自由立体显示

3D显示技术

自由立体显示（auto stereo）是一种不需要佩戴任何观察设备（如3D眼镜）就能直接观看3D图像的显示技术。

概述

众所周知，现实世界是真正的三维立体世界，而现有的显示设备绝大多数都只能显示二维信息，并不能给人以深度感觉。为了使显示的场景和物体具有深度感觉(也就是3D)，人们在各方面进行了尝试。3D显示技术的研究经历了十几年的发展，取得了十分丰硕的成果，从各种手执式观测器、3D立体眼镜、头盔显示器，到现在最新的不需要眼镜的3D显示器，有用棱镜的、透镜的、光栅的、电子开关的等等很多成果。广泛应用的主要有3D Glasses和HMD，但它们都具有这样或那样的缺点。最近又研制出一项最新成果——一种不需要眼镜的立体显示器，它弥补了3D Glasses和HMD的许多缺陷。本文将对它们作详细介绍，并展望其在虚拟现实中广泛的应用前景。

立体成像原理

现实世界是三维立体世界，它为人的双眼提供了两幅具有位差的图像，映入双眼后即形成立体视觉所需的视差，这样经视神经中枢的融合反射，以及视觉心理反应便产生了三维立体感觉。利用这个原理，通过显示器将两副具有位差的左图像和右图像分别呈现给左眼和右眼，就能获得3D的感觉。现实世界给人眼丰富的信息，生立体效果的主要有静态视差和运动视差。

立体显示的分类

1 立体眼镜

这种方式下两眼要佩戴补色眼镜，两只眼睛分别感受同一点视差图像的补色部分。通过大脑融合后能得到较好的深度和彩色信息。这种方式的缺点是很难完全真实的还原彩色信息，可能会有一定色偏。对那些只在一个眼睛成像的点无法色彩还原。另外，长时间佩戴此种眼镜可能会觉得头晕和眼球干涩。

2.头盔显示器（HMD）

HMD是目前3D显示技术中起源最早，发展得最完善的技术，也是现在应用最广泛的3D显示技术。其基本原理是：在每只眼睛前面分别放置一个显示屏，两个显示屏分别同时显示双眼各自应该看到的图像，当两只眼睛看见包含有位差的图像，3D感觉便产生了。现在HMD的种类很多，根据不同的需要，有单目的、双目的；有全投入式的；也有半投入式的。HMD存在着许多缺点：例如佩戴HMD观察，必然减少观察显示试验的娱乐，舒适和自然；人眼如此近距离聚焦容易感到疲劳；屏幕成像太小，必须尽可能放大以达到和人眼所见视野相一致；而且HMD的造价也比较昂贵等。

3.自由立体显示（auto stereo）

针对上述3D显示技术的诸多缺点，最近又研究出一种新型的3D显示技术，观察者不需要佩戴任何观察仪器就可以直接看见3D图像。这种技术按实现方法分主要有透镜法和光栅法两种。在两种方法中都用了一种合成的图像，包含竖直的交替排列的图像条纹，这些条纹由具有位差的左图像和右图像构成。在透镜法或光栅法中都有一个液晶显示屏，通过排列一种普通的颜色过滤器来显示合成图像，该图像由许多竖直的一个像素宽(比如说显示RGB的3个点)的条纹状图像组成，但是即使是在观测区域中也会引起色彩分离现象，为了防止色彩分离现象，合成图像中必须用1个点宽的图像条纹，这样就需要一个额外的信号转换电路。而且，这种合成图像不适合现在广泛应用于3D显示的顺序区域立体显示方法。

自由立体显示——立体显示的发展和趋势

不需要佩戴任何辅助工具的自由立体显示方式，又称“裸眼式3D技术”，由于其个方面的优点，必然成为立体显示的发展趋势。当今欧美等国和国际大公司的研究方向也主要集中这个方向。基于液晶显示器的自由立体显示技术主要有如下几种。

1.视差照明技术

视差照明技术是美国DTI(Dimension Tech—nologies Inc．)公司的专利，它是自动立体显示技术中研究最早的一种技术。DTI公司从20世纪80年代中期进行视差照明立体显示技术的研究，1997年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。利用视差照明实现立体显示的原理很简单，在透射式的显示屏(如液晶显示屏)后形成离散的、极细的照明亮线，将这些亮线以一定的间距分开，这样观察者的左眼通过液晶显示屏的偶像素列能看到亮线，而观察者的右眼通过显示屏的偶像素列是看不到亮线的，反之亦然。因此观察者的左眼只能看到显示屏偶像素列显示的图像，而右眼只能看到显示屏的奇像素列显示的图像。这样观察者就能接受到视差立体图像对，产生深度感知。

2 视差屏障（Barrier）技术也被称为光屏障式3D技术或视差障栅技术，其原理和偏振式3D较为类似，夏普公司欧洲实验室的工程师们经过10年的研究开发。能在三维/二维模式间转换的自动立体液晶显示器，并于2002年底成功推向市场。视差屏障技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、一个偏振膜和一个高分子液晶层，利用一个液晶层和一层偏振膜制造出一系列的旋光方向成90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过这些条纹的光就形成了垂直的细条栅模式，夏普公司称之为“视差障栅”。在立体显示模式时，哪只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就由这些视差障栅来控制。应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼。如果把液晶开关关掉，显示器就能成为普通的二维显示器。

3 微柱透镜投射(Lenticular Lens)技术菲利普公司对立体显示技术的研究是基于传统的微柱透镜方法。该公司的自动立体液晶显示器是在液晶显示屏的前面加上一层微柱透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素，双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。但同时像素间的间隙也被放大了，因此不能简单的叠加子像素。更好的做法是使一组子像素交叉排列，这是一个创新。菲利普的另一个改进让柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度。这样做是为了使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。

4 微数字镜面投射技术

牛津大学和麻省理工学院对三维显示技术都研究得较早，并取得了一些突破性的进展。最近两校连手进行的视顺序立体显示技术的研究，更是引起了人们的极大兴趣。这种视顺序立体显示器允许观察者在不同的位置观察不同的图像，并能实现运动视差。不象很多运用柱透镜和视差障技术的立体显示器，视顺序技术使用时分多用的原理，实现不牺牲分辨率的立体效果。但视顺序显示器的光路设计要求长光路，因此难以实现小型化。

5 指向光源（Directional Backlight）技术对指向光源（Directional Backlight）3D技术投入较大精力的主要是3M公司，指向光源（Directional Backlight）3D技术搭配两组LED，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序（sequential）方式进入观看者的左右眼互换影像产生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。前不久，3M公司刚刚展示了其研发成功的3D 光学膜，该产品的面试实现了无需佩戴 3D 眼镜，就可以在手机，游戏机及其他手持设备中显示真正的三维立体影像，极大地增强了基于移动设备的交流和互动。

6 多层显示(multi-layer display)技术

在2009年4月，美国PureDepth公司宣布研发出改进后的裸眼3D技术——MLD（multi-layer display多层显示），这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板，实现在不使用专用眼镜的情况下，观看文字及图画时所呈现3D影像的效果。

另外，国内厂商欧亚宝龙旗下的Bolod裸眼3D显示器如今已经发展到第四代，产品也全部实现高清显示，在国内的3D显示行业处于领先位置。

立体显示的问题和改进方向

一方面，显示技术本身影响着自动立体显示技术，自动立体显示技术将随着显示技术的发展而发展。另一方面，在影视制作公司、计算机软硬件开发公司没制作出很多可以在立体屏幕上使用的三维产品之前，立体显示技术是难以推广的。目前，一个致力于推动三维显示技术及其应用发展的三维国际联盟已成立，该联盟现在由70余家公司和机构组成，包括三洋、夏普、索尼等5家核心公司及一些硬件制造商、软件开发商、系统开放商、影视制作公司、广播公司及研究机构等。

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