裸眼立体显示技术

《电脑爱好者》2017年第1期 2017-06-22 10:06专题 标签:裸眼立体显示技术

需要佩戴眼镜观看的立体显示会带来很多不便,而且大都对图像质量有影响,更难以进行多人互动操控,这些恰恰就裸眼立体显示技术的优势。与3D眼镜方式不同,裸眼立体显示的原理差距非常大, 常见的技术包括全息式、体积式、多平面式和2D多工式等。

1.全息式(Holographic)

→优势:技术成熟容易取得,是能够进行较好互动和替代真实物品的选择

→劣势:影像大小常受限于设备的大小。

全息式又称为全像式、立体照相术,是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术(图12)。全息图上的每一部分都记录了物体各个点的信息,所以每一部分都可以再现整个原物的立体图像,甚至可以通过多次曝光在同一张底片上记录多个不同的立体图像。

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全息显示技术在各种很多大型场合进行展示使用,如在运动会、舞台上进行物体重现或交互,也可在博物馆中精确地重现展品,人们无需任何额外设备就可以直接观看全息技术重现的立体图像(图13)。

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2.体积式(Volumetric)

→优势:真正能够实现动态效果3D图像。

→劣势:影像中央有旋转轴,越靠近轴心的影像旋转速度则越慢,所产生的立体影像也因此较为模糊。

体积式是一种利用激光扫描立体影像的显示器,所以其被称为体积式显示器。它主要是利用一个快速旋转的垂直圆盘,配合由底下投影的激光光源,利用激光光源投射到快速旋转的旋转面时会产生的散射效应,扫描空间中的每一点(图14)。它是真正能够实现动态效果的3D技术,它也可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。它的缺点是影像中央必须有一个旋转轴,靠近轴心的影像旋转速度较慢,立体影像较不清晰。

体积式三维显示技术可分为扫描体显示器(Swept-Volume Display)和固态体显示(Solid-Volume Display)器,代表分别为Felix3D和Perspecta,以及DepthCube。其中DepthCube是比较先进的技术,它是一种背投立体式显示器,采用层叠液晶屏幕方式来实现立体显示,20层显示屏沿着X轴从前至后排在一起,这20张显示屏都是可以开关的液晶显示屏,只有一张是工作的,其他为透明的,而图片也只投射到工作的显示屏上(图15)。它使用高速数字光处理(DLP)投影器,每秒可以投射1000张“图片片断”,让每个屏幕的刷新率都可以达到50Hz,足够欺骗我们的眼睛,当然它需要的1000Hz图像刷新速度对主机是一个比较大的负担。

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3.多平面式(Multi-Planar)

→优势:成本容易控制。

→劣势:前后面板的对位困难,对观赏角度有较高要求。

多平面式立体显示主要原理为利用两个面重叠的液晶面板,在两个面板显示大小相同的影响,利用物体和观赏者之间远近不同的距离,会有明度及颜色上的差别,进而重叠前后物体影像,使观赏者在视觉上产生立体感。由于此形态的立体显示是将两个二维影像重叠,因此只有在特定的正视方向观赏,才会有较佳的立体显示效果,其余观赏角度效果不佳。

4.2D多工式(2D Multiplexed)

→优势:目前常见的裸视3D技术。

→劣势:亮度衰减和视角问题仍存在。

2D多工式(2D Multiplexed)是近年来厂商普遍采用的3D成像方式,其基本原理是将两张或数张具有视差的2D画面分别分割成不同的像素组合,再交叉排列起来,用特殊的光学元件形成针对左右眼不同的视域,然后分片或分时显示针对左右眼的画面。这样不需要透过特殊眼镜,就可以让用户的左、右眼看到视角不同的平面影像,可产生立体的感觉。

2D多工式又可再细分为空间多工式、时间多工式、自动观者追迹式。空间多工式把显示画面间隔划分为左、右眼影像显示区域,利用视差屏障或柱状透镜阵列同时把影像分别投向左右眼,以达到立体效果。所谓视差屏障是一种黑色与透明相间的直线条纹,用以进行分光,并置于距离液晶面板一小段距离处,让观赏者的右眼只能接收到液晶面板投给右眼的像素区,左眼则只能接收到液晶面板投给左眼的像素区(图16)。但是当光线通过黑色直线条纹区域时,由于光线被吸收,亮度会减少一半以上,所以对图像总体亮度有影响。

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目前较成熟的空间多工式3D成像方法为柱状透镜式(Lenticular Lens),柱状透镜是利用制作成长条状的凸透镜,将奇数和偶数列像素的光线以不同角度平行射出,因此在一定距离和角度内,左右眼就会看到不同的影像。柱状透镜的优点在于不会牺牲屏幕亮度,不过多视角会造成解析度严重下降的问题。由于透镜的制作精度以及与显示面板对位准度的困难度极高,因此制作成本也较高。

相较于空间多工式,时间多工式是利用特殊设计的分光机制,如显示器前方加上透明与不透明线条交错的光栅,在不同的时间点把左、右眼影像连续投射至观赏者的左、右眼,让左右眼仅能透过光栅看到属于不同视域的像素,以达到立体显示效果。由于此视差光栅可以采用印刷式光学膜设计,因此成本比空间多工式低。并且,只要在显示面板上方再增加一片LCD面板开关,就能做到不固定区域的2D和3D任意切换(图17)。

自动观者追迹式3D显示技术是结合摄影机追踪观者眼睛,自动动态调整左右眼图像视角以跟随人眼位置,由于只产生两个视角,可提供较好的3D分辨率,适合单人使用,较偏重在特定专业应用上。

从原理可以看出,实现方式相对简单,成本较低的2D多工式立体显示,是最适合个人用户的裸眼立体显示方式,事实上,相关产品也已经出现在了市场上。1999元的SuperD 3D Box是一种相当轻巧的裸眼3D设备,它采用折叠结构,合盖时的尺寸类似于带有硬套的iPad mini(图18)。它采用人眼追踪技术和柱状透镜式3D显示屏,可以实现全高清的裸眼3D。SuperD 3D Box的主要应用方向是与手机连接,可以用3D模式玩手机游戏、看手机视频和直播等,是目前比较成熟的个人裸眼3D设备。另外SuperD还推出了使用柱状透镜式3D显示屏,并且对VR进行了优化的手机,价格只有1299元,不过其硬件配置较低,除非对立体显示有特殊要求,否则并不建议购买。

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对于喜欢玩掌机游戏的用户,New 3DS或New 3DS XL/LL则是裸眼3D最佳的选择,它是3DS的新版产品,也采用了柱状透镜式3D显示屏,可以实现立体显示,并且支持3D摄像。New 3DS的屏幕比3DS略大(图19),New 3DS XL/LL则和前一代,其分辨率都没有变化,相对于目前的实际应用来说,它们400×240的3D图像显示能力显得有些过时。

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○ 总结

立体显示并非只有所谓的VR设备一种形式,而且其他的立体显示方式在分享、互动等能力上还有可能比VR更强。特别是未来在真正的虚拟现实应用中,可以多人同时观看裸眼3D,特别是能够与多用户实现即时互动和反馈操作的投影式立体显示,才是家庭娱乐,商业应用等领域最好的选择,同样是非常值得我们关注的技术。

 

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