真三维立体显示技术应用及发展

真三维立体显示技术应用及发展

摘要：真三维立体显示技术（True 3D Volumetric Display Technique）是计算机立体视觉系

统中最新的研究方向。基于这种显示技术，可以直接观察到具有物理景深的三维图像，

真三维立体显示技术图像逼真、具有全视景、多角度、多人同时观察和实时交互等众多

优点。

一、真三维显示概况

三维显示是对物体固有的三维信息进行记录、处理和再现的可视化过程，可分成四大类。第一类是基于阴影等心理深度暗示的二维屏幕透视显示，即所显示的图像只有心理景深，没有物理景深，缺点是不能直观表达深度信息，三维空间立体感完全取决于观察者的想象重构能力，容易产生混淆。第二类是基于双目视差暗示的体视对显示，缺点是视角有限，焦距固定，多数情况下需借助助视仪器，非自然的深度感容易引起错觉、视觉疲劳及头痛等不适。严格地说，这两类显示不能提供完整的深度暗示，都不是真正意义上的三维显示。在空中交通管制、军事战术和战略显示、医学成像等应用场合，三维信息可被看作是结构性的——即视觉上属于三维结构或是数值性（超多维数据），使用前两类伪三维显示技术，容易丢失第三维信息，无法显示出具有真实空间感的三维立体图像。第三类的全息显示能再现图像的幅值和相位信息，因此能利用二维介质显示出虚拟三维效果，使观察者有三维视感。但全息显示设备复杂，要求很宽的信号传输带宽和巨大的信息存储容量。第四类的三维显示利用人眼视觉系统固有的三维数据处理结构，显示出占据着真实体积空间的三维图像信息，因此被称为真三维立体显示。

二、真三维立体显示技术原理

真三维立体显示技术是直接将三维数据场中的每个点在一个立体的成像空间中进行成像，每一个成像点（x, y, z）就是真三维成像最基本的单位——体素点（voxel），一系列体素点就形成了真三维立体图像。

2.1 静态体成像技术

在一个由特殊材料制造的透明立体空间里。一个激励源把两束激光束照到成像空间上，经过折射，两束光相交到一点，便形成了组成立体图像的具有自身物理景深的最小单位——体素，每个体素点对应构成真实物体的一个实际的点，当这两束激光束快速移动时，在成像空间中就形成了无数个交叉点，这样，无数个体素点就构成了具有真正的物理景深的真三维立体图像，如图所示。

2.2 动态体扫描技术

动态体扫描显示技术是依靠显示设备的周期性运动构造成像空间，例如屏幕的平移、旋转等运动来形成立体的成像空间。在该技术中，通过一定方式把要显示的立体图像用二维切片的方式投影到一个屏幕上，该屏幕同时做高速的平移或旋转运动，由于人眼的视觉暂留，从而在人眼中观察到的不是离散的二维图像切片，而是由它们组成的三维立体图像。因此，使用这种技术的立体显示系统可以实现图像的真三维显示。根据屏幕的运动方式可以将动态体扫描显示技术分为两种：平移体扫描显示技术和旋转体扫描显示技术。

三、真三维立体显示技术研究

目前在国内，浙江大学现代光学仪器实验室、南京航空航天大学自动控制系的沈春林教授都已经开展了真三维立体显示技术的专门研究。南京航空航天大学对真三维立体显示技术的研究非常重视，在校学科建设中给予了大力支持，

生物医学工程系也已对这种全新技术展开全面深入地研究。在国外，从上世纪四十年代开始，美国、德国、日本、俄罗斯等国家就已开始进行真三维立体显示技术的研究。美国和德国都已经取得了一定的成果，研制开发了球状显示技术。

3.1 真三维立体显示技术的应用

真三维立体显示技术是三维立体显示技术发展的一个全新领域，不受二维的显示平面限制，能够在三维空间中显示具有物理景深的三维立体图像。因此，这种全新技术可以应用于与图像处理、图像显示有关的很多领域，在给人们带来众多方便的同时也在很大程度上促进了一些学科或研究的发展。

在生物医学工程领域中，近20年来，尽管计算机断层技术（CT）、核磁共振成像（MRI）和超声（US）等医学影像技术已广泛用于疾病的诊断，但它们只能为医生提供病变部位的一组二维断层图像[20]。医生固然可以凭借多年的临床经验，估计病灶的大小及形状，但这种诊断方法缺乏客观性和准确性。对脏器或组织进行三维重建[21]后，利用真三维立体显示技术可以清楚地看到其各个方位，并且对于感兴趣区域（ROI，如脑部，病灶区域等）可以进行分割，单独对其进行显示，能够更加清楚地了解病灶情况。

在手术导航方面，目前外科手术正在向微创发展，如微创神经外科，介入手术、内窥镜手术等正在迅速地发展。目前已应用于临床的介入疗法，是采用两台平面显示器来定位，但是不易准确定位，医生在手术过程中的观察角度也受到限制。使用真三维立体显示技术，可以获得三维空间中立体图像。术前，可为手术入路的选择提供依据；术中，可实时显示重要血管以免误伤，让医生充分了解病人手术部位周围的血管和各类组织的位置情况，帮助医生准确地定位。例如，在做脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿孔，然后将放射性同位素准确地安放在脑中病灶部位[22]，既要使治疗效果最好，又要保证整个手术过程及放射性同位素不损伤正常组织。利用真三维立体显示技术在重构出的人脑。

3.2几种典型的真三维立体显示系统

3.2.1 静态体成像技术控制模型

首先介绍的是如图所示的一种静态体成像技术控制模型，在一个透明的成像空间里，两束激光交点通过计算机控制在材料空间内按照指定的轨迹作寻址扫描，可以观察到因两束激光相交激发转换材料而主动发光的三维立体图像。为实现此目的，在控制模型中需要提供成像空间来显示三维立体图像，同时要操纵外围设备控制激光束的运动以及光电开关的闭合，以便按预定的地址扫描，在空间产生体素。

3.2.2 DepthCube三维立体显示器

如图所示，是美国一家公司研制的DepthCube三维立体显示器，它是一种基于平移体扫描显示技术采用嵌入式系统的立体显示器。而最早在40年代，Parker and Wallis就已经设计出基于平移体扫描显示技术的立体显示器[28]。DepthCube 立体显示器主要由一个高速的图像投影仪和一个多平面光学元件两个部分组成。多平面光学元件由20个液晶发射显示屏组成，投影仪每秒发射1200个图像切片，每一个切片被投影到相应的位于不同深度的显示屏上。当这些图像切片快速连续的投影到三维空间时，由于视觉暂留，从而形成了有真实立体感的三维图像。这种显示器没有依靠显示屏幕的平移运动来构造成像空间，而是由不同的显示屏分布在不同的深度来模拟显示屏幕的平移运动，构成立体的成像空间，也达到了真三维立体显示的效果。

3.2.3. 基于旋转体扫描显示技术的Felix 3D显示器

如图2.9所示是基于旋转体扫描显示技术的Felix 3D显示器[10]。它可以显示标准的应用CAD软件所产生的图像，可以利用FELIX控制软件进行实时交互转换。图像通过声光检流计发射到旋转屏上。显示器的标准设计使用户能够并行操作多个发射单元。Felix 3D显示器的优点是简洁、轻便、可扩展和容易运输，它的主要部件既便宜又简单，符合标准化。

四、总结

随着科技的发展和社会信息化程度的提高，实现逼真、大容量复杂信息的三维立体显示变得极为必要；而随着激光、计算机等先进技术的发展，三维图像的立体显示技术已经取得了突破性的进展，现代的三维显示方式希望能通过一个三维立体的显示器来直接显示三维图像，从而使三维物体图像既有心理景深，又有物理景深。这种显示器被称之为真三维立体显示器（True 3D V olumetricDisplay），与之相关的基于体素（voxel）的技术则称为真三维立体显示技术（True3D V olumetric Display Technique），真三维立体显示技术的研究

是研制真三维立体显示器的关键。利用真三维立体显示技术可以得到直观的具有实际物理深度的三维图像，具有全视景、多人多角度直接观察、实时交互等优点，具有广阔的潜在应用前景。

参考文献：

[1] 韩绍发，孙国良，真实感三维图形生成中混淆与反混淆技术[J]，光电工程，1994；

[2] 蔡履中，刘华光，光学三维显示技术，现代显示，1996；

[3] 王肇圻，张慧娟，母国光等，用于微电子硅芯片液晶显示的反射式中继目视系统，光学学报，2002；

[4] 王辉，李勇，金洪震等，三维面形测量数据的计算全息可视化，光学学报，2003；

[5] 魏娜，王珏，刘明宇，基于Visualization Toolkit的脑模型三维重建方法研究，中国康复理论与实践，2005；

[6] 何晖光，田捷，杨骅等，三维医学影像诊断工作站-3Dmed，中国体视学与图像分析，2001；

[7] 潘峰，武威，杨轶璐等，视觉定位脑外科手术机器人系统的坐标映射，东北大学学报(自然科学版)，2005；

[8] 石琼，沈春林，真三维立体显示技术中静态成像技术的死区分析，计算机应用研究，2004。