立体显示工作原理

立体显示技术介绍
一、.什么是立体显示？
立体显示或者称为3D显示，是指采用光学等多种技术手段来模拟实现人眼的立体视觉特性，将空间物体以3D信息再现出来，呈现出具有纵深感的立体图像的一种显示方式。

相比于2D显示，3D显示提供给观看者更加强有力的沉浸感和震撼力。

人们之所以能够轻易地判断出物体在空间中的位置及不同物体间的相对位置，是因为人眼具有立体视觉。

人们用以感知空间的主要生理机能有焦点调节、两眼集合、双目视差及单眼移动视差等。

其中，双目视差担负着立体空间知觉的核心任务。

焦点调节是为了把所注视的物体清晰地成像到视网膜上的眼球动作；两眼集合是当人在注视某个物体时左右眼视线往注视点上交汇而产生的眼球动作；双目视差是指由于人的左右眼从不同角度观看物体，从而成像于左右眼视网膜上的图像略有差异；单眼移动视差是指当观看者或被观看物体发生移动时人眼将看到物体的不同侧面。

3D显示就是以人眼的立体视觉特性为基础的。

二、立体显示的实现方法
立体显示的实现方法可分为两大类，为助视3D显示和裸眼3D显示。

•助视3D显示是靠眼睛佩戴助视设备来实现，如大家熟悉的偏光眼镜，这方面技术已成熟，但是也存在一定的缺陷，如亮度低，佩戴舒适度差等。

•裸眼3D显示是通过光栅、集体成像、体3D和全息技术来实现3D立体成像，人眼无需佩戴任何设备，应用前景广泛，是目前显示研究的重点课题。

1．什么是光栅3D显示？
光栅3D显示器由光栅和2D显示器精密耦合而成。

其中，光栅作为分光元件，对光线传播的路径进行一定方式的控制，使观看者的左右眼观看到不同的视差图像。

可应用于手机、笔记本电脑显示和电视。

如光栅3D显示手机就是采用双摄像头采集图像形成3D效果来实
现裸眼立体显示。

光栅3D显示笔记本是采用头部追踪技术，能计算双眼的位置，通过动态光栅输出图像，最大可能的保证用户在移动中也能体验到流畅的3D图像。

同时拥有2D/3D 切换功能，方便用户随时在两个不同视觉效果的画面间穿越。

2. 什么集体成像3D显示？
集成成像技术是利用微透镜阵列对物空间场景进行记录，并再现出空间场景3D的技术。

集成成像包括记录和再现两个过程。

传统的记录过程是用记录微透镜阵列对物空间场景成像，并把像记录到位于微透镜阵列焦平面处的胶片上。

由于构成记录微透镜阵列的每个透镜元从不同的方向记录一部分场景信息，因此，每个透镜元下对应生成了一幅不同方位视角的微小图片，即图像元。

根据这一过程，物空间任意一点的立体信息就被与透镜元个数相同的图像元扩散记录于整个胶片上，而胶片上所记录到的像称为图像阵列。

而再现过程是利用与记录微透镜阵列具有同样参数的再现微透镜阵列，并把记录有图像阵列的胶片放在再现微透镜阵列后方的焦平面处，根据光路可逆原理，再现微透镜阵列把许许多多图像元透射出来的光线聚集还原，从而在再现微透镜阵列的前方重建出物空间场景的3D图像。

由集成成像技术再现的3D图像包含全真色彩及连续的视差信息，观看者可获得观看真实景物的感觉。

由于CCD记录器件和LCD等再现器件的发展成熟，集成成像中的记录端胶片可由CCD 记录器件代替，再现端胶片可由显示屏代替。

如：28视点立体显示器：
•显示原理：柱状棱镜
•视点个数：4（V）×7（H）=28
•屏幕尺寸：55英寸
•图像分辨率：1920×1080
3. 什么是体3D显示？
体3D显示技术是一种能够在真正具有高度、宽度和深度的真实3D空间内进行图像信息再现的技术。

它是通过特殊方式来激励位于透明显示空间内的物质，利用光的产生、吸收或散射形成体素，并由许多分散体素构成3D图像，或采用2D显示屏旋转或层叠而形成3D图像。

此3D图像如同现实3D物体，几乎能满足人的所有生理和心理深度暗示，可供多人多角度裸眼观看，符合人们在视觉观看及深度感知方面的生理习惯，是一种真3D显示。

如：高速响应的DLP投影机动态屏体3D显示：
它将图像投影到一个旋转动态屏上，该动态屏同光学投影器件和三组具有转向投影作用的平面镜一起高速旋转。

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，这些图像切片连续快速地投影到3D空间，从而在人眼中形成有真实立体感的3D图像。

4. 什么是全息3D显示？
全息是指光波的全部信息，即指光波的振幅和相位信息。

全息3D显示是全息视频系统的核心器件空间光调制器SLM，通过计算机控制实现对光的波阵面在空间和时间上编程调制，通过改变波阵面的振幅、相位、偏振达到绘制和重构3D景物。

如：3D 全息透明屏幕：
它是一种采用了全息技术的透明投影屏幕，这种投影屏幕具有全息图像的特点，只显示来自某一特定角度的图像，而忽略其他角度的光线。

即使是在环境光线很亮的地方，也能显示非常明亮、清晰的影像。

简单的说，在屏幕上播放3D画面，就和看电影一样，只不过这个屏幕可以调节透明度
三、立体显示的运用前景
3D显示技术应用前景广阔，可以用在广告、游戏、电视、医疗、科技、教育、制造、建筑和军事等诸多领域。

其中最受人关注的是虚拟现实技术。

它是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作及实时交互的环境。

3D显示技术将物体的空间信息可视化，形成一个逼真的环境，使得观看者仿佛置身于所显示的物体空间中，产生很好的沉浸感。

此外，利用各种带有力反馈的操纵杆、方向盘、数据手套等传感设备将使用者的意志输入计算机，经处理后对3D显示场景中的物体产生影响，从而实现人机交互3D显示。

虚拟现实领域应用非常广泛，如室内设计、城市规划，汽车工业设计和历史古迹重建等。

虚拟现实在军事国防领域也有着众多的应用，如虚拟战场环境与军事训练，高新技术武器的研发，“虚拟”军事地图，虚拟现实在军事医学、救治上的应用，虚拟远程控制机械装备等等。

下面介绍裸眼立体显示的几种应用场景：
1. 会展：
相比于传统的实物加信息板的展示方式，增强现实技术带来层层深入的丰富信息展示能力，贴近自然的人机交互体验，为产品发布会、展览会、产品展示厅带来了全新的展示空间。

同时，展馆内可控并便于调整的环境，为实现最佳的增强现实效果提供了条件。

2. 互动家校通：
推动虚拟现实进入实景体验的增强现实技术，将科普教育提升到一个全新的阶段。

丰富多彩的天文、地理、生物知识不再是课件上的简单图片，而是可以实时互动的三维模型；危险的物理化学实验在家里就可以安全地操作。

此外，将能够借助增强现实技术便捷的进行仿真模拟实验与远程实时协作，从而低成本、高效率地不断创造出新的研究成果。

3. 互动旅游：
基于AR技术旅游景点应用，可取代现有移动二维码旅游景点应用，可实现通过摄像头阅读显示图片、视频和文本融合多媒体显示，极大丰富旅游景点视觉感性效果。

4. 互动图书馆：
该书本需要透过互动，让故事里的小猴子可以顺利的溜下滑梯。

一般平面的故事书，可以透过AR MLT的技术，使书本具有实时互动的效果。

图1 会展图2 家校通
四、立体显示对生活质量的提升有哪些？
在应用方面，与百姓切身相关的主要有三个方面：
1.影视娱乐
3D影片使观看者体验到2D显示无法比拟的视觉冲击力，有着良好的票房，受到越来越多的电影从业人员的青睐。

3D电视被认为是下一代家庭娱乐发展方向，观看者坐在家里
就可以看到栩栩如生的电视节目，尽情享受视觉冲击。

而现在的众多游戏产品都是基于3D 动画技术，若能将游戏和3D显示技术相结合，将使游戏玩家感觉置身于游戏场景中，充分体会游戏带来的紧张刺激。

2.广告传媒
3D显示在广告传媒领域应用广泛。

3D显示在地铁、机场、商场等公共场所已经开始作为新型信息载体使用。

3D数字标牌等广告更易让观看者驻足欣赏，从而留下更深刻的印象，强化广告投放效果，达到了普通宣传手段所不能达到的效果。

3.医疗卫生
3D显示都可以提供比2D显示更多、更准确的视觉信息。

随着各级医疗机构HIS和PACS 的兴建，网络医疗正逐渐成为今后医学发展的一个必然趋势。

其基础核心之一就是可视化的医学模型和图像，它直接影响医生对远端病情的诊断。

应用3D显示技术可以将远方的场景图像传输到医院，医生从3D显示器上所显示的信息更清晰地了解病情，并实时有效地进行诊断和治疗，从而为病人争取宝贵时间。

不仅如此，3D显示在MRI和CAT成像、手术模拟和培训等方面都有重要的应用。

北卡罗莱纳大学的AR辅助B超检查和胸部活组织切片
布朗大学的外科手术培训系统
江苏省真空学会
2013年5月。