3D显示技术的原理说明

jupitars · 发表于 2020-9-16 09:13:46

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？立即注册

×

[paragraph]2010年，电影《阿凡达》火爆上映，国人亲身体验了3D显示技术的震撼效果，身临其境的观看感受让人长时间津津乐道。3D的立体视觉效果让人们有了前所未有的“真实”的视觉体验。实际上，继高清之后，3D已经成为显示设备的下一个重心
在惊叹科技带来的改变的同时，我们有必要了解一下3D技术的今生前世，看看那些2D图片是如何跃出纸面的。

3D影像因何而生?
人类的双眼是横向并排，之间大约有 6～7 厘米的间隔，因此左眼所看到的影像与右眼所看到的影像会有些微的差异，这个差异被称为“视差”，大脑会解读双眼的视差并藉以判断物体远近与产生立体视觉。
我们就从人眼谈起。人的两眼相隔在6厘米左右，这意味着假如你看着一个物体，两只眼睛是从左右两个视点分别观看的。左眼将看到物体的左侧，而右眼则会看到她的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时，左右两面的印象合起来，就会得到最后的立体感觉。而这种获得立体感的效应就是“视觉位移”。
如果在制作一部3D电影时，用两台摄影机模拟左右两眼视差，分别拍摄两条影片，然后将这两条影片同时放映到银幕上，放映时加入必要的技术手段，让观众左眼只能看到左眼图像，右眼只能看到右眼图像。最后两幅图像经过大脑叠合后，我们就能看到具有立体纵深感的画面。这就是我们所说的3D影像。
早在19世纪摄影技术刚刚起步时，人们就用2台性能和参数完全相同的相机并列，模拟人的左右两眼，同时拍下两张有着细微差异的相片，之后再透过平行视线法、交叉视线法，或者类似双筒望远镜的专属观看设备等，让人的左右两眼分别观看2张并列拍摄的相片，以重现“视差”，藉以模拟出立体视觉。
随着立体显示技术在电视广播、视频游戏、医疗、教育等领域的应用越来越多，三维显示已从电影银幕向电视终端、计算机终端、智能手机终端、平板电脑终端等发展。
目前主流的三维显示包括立体视觉、头盔式显示器、CAVE、裸眼立体显示器和真三维显示等。3D显示技术主要分为眼镜类3D显示技术与裸眼类3D显示技术两大类型。
眼镜类3D显示技术
眼镜类3D显示技术，我们又可以细分出三种主要的类型：色差式、偏光式和主动快门式，也就是平常所说的色分法、光分法和时分法。
色分法——色差式3D显示技术
色分式俗称为红蓝眼镜式，最突出的特点是观看时所配的眼镜有两片不同颜色的镜片组成，通常一片为红色，另一片为蓝色或者绿色。这种技术早在1915年就被发明并进行了商业应用，也是最早普及的一种3D显示技术。我们若干年前在游乐场之类的场所看到3D动画，几乎都是采用这种技术实现的。
我们知道红色、绿色和蓝色被称为三原色，自然界中的任何颜色都可以由这三种颜色合成，而这三种颜色本身是互斥的，没有任何的交集。色分式3D系统正式利用了三原色互斥的特性。
内容的拍摄部分没有任何区别，只是在后期制作、播放过程中，左图像只保留三原色中的一种颜色，而右图像则只保留三原色中另一种颜色。而观众所配戴色分眼镜也是由这两种颜色的镜片组成。通过色分眼镜对左右图像进行分离，保证左眼看到左图像，而右眼看到右图像。左右两幅图像经过大脑的合成，最终呈现出一帧立体图像。
色分式由于采用了互斥的三原色，因此左右两帧图像即使冲印到同一张底片上，在放映时也可以利用色分眼镜进行完美的分离。正式具有这个特性，现有的显示设备，如电视机、显示器、投影仪等，在不进行升级的情况下就可以进行这种3D影像的显示。同时，色分式3D系统的造价很低廉。
然而，色分式3D系统最大缺陷在于其只采用了三原色中的两种，另一种被丢弃了。因此，在实际显示中偏色非常严重，显示效果大打折扣。正式由于这个缺陷，导致色分式3D系统趋于淘汰。
光分法——偏光式3D技术
“光分式”也被称为“偏振式”。顾名思义，这种技术利用了偏振光的特点。

登录/注册后可看大图

我们知道，光波是一种横波（震动方向垂直于传播方向），是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的震动形成的。我们通常将其电场的震动方向称为光波的震动方向，自然光在各个方向上的震动是均匀的，因而也被称为非偏振光。如果一束光在任意一个特定的时刻只在一个特定的方向上震动，则这束光就是偏振光。

登录/注册后可看大图

偏振光可以通过偏振镜获得，偏振镜就是一个栅栏，其具有震动方向。当一束自然光通过偏振镜时，偏振镜只会这束自然光中与其震动方向一致的一部分光通过，而其他不一致的部分都会被过滤掉。

登录/注册后可看大图

而当一束偏振光经过偏振镜时，如果这束偏振光的震动方向与偏振镜的震动圆偏振光振动方向一致，这束偏振光则全部被允许通过；反之，如果这束偏振光的震动方向与偏振镜的震动方向不一致，这束偏振光则全部被过滤掉。光分式系统正是利用了这一原理。
当系统进行显示时，将左、右图像同时显示在屏幕上。不过左右两幅图像在显示在屏幕上之前会经过不同偏振镜的过滤，如上图所示：左图像用垂直方向的偏振镜进行过滤，成为在垂直方向上震动的偏振光；而右图像则采用水平方向的偏振镜进行过滤，成为在水平方向上震动的偏振光。
与之相对应的是，观众所配戴的偏振眼镜的左镜片的震动方向为垂直方向，右镜片的震动方向为水平方向。这样就能保证做图像最终被观众的左眼所看到，而右图像被观众的右眼所看到，两幅图像经过大脑的合成最终形成一幅具有三维立体感的3D图像。
偏振光具体上分为线性偏振光与圆偏振光两种。在任意一个特定时刻，线偏振光和圆偏振光都只在一个特定方向上震动。而随着时间的变化，线偏振光保持震动方向不变，而圆偏振光的震动方向在垂直于光线传播方向的平面上旋转。而旋转方向又分为左旋和右旋。
早期的光分式3D系统多采用线性偏振光，而采用线性偏振光最大的缺点是观众观看姿势必须尽量保持不变。如果观众歪头或侧身，则眼镜的偏振方向会变得与光线的偏振方向不一致，3D效果会变差，甚至会导致观看者头晕、头痛等现象。
圆偏振光的引入则比较有效的改善了线偏振光的缺点。圆偏振光系统与线偏振光系统的组成结构没有任何的区别，只是将垂直偏振镜与水平偏振镜替换为左旋偏振镜与右旋偏振镜。
光分式的3D成像效果较好，造价相对较低。该技术现阶段主要被各种3D影院系统所采用，如RealD，IMAX等。光分式最大的问题在于没有完美的偏振镜，也无法过滤出完美的偏振光。
因而观众所配戴的偏振眼镜无法对左右图像进行完美的分离，因而导致总有一部分左图像的光线进入右眼，而一部分右图像光线进入左眼。虽然从比例上讲很少，但足以导致3D效果的下降，以及导致一部分观众观看过程中的不适，如头晕、头痛。
时分法——主动快门式3D显示技术
主动快门式3D技术在原理上比前两个更加简单，它直接通过快速交替关闭一只镜片的方式，让双眼在不同时间接收完全不同的画面。只要屏幕的刷新率和眼镜的开关频率完美的配合成120Hz以上，便可以让每只眼睛都得到60Hz刷新率的连贯流畅画面。
相对于前两者，主动快门式3D显示具有更多的优势，它不会产生红（琥珀）蓝3D 的光化学损伤问题，成本及兼容性代价方面也要优于偏振式3D技术。因此目前主动快门式3D显示正在快速的进入市场并进入普及阶段。但因为主动快门式3D技术存在镜片开合操作，因此或多或少都会产生闪烁感，这是目前主动快门式3D技术最大的技术问题。
这种3D技术在电视和投影机上面应用得最为广泛，资源相对较多，而且图像效果出色，受到很多厂商推崇和采用，不过其匹配的3D眼镜价格较高。
裸眼类3D显示技术
显示器屏幕是平面2D的，人之所以能欣赏到真如实物般的3D图像，是因为显示器展现出的图像色彩灰度的不同，而使人眼产生视觉上的错觉，将显示的2D图像感知为3D图像。
眼镜类的3D显示技术是通过眼镜将左右图像分离出来，并分别送到观看者的左右两眼中，实现3D效果。而裸眼类的3D显示技术则是通过调节光的角度使左右两个图像分离出来，并分别送到观看者的左右两眼中，以实现3D效果。
如今的裸眼类3D显示技术，组合了目前人类最新面板制造技术和引擎软件技术，一方面，在生产制造方面，采用在液晶面板前方配置双凸透镜的全景图像方式显示，即在同一个屏幕上，以分割区域显示（空间多功裸眼3D技术）和切割时间显示（分时多功裸眼3D技术）来实现3D显示（见表三）。另一方面，在图像显示方面，通过计算机图像处理技术，将已有的2D图像和3D图像的左右两眼的视差，转换为9视差的3D图像。
裸眼类3D显示技术目前主要有：光栅式、柱状透镜式、全像投影式、体积式、分时多工式等几种
光栅式3D显示技术
光栅式与眼镜类3D显示技术最大的区别在于：观看光栅式3D显示系统时不需要配戴眼镜，裸眼就可以进行3D影像的观看。由于这个特点，光栅式3D技术引起了很多厂商的重视，技术和应用上也得到了很大的发展。

登录/注册后可看大图

在具体的实现细节上，光栅式又细分为狭缝光栅式与柱状透镜式。
狭缝光栅式的显示器件被划分为一些竖条，一部分竖条用于显示作图像，而另一部分竖条用于显示有图像，左右相互间隔。而在显示器件的前方则有一些柱状的狭缝光栅。这些光栅的作用在于能够允许左眼看到左图像，阻挡右眼看到左图像；同时光栅允许右眼看到右图像，阻挡左眼看到右图像；
而柱状透镜式与狭缝光栅式的区别在于将显示器件前的狭缝光栅替换为柱面透镜，如右图所示：显示器件同样被划分为竖条，一部分竖条用于显示作图像，而另一部分竖条用于显示有图像，左右相互间隔。利用显示器件前面的柱面透镜的折射作用，左图像的光线射向左眼位置，而有图像的光线射向有眼位置。左右两幅图像最终经过大脑的合成，最终呈现出一帧立体图像。
光栅式的优点很明显：观看者不需要配戴眼镜；其缺点同样明显：
（1）观看者只能站在几个固定的角度才能出现立体效果
（2）现阶段的清晰度也非常低；
（3）工艺难度与成本都很高，尤其难以在大屏幕上实现；
（4）而且无法与2D兼容。
由于以上特点，光栅式3D技术主要被一些电视机厂家用来研发、生产用于广告牌等展示用途的设备。
全息投影式3D显示技术
全息照相投影相对于传统的摄影技术来说是一种革命性的发明。光作为一种电磁波有三个属性：颜色（即波长）、亮度（即振幅）和相位，传统的照相技术只记录了物体所反射光的颜色与亮度信息，而全息照相则把光的颜色、亮度和相位三个属性全部记录下来了。

登录/注册后可看大图

全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光波分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。

登录/注册后可看大图

人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。一张全息摄影图片即使只剩下很小的一部分，依然可以重现全部景物。
全息照相在理论上是一种很完美的3D技术，从不同角度观看，观看者会得到一幅角度不同的3D图像。其它的3D显示技术都无法做到这一点。全息照相可应用于无损工业探伤、超声全息、全息显微镜、全息摄影存储器、全息电影和电视。但是由于技术的复杂，全息投影照相技术目前还没有得到商业应用。
体积式3D显示技术
体积式是由德仪所开发的激光3D投影技术，以激光光照射在一个高速旋转盘上的散射现象，于一个玻璃密闭空间内显示立体物件的每一个点，并组成立体影像。但缺点在于投影物件体积受到限制，且越靠近中央转轴解析度越低。
分时多工3D显示技术
分时多工技术又称为指向背光板技术。以一组指向性背光板搭配快速反应面板，快速切换显示左、右眼影像让使用者观看形成3D影像。
随着技术的进步， 3D显示技术已成功应用到了数字显示领域，3D显示技术和普通消费者的距离已经越来越近了，而作为新起之秀的裸眼3D显示技术必将青出于蓝而胜于蓝，裸眼3D技术在实现成品化、成熟化后。不仅可以实现了裸眼看3D，而且还可以保证3D立体出屏效果的震撼，解决戴着眼镜看3D的束缚与困扰，开拓出一个自由自在享受3D的空间。