裸眼3D显示技术的应用探讨

宋晓燕，金佳斌，黄火梅，崔鑫儒，梁蔓竹，莫叶伶，梁德成

（1.上海理工大学，上海 200093；2.上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 200025）

裸眼3D显示技术运用眼球的视觉差异原理：给左、右眼传送不同的画面，当左、右眼的画面在大脑合并时，就能产生立体的视觉效果，无需任何辅助工具[1]。目前，裸眼3D技术主要分为光屏障式技术、柱状透镜技术、指向光源技术和多层显示技术。光屏障式技术实现方法是在背光模组与LCD面板间安置“视差障壁”，该装置形成的条纹状光栅能够对观看者的左、右眼进行选择性阻挡，导致左、右眼看到的画面不一样，进而形成立体图像；柱状透镜技术则是在液晶显示屏前加了一层柱状透镜，使像素被分解后投射到不同的方向，观看者的双眼看到不同方向的像素也就形成了立体图像；指向光源技术在3D显示设备的基础上搭配了两组LED并配合高速的CPU，将分别对应左、右眼的影像依次快速显示，再利用人的双眼视差经过大脑对影像信号的处理形成立体影像；多层显示技术用一前一后两个不同的屏幕模拟深度，系统显示前景与背景图像时，就能显示出任意角度的三维图像[2]。

裸眼3D显示技术因为体验感优、舒适性强等特点而得到快速发展，并促进了许多领域的技术革新，应用前景不可估量。基于此，本文主要就裸眼3D显示技术在教育、培训、医疗、工业等领域的应用进行了探索，以期为裸眼3D显示技术今后的应用方向提供一定参考，从而推动裸眼3D显示技术的发展。

1 裸眼3 D显示技术的应用

1.1 教育方面

1.1.1 基础教育

与传统2D视频教学相比，3D视频教学能更生动形象地展现教授内容，提高学生的注意力和学习效率，使课堂教学效果达到最佳。而裸眼3D显示技术的出现和运用，克服了戴眼镜看3D视频所带来的眩晕感和视角受限等缺点。如在地理的地质结构、物理化学的物质结构、生物体的结构组成等一些基础知识教育中，应用裸眼3D显示技术可以使学生对物质的空间构造和运作原理有更深层次地了解，降低学习难度，加深学生对原理和所必备的基础知识的记忆和掌握。

1.1.2 实验教学

裸眼3D实验教学视频比2D视频更逼真地呈现实验教学内容，减少实验教学环境与真实场景的差异，增强实验的说服力，提高学生的体验感，使学生在学习过程中更准确地掌握操作技巧，而且裸眼3D视频还可以重复使用，降低成本支出。因此，对于设备和资源价格昂贵的实验，教师可以通过相关的3D视频在课堂中演示，不仅能使学生更好地掌握所学的知识要点，还节约成本和时间。此外，对于具有安全隐患的实验，利用3D显示技术可以减少各种不确定因素导致的危险。

1.1.3 医学教育

在医学教育中，仅仅依靠课本图片和2D教学视频，学生是无法细致全面地了解人体和器官的结构组成的。同时，经典的“师傅带徒弟”式临床学习方式受带教老师专业水平、学习场所条件等因素制约，学习效果会大打折扣[3]。然而，若在课堂上利用裸眼3D视频进行教学，学生将会更直观地认识到人体和各器官以及病灶的内外部立体构造与三维特征，并且无需佩戴辅助工具，方便了师生或学生之间的互动，不但提高学生上课的积极性，也节约了老师讲解模型的时间，保证教学进度与质量（见图1）。此外，裸眼3D视频资源可以并购到图书馆，作为共享学习资源让学生自主学习，并且还可以设立专门的裸眼3D学习教室，用于特殊教学。

图1 上海理工大学宋晓燕副教授团队研发的“基于裸眼3D显示的医学教育、培训与临床显示系统”

1.2 培训方面

培训一般以实地观摩教学为主，但由于人眼视觉、场地等条件受限，受训者很难全方位观察到操作的详细情况。若使用裸眼3D技术，将老师的实操过程拍摄成视频或在线直播，受训者可以通过3D影像从任意角度观察，“身临其境”地学习，提高学习效率和质量。

如在微创手术培训中，平面的手术操作影像无法使观看者准确把握切割位点和病灶信息。利用裸眼3D技术将医生手术过程通过立体影像投射出来，受训者便可通过观看3D影像了解手术过程和病灶信息，然后进行学习。培训过程还可以通过“互联网+裸眼3D显示”的方式，采取直播观看和在线点播相结合的方式进行培训，减少了人数过多、空间过小及手术室无菌原则等对培训的影响，还能使更多基层地区和不同需求层次的人获得公平共享的学习机会，有效解决医疗资源分布不均的问题[4]。与此同时，实训生可以通过实时传输或者录制的裸眼3D影像，实现足不出户考察多个工厂或医院等实践场地的目标，也方便老师对实训生进行管理，还能克服实训地点遥远或者经济条件有限等困难。

1.3 医疗方面

1.3.1 诊断辅助

在医学会诊和远程诊断中，医生都需要借助医学影像来获取病人的相关信息，以此对患者的病情做出全面细致的思考和分析，从而获取正确的诊断和制订治疗方案。因此，让医学影像最大化地反映实物显得尤为重要。目前的医学影像大多通过普通的2D平面显示器呈现，对病灶区域的表现力不足，无法真实地展示病情，不利于医生从各个角度观察病灶，容易误诊。裸眼3D显示技术能将病灶部分的具体三维结构逼真地展示在医生眼前，同时免去佩戴3D眼镜的麻烦，更方便交流互动。对于远程会诊，裸眼3D显示技术与5G技术的配合使用，能实时传输会诊视频，3D的立体效果又让每位医生有亲临现场之感，有助于进行诊断，能够提高医生诊断的准确性和效率。

1.3.2 手术辅助

医生在进行微创手术时，需要观看医学影像了解人体内情况。2D影像不利于医生准确把握患病部位的定点切除和治疗，有可能导致手术的失误。裸眼3D技术可以通过立体影像的投射，很好地展示患者的病灶信息，方便医生进行手术定位，直接抵达病灶进行治疗，避免手术操作对其他重要生理结构的损伤，从而缩短手术时间，提高手术的精确性和成功率，实现直观手术引导，同时也提高了医生观看的便捷性和舒适性。因此，利用裸眼3D显示技术进行手术辅助特别适用于口腔、腹腔、胃肠等需要借助医学影像进行操作的手术。

1.3.3 治疗辅助

立体的3D影像能使人沉浸于虚拟场景之中，对人的知觉与感觉产生一定的影响。因此，利用裸眼3D显示技术可以对一些受场景影响较大的疾病进行治疗，如精神疾病的诊断和治疗。精神疾病鉴别诊断要结合身体检查和具体的知觉、情感、意志行为的表现，有些精神病患者在生活中的表现与常人无异，但在特定场景下受到刺激就会导致病发，如强迫症、狂躁症等。因此，我们可以利用裸眼3D显示技术虚拟场景，辅助精神病人的诊断和治疗。当然，还有很多疾病或者身体问题可以通过裸眼3D显示技术制造场景来辅助治疗，如近视眼、术后康复等。

1.4 工业方面

1.4.1 机械维修

当高精深的仪器和设备损坏时，修理师需要借助显微镜对其复杂而细微的结构进行修理。传统的显微镜只能看到平面图像，对于需要准确定位和判断故障的修理不利。如果通过裸眼3D显示屏幕来观察需要修理的部位，立体真实的效果更有助于故障的排除和判断，提高修理的效率。如纳米机器人的维修、机械钟表的维修等。

1.4.2 工作辅助

裸眼3D技术可以应用于3D内窥镜设备的研发，不仅能对弯曲管道深处探查，观察不能直视到的部位，还能在密封空腔内观察内部空间结构与状态，实现远距离观察与操作，从而准确地观察物体内表面的真实状况。这一技术，可以用于汽车、航空发动机、管道、机械零件等的开发设计和无损检测，还可以应用于建筑设计和制造等。

1.5 其他方面

在文化展示方面，如在博物馆、康养文化馆内运用裸眼3D技术展示内容，更能使遨游其中的人体验到文化的熏陶。在餐饮领域，裸眼3D菜单让客人能更直观、清晰地了解每道菜的大小和状态，增强顾客的体验感。在人工智能方面，机器人家庭医生很有可能在未来普及。应用裸眼3D技术的机器人可以通过网络将主人病情的具体情况传送给医生，通过立体的影像，医生能更准确地了解到病人的身体情况，以此决定治疗措施，这给行动不便的老人提供了便捷，避免了路途奔波和医院排队的麻烦。在阅读方面，裸眼3D显示的阅读器使读者在翻页时有看纸质书的感觉，同时阅读器还能针对老花眼和近视眼自动调节文字模式，避免了戴眼镜的烦恼。在健身方面，受天气约束或者喜欢在家锻炼的人可以通过裸眼3D展示的健身教学视频，实时直播健身，其他人可以通过观看互相交流心得、相约锻炼。在服装方面，只要把每种服装和不同体型的人穿上的效果的视频录入裸眼3D显示器，顾客就可以根据颜色和体型的需要点击相关的视频进行3D立体播放，从而更直观地了解服装的效果。这适用于不能试穿的服装店，不但节约试衣间的安装空间，还能吸引顾客。

此外，关于裸眼3D显示技术在其他领域的应用还有很多，这里就不一一赘述，但是它必将成为未来人类社会必不可少的一项技术。

2 裸眼3 D显示技术的发展

裸眼3D显示技术目前还存在着分辨率较低、制作成本高、可视角度和距离小等缺点，因此，未来仍需要在以下三个方面对裸眼3D显示技术进行改进和创新。

首先，我们要培养技术开发人才，充分发挥大众的智慧。因此，政府可以通过适当增加对各高校或企业相关技术研发经费的补贴，企业可以对研发人员实行合理的奖励机制，各高校需要通过举办比赛或者科普知识等方式来激发学生的创新精神，以此培养行业领域3D技能人才，满足发展的需求。同时，鉴于大众对裸眼3D技术地了解程度较低，还需要推广并促进裸眼3D显示技术地应用，让人们体验到裸眼3D显示技术的优越性。

其次，我们要丰富裸眼3D视频资源，加强相关硬、软件的建设。由于裸眼3D显示技术还没有大规模投入使用，所以我们目前具备教学、培训价值的裸眼3D教学视频有限，需要继续扩大教学资源库的建设。同时，裸眼3D技术在我国还处于研发的初步阶段，对于3D技术可视化表达、相应支持工具、展示工具及播放平台的研究尚显不足，且随着用户对体验感要求的提高，裸眼3D视频的分辨率、刷新频率、色彩度等所带来的数据越来越庞大，未来几年应加大软、硬件的开发，以便更好地服务于教与学[5]。

最后，我们要开发新型显示材料，探索新型显示方式。我们可以通过开发新型显示材料，降低裸眼3D技术的应用成本，提高立体影像的分辨率和可视角度及距离，还可以从新的角度探索裸眼3D技术，摒弃目前主流的双目视差的实现方式，在物理空间上真实呈现3D立体特征，或者直接绕过眼睛得到视觉信息这一环节，从脑信息层面实现3D立体的视觉感受[6]，有助于提升显示效果和体验感。

3 结束语

不管是远程操作，还是近处观察，裸眼3D显示技术以其巨大的优越性，将在教育、培训、医疗、工业等领域中发挥重要的作用。但是，裸眼3D显示技术目前分辨率低、成本高和可视角度及距离小的问题还有待解决。随着科学技术的不断进步，未来必将突破现有的瓶颈，提高裸眼3D技术在人类生活中的应用。