxel便能构成体直线、体面,直到构成一个3D物体。目前这套系统仍处于实验室阶段。

3.3 Depth Cube系统[7]

相对于上面提及的两种体三维显示技术,Depth Cube系统则代表了目前固态体显示技术的最高成就,它采用了一种很特别的方式即层叠液晶屏幕方式来实现三维立体显示,它的外形就像一台80年代的电视机一样,Depth Cube的显示介质由20个液晶屏层叠而成,每一个屏的分辨率为1,024×748像素,屏与屏之间的间隔约为5mm。这些特制屏体的液晶像素具有特殊的电控光学属性,当对其加电压时,该像素的液晶体将像百叶窗的叶面一样变成平行于光束的传播方式,从而令照射该点的光束透明穿过。而当对其电压为0时,该液晶像素将变成不透明,从而对照射光束进行漫反射,形成一个存在于液晶屏层叠体中的Voxel。在任意时刻,有19个液晶屏是透明的,只有1个屏是不透明的,呈白色的漫反射状态。Depth Cube将在这20个屏上快速地切换显示3D物体截面从而产生纵深感,它还采用了一种名为“三维深度反锯齿”(3D depth anti-aliasing)的显示技术来扩大这20个屏所能表现的纵深感,令1,024×748×20的物理三维空间分辨率实现高达1,024×748×608的显示分辨率。和Perspecta一样,Depth Cube也采用了DLP成像技术,由于Depth Cube的观察角度比较单一,主要是在显示器的正面,因此并不需要像Perspecta一样高的帧频,其每秒钟仅需显示1,200个截面即可产生足够的体显示效果。

3.4 固态体积式真三维立体显示系统

对于待显示的三维物体,依据物体深度信息,将该三维物体的二维等深度投影截面,投影到距离由观察者远近不同的投影屏幕组成的显示体对应的深度位置上,利用人眼的视觉暂留原理,三维物体应在不超过1/24s的时间内完成在显示体上的一次投影成像。由于这种显示方式是对待显示三维物体的空间立体成像,因而可在显示体前方任意位置实现立体观看,是真三维立体成像[8],如图4所示。

如图5所示,我实验室完成了光学引擎及显示体的安装调试,该系统已经可以正常工作并达到预期效果。

现阶段的研究工作主要是逐步将该系统完善,使其向更环保、更节能、更能应用于生产生活的方向发展。由于原来投影引擎的光源存在着两大弊端: (1)必须有分色合色系统。光源发出的光被反射聚光镜反射后,通过分色系统将白光分解为红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色,顺序照射在空间光调制器件(space light module,SLM)上,图像信息由电信号加到SLM中,调制后的R、G、B三色通过投影物镜顺序投影在屏幕上,经过人眼混合形成彩色图像;(2)功耗大。UHP拥有最长的使用寿命,用于背投领域的光源寿命可达6,000～15,000小时。UHP通过带脉动的驱动电源保持电弧稳定发光,能有效稳定电极从而抑制闪烁的发生,具有非常稳定的颜色光谱性能和优越的光通量维持率。但是要达到12,000 lm的光通量就要使用200W的UHP灯泡,才能满足设计要求,这对未来的生产是极其不合适的。所以,目前实验室正在研究使用性能更好的LED光源替换原来的UHP光源,改进UHP光源的不足。

4 结论

三维立体显示技术是近年来兴起的热门研究,并且正逐步走向完善。本文从双目视觉机理角度介绍了立体显示的相关原理,详细地讨论了当前真三维立体显示技术的工作原理,每种方法都有其优势和应用场合。而立体电视、户外媒体、移动通信等产业对新显示技术的需求,也极大地推动了三维立体显示技术的发展。与此同时,同国外研究相比,国内三维立体显示技术的发展仍处于研究阶段,还没有相关技术的应用,这需要我们显示技术研究者投入更大精力去学习和研究真三维显示技术,从而促进该技术的应用。

参考文献

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[8] 高伟清,冯奇斌,吕国强等. 固态体积式真三维显示器高速投影镜头设计[J]. 激光与光电子学进展, 2010, 011204.

作者简介:刘涛(1987-),女,满族,吉林四平人,在读硕士研究生,主要从事真三维立体显示技术及热分析研究。E-mail: 。