3D显示技术介绍1

3D显示技术介绍牛磊2008-8-73D视觉形成的条件要使一幅画面产生立体感，至少要满足三个方面的条件：一、画面有透视效果二、画面有正确的明暗虚实变化真实世界中根据光源的亮度、颜色、位置和数量的不同，物体会有相应的亮部、暗部、投影和光泽等，同时近处的物体在色彩的饱和度、亮度、对比度等方面都相对较高，远处的则较低。如果画面中没有这些效果或是违反这些规律，都不会产生好的立体感。三、双眼的空间定位效果人眼在观看物体时，两只眼睛分别从两个角度来观看，看到的两幅画面自然有细微的差别，大脑将两幅画面混合成一幅完整的画面，并根据它们的差别线索感知被视物的距离。这就是双眼的空间定位，是人眼感知距离的最主要的手段。为什么普通显示器无法再现空间定位感？以上三点只有同时满足才能产生比较完美的立体效果，普通显示器可以实现前两点却无法实现第三点，而所谓的立体显示技术也就是能够再现空间定位感的显示技术。为什么普通显示器无法再现空间定位感？可以藉由观察视差角的不同来理解。视差角就是双眼和一点的两条连线之间的角度，距离近则视差角大、距离远则视差角小，物体的表面有无数个点，那么就有无数个视差角。如图显示，人眼在看真实的圆柱体和看屏幕上显示的圆柱体时，视差角有明显的不同，看屏幕时的视差角实际上和看平板玻璃时是一样的，因此不管屏幕上显示的内容如何变化，立体感始终是一个平面，这也是普通显示器无法实现立体显示的原因。3D显示的原理设法分别向两眼输送两个拍摄角度略有不同的画面，给左眼的画面只让左眼看到，给右眼的只让右眼看到，那么如同前面提到的立体眼镜，调节两幅画面之间的细微差距就相当于调节视差角。实现3D显示的方法一、获得分别提供给左右眼观察的图片。二、将左右眼图片分别提供给双眼。获得分别提供给左右眼观察的图片的方法一、双机拍摄。拍摄电影或图片时将两台照像机或摄像机并排放置，两机间的角度和距离都模拟人的双眼。二、从3D场景中提取。由于3D场景本来就被设计用来可供任何角度观看，所以从中提取两套画面自然不难，提取的两套画面相互间的角度要模拟人的双眼。三、用软件智能模拟。这是利用计算机根据原始画面重新生成两套画面，可用于将现有的普通视频和图片转换为立体显示的片源，但效果略差。将左右眼图片分别提供给双眼的技术立体显示技术的种类非常多，大部分还在实验室中，目前投入应用比较多的是分色、分光、分时、柱透镜和光栅4种技术。分色技术基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。我们眼睛中的感光细胞共有4种，其中数量最多的是感觉亮度的细胞，另外三种用于感知颜色，分别可以感知红、绿、蓝三种波长的光，感知其它颜色是根据这三种颜色推理出来的，因此红、绿、蓝被称为光的三原色。分色技术以红、绿眼镜为例，红、绿两色互补，红色镜片会削弱画面中的绿色，绿色镜片削弱画面中的红色，这样就确保了两套画面只被相应的眼睛看到。其实准确的说是红、青两色互补，青介于绿和蓝之间，因此戴红、蓝眼镜也是一样的道理。分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的这两套画面叠合起来，但不完全重叠，左眼画面要稍微偏左边一些，这样就完成了第一次过滤。第二次过滤是观众带上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边的镜片是蓝色或绿色，由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息，因此右边的镜片不管是蓝色还是绿色都是一样的。分光技术常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让0度的偏振光只进入右眼，90度的偏振光只进入左眼（也可用45度和135度的偏振光搭配）。两种偏振光分别搭载着两套画面，观众须带上专用的偏光眼镜，眼镜的两片镜片由偏光滤镜或偏光片制成，分别可以让0度和90度的偏振光通过，这样就完成了第二次过滤。分时技术分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。目前，用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板，因此也被称为液晶快门眼镜。柱透镜技术该方法是在显示器的前面板上镶上一块柱透镜板来组成立体显示的光学系统，其中柱透镜板是由细长的半圆柱透镜紧密排列构成，这样显示像素的光线通过柱透镜的折射，就把奇、偶列像素上显示的视差图像透射到人的左、右眼，再经视觉中枢的立体融合就获得立体感。光栅技术该方法是在显示器的前面或后面加上一块液晶光栅来组成立体显示的光学系统，通过对光线的阻挡把奇、偶列像素上显示的视差图像透射到人的左、右眼，再经视觉中枢的立体融合就获得立体感。分时、分色、分光技术均需要配戴特殊的眼镜观看，而柱透镜和光栅技术可使用裸眼直接观察，为自由立体显示技术。光栅的位置使用光栅技术可以实现2D/3D的转换，当光栅点亮时，为黑白相间的条纹，此时为3D显示，当光栅不加电时，光栅为透明，此时为2D显示。使用光栅实现3D显示有两种结构。1、光栅位于屏幕和双眼之间；2、光栅位于液晶板和背光板之间；光栅的设计光栅电极设计需满足的基本关系式Ⅰ、对于任意的给定的人眼到显示器的距离x，必须满足如下关系：我们目前的设计采用光栅位置处于显示器与人眼之间，以下仅对此种情况进行讨论。dLL2mtw注：公式中变量的说明公式中变量单位均为mm;65为人的左右眼瞳孔之间的距离，此值为定值；L为人眼到光栅的距离；d为光栅到显示器之间的距离；w为光栅电极的宽度；t为光栅缝隙的宽度；n为人眼观察到的有效像素的宽度；光栅的设计Ⅱ、光栅与人眼的距离和光栅与显示器的距离光栅电极设计需满足的基本关系式dLm65Ⅲ、光栅狭缝与有效像素需满足关系式dLLnt光栅的设计Ⅰ、光栅pitch（w+t）设计只与像素大小有关，与其他因素无关。推论2mm6565twⅡ、光栅电极之间缝隙（t）的宽度由像素大小，有效像素大小决定。m6565ntdLL2mtwdLm65dLLntdLm65光栅的设计Ⅲ、光栅电极宽度（w）的宽度由像素大小，有效像素大小决定。光栅电极宽度越宽，有效像素区域越小。推论n2mm6565ttww)dL(m6565ddLm65同样当光栅与显示器的距离d确定后，也可由公式dm65L求出合适的观察距离L。Ⅳ、人眼与显示器的距离（L+d），显示器像素大小m确定后，光栅与显示器的距离d唯一确定。光栅的设计Ⅴ、光栅与显示器的距离不变，水平移动光栅一定距离x，人眼只需水平移动一定的位置y，即可观察到与原先相同的图像区域。推论xddLydLm65xmm65yyLdxdLm65y65mxⅥ、光栅位置不变，人眼水平移动一定的距离，所观察到的有效区域大小与原先相同，显示器上的有效区域移动距离x与人眼移动距离y之间的关系为：光栅的设计Ⅶ、由上式可推知，人眼在水平方向上的观看范围y（即左右眼观察像素不发生交叠的最大范围）与有效像素区域n的关系为：推论有效像素区域越小，人眼水平观察区域越大。Ldn)-(mydLm65mn)-(m65y光栅的设计步骤由上述的分析可知3D光栅的设计步骤有两种；步骤1：人眼与显示器间的设计距离L+d给定；1、由光栅透过率T=n/m×100%计算出有效像素区域n的大小；2、根据人眼与显示器间的设计距离L+d和显示器像素大小m，计算光栅与显示器之间的距离d；3、根据显示器像素大小m，计算出光栅周期w+t；4、根据显示器像素大小m和有效像素区域n，计算出光栅电极宽度w，光栅电极缝隙t；步骤2：光栅与显示器之间的距离d给定；1、由光栅透过率T=n/m×100%计算出有效像素区域n的大小；2、根据显示器像素大小m，计算出光栅周期w+t；3、根据显示器像素大小m和有效像素区域n，计算出光栅电极宽度w，光栅电极缝隙t；4、根据光栅与显示器之间的距离d和显示器像素大小m，计算出人眼与显示器间的最佳观察距离L+d；光栅的装配方法采用莫尔条纹对位法在显示器上的奇偶像素上分别形成黑白条纹，根据视差遮挡法形成立体显示的原理，使用左眼观察时可以看到全白（全黑）画面，使用右眼观察时可以看到全黑（全白）画面。此时光栅的位置即为最佳位置，将其点胶固定即可。小结光栅挡板实现3D显示优点：1、实现方法简单；2、可以实现2D/3D的转化；缺点：观察区域较小，且周期性变化。要实现批量生产，还需要研发光栅与显示器的对位装配设备。