关于3D显示的研究与应用前景

王少典

（南京市金陵中学 江苏 南京 210000）

1 引言

我们所生活的是一个三维的空间，人类大部分的经验来自于对深度信息的感知。3D显示由于其存在深度信息，所以能够实现很多2D显示所不具备的功能。而纵观现如今大部分的电子产品，很多都还停留在2D显示的水平上。这和以前的图像处理技术的水平有关。随着科技发展，图像处理技术突飞猛进。目前的图像处理硬件实现了微型化、高效化、和低发热的特性。同时，各种3D显示的光学方案层出不穷，为3D显示技术的普及奠定了基础。本文将会通过对3D显示技术原理的研究，讨论各种3D显示方案的优缺点，并提出一定的改进意见。

2 3D显示的基本原理

人脑之所以能感觉到三维立体图像主要是由于外界物体的光从左右两个不同角度进入人的两只眼睛并且经过大脑对图像的分析与合成才得以实现。这正是3D技术依赖的生物基础。3D显示技术的方法虽然有很多，但在原理上都是为了使人的两只眼睛呈不同的像以实现3D效果。下面将按顺序依次介绍分析几种3D显示技术。

2.1 色差式

原理：放映时两个不同的放映机放出不同色彩（主要为红蓝色）的从两个角度分别拍摄物体的画面，人眼佩戴具有对应颜色镜片的色差式眼镜。因为相同色彩的镜片只能通过相同色彩，所以可实现两眼呈不同的像，达到在人脑中呈3D图像的效果。

优缺点：色差式相比于其他3D显示技术最大的优点就是成本低廉，这也正是为什么色差式眼镜成为早期家庭3D体验首选的原因。然而同时色差式技术也有着3D显示技术最致命的弱点——图像一定程度的缺失，由于只是单纯的滤色使得这种技术更难保证对图像原画的呈现效果。其次，虽然轻便的设计缓解了一点对脸部的压迫感，但红蓝色的配色也会使许多用户出现不适的状况。

2.2 偏光式

a.线偏振式

原理：光波是横波，横波具有偏振现象。运用只允许通过特定方向横波的偏振片可以代替色差式眼镜中滤色镜片的作用。在拍摄立体图像时就使用偏振片筛选出特定方向的光，如模拟左眼的摄像机前放置横偏振片，另一台摄像机放置垂直方向的偏振片，这样在摄像时便可得到两种不同的图像。让观看者佩戴偏光式眼镜。左眼佩戴与摄像机对应的横偏振片镜片，右眼也佩戴相应镜片。放映时，相应的图像信息只能通过相应的偏振镜片进入相应的人眼，以此实现3D显示。

优缺点：偏振光技术的应用不再需要红蓝等互补色的使用，因此偏振式眼镜的色彩损失是很小的，同时偏振片本身接近透明，色彩校正也更为容易。其次，虽然偏振式眼镜成本较色差式的昂贵一点，但相比于其他3D显示技术成本还算较低，相对于色差式技术其又拥有更良好的影视体验，更优秀的性价比。这也使其成为各大影院播放3D电影时的首选方案。然而早期的偏振技术只能单纯的过滤纵向和横向的偏振光，这对使用者的观看姿势要求很高，每当观众稍稍偏离一定角度，所看到的图像就会异常。所以就有了对偏振式显示技术的改良即圆偏振式技术。

表1 各项3D显示技术的综合对比

b.圆偏振式

原理：圆偏振式技术与线偏振式的原理大体上是一致的。不过这里的偏振光分别有规律地左旋和右旋，原先接受线偏振光的镜片也被改造成接受圆偏振光的镜片。

本技术与线偏振技术都是利用偏振光的特性以达到在人两眼上呈现不同的像的效果。不同的是由于圆偏振式镜片筛选掉的偏振光只与偏振光旋转方向有关，不存在特定的偏振指向，这就允许观众观看时不必保持头部水平。但是，即使圆偏振技术的应用解决了偏振眼镜的部分问题，偏振技术仍然有分辨率减半、亮度损失等缺点。可见偏振技术想要进一步占领市场还需要许多改进。

2.3 快门式

原理：根据人体的视觉暂留现象，通过提高画面的刷新率也可以产生两眼观察到不同影像的效果。这项技术需要有一个显示器以一定的速度轮流切换左右眼应看到的图像，观众则需要佩戴特殊的快门式眼镜，这种眼镜也以同样的速度轮流将某一镜片变为黑屏，这样可以让左眼该看到的图像只进入左眼，右眼的只进入右眼，以此达到两眼“同时”收到不同的图像，从而产生立体效果。当然这里的“同时”指的是时间极短，对于人眼来说视觉暂留可持续0.1s～0.4s，但要避免抖动感则要求每只眼睛看到的画面刷新率达到60Hz，整个显示器的刷新率要达到120Hz，且要保持与2d图像播放时相同的帧数。

优缺点：对于显示器要求不高，只需达到120Hz即可，同时特殊的时分设计使得每一帧图像的分辨率不会受损。然而120Hz的频率对于如今的液晶面板和驱动装置等要求较高，能耗较大。尤其是快速的闪动对眼镜的要求也很高，这就造成快门式眼镜是几款3D显示技术眼镜中最重的。且眼镜有一半时间处于黑屏，图像亮度也大打折扣。诸如此类的缺点使得快门式在市场中的地位渐渐下降。

3 关于偏光式和快门式3D显示技术的改进方案

结合偏光式显示技术和快门式3D显示技术的优点，在此提出一个改进方案。即通过快门式3D显示技术中显示屏交替显示不同偏振方向上的左右眼图像，然后再搭配偏光式3D显示技术里的圆偏振式眼镜观察图像，以此达到3D立体成像的效果。

改进优点：由于是由显示器交替显示，因此可以弥补偏光式技术中包括不闪式3D显示技术的分辨率减半的缺点。同时由于运用了只允许通过特定方向圆偏振光的偏振镜片，其也摆脱了交替显示图像的时间间隔对于眼镜的束缚，观众佩戴的眼镜更轻，体验也更好。

4 裸眼3D

原理：与其他3D显示技术不同，裸眼3D 技术主要通过将不同的图像直接投射到人的两眼来实现立体成像。显然，这一技术在抛弃了“通过眼镜区别左右眼图像”这一传统概念后无疑对图像定向投射的技术水平要求会更高。裸眼3D一般有3种方式，下面依次介绍分析。

a.液晶光栅

光栅由挡光的屏障和透光的裂缝两部分组成，可以放在显示屏前方或后方。显示器轮流显示右眼和左眼的图像，利用光栅遮挡形成视差的效应，保证了两只眼睛看到的图像是不同的。借助视觉暂留现象便可达到立体成像效果。

优缺点：这项技术通过遮光的形式使图像分离，简单方便，可以轻松的将显示模式在2D和3D之间转换。但同时其固定的遮光装置也使得观众所能拥有的观察位置极为有限，交替显示技术的应用对于液晶面板和驱动装置要求也是较高的。

b.指向光源

即通过有指向的光源将图像投入人眼中实现3D显示。本技术搭配两组LED和快速反应的LCD面板，借助显示屏的交替显示使图像以序列方式进入人眼产生3D效果。对指向光源技术投入较大精力的是3M公司，目前本技术尚未成熟，仍处于研发阶段。

c.柱状透镜

通过透镜使光折射的特点让不同的光射向不同的方位以此达到在两眼中呈不同的像。由于透镜的折射率一般是固定的，所以这项技术需要观众在特定的位置才能得到最合适的像。当然随着技术的改进，运用光的几何性质通过构建多视点的显示场景，可以使这种显示方式的可视范围变大，以此甚至能达到多人同时裸眼观看3D显示屏的效果。同时柱状透镜也避免了交替显示的弊端，且不会挡住光线，对硬件要求也没有指向光源高，所以具有成本低、亮度高等优点。

5 全息投影

原理：在拍摄时其利用干涉原理记录物体光波信息：物体在激光辐照下反射的物光束和参考光束叠加产生干涉，并在全息底片上产生干涉条纹，通过独一无二的干涉条纹记录物体的空间信息，形成全息照片。放映时利用衍射原理在相干激光照射下还原全息照片，并在透明成像膜所产生的空间中直接生成立体图像。

优缺点与应用前景：不同于以上所有的3D显示技术，全息投影技术并没有把技术中心放在让人的两眼看见不同的图像，而是着眼于对3D物体形状、位置、色彩等要素的还原。正是由于这一特性使得全息投影技术所产生的视觉效果更为逼真，立体感极强。对于物体的高还原度也使得这项技术肩负着使3D显示技术具有互动功能的使命。当然由于其全息图复杂的形成方式，以及许多诸如无法在自由空间中成像等技术问题，全息投影技术短期内难以像其他3D显示技术一样大规模市场化。

6 结语

综上所述，3D显示技术正不断地向立体感更强，观看限制更少的方向发展。纵观未来，3D显示技术甚至会对医疗，教育等行业产生深远影响。当然，3D显示技术要想蜕变成崭新的未来技术仍有很多路要走，现有的3D显示技术仍存在着许多类似于分辨率减半、亮度损失、成本昂贵等问题亟待解决，还有譬如实现3D图像在自由空间的显示，实现3D图像的互动功能等仍需要多方的共同努力。

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