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裸眼3D显示技术

2023-3-16 12:24| 发布者：一箫凝月黄| 查看：37823| 评论：0

摘要：裸眼3D显示技术是当前信息显示领域的热门话题之一，包括视差屏障显示技术、柱状透镜显示技术、多视点技术和多层显示技术等。这些技术利用了人眼视觉特性，使左眼和右眼分别接收到不同的图像，从而产生深度感知和立体视觉。其中，视差屏障显示技术兼容现有的LCD液晶工艺，但分辨率降低、亮度减少、存在莫尔条纹等缺点；柱状透镜显示技术结构简单易加工，但观看者只能在特定位置观看、分辨率会降低且存在串扰问题。多层显示技术则是美国PureDepth公司的专利技术。

作者：小小光08
我们所处的空间是一个三维空间(three-dimensionalspace)，在这个空间中，我们接触到的所有物体都是立体的。相对于 2D 显示的扁平化观感，3D 显示不仅可以完整地呈现深度信息，也能够带来 2D 显示所不具有的立体观感和临场感。因此它在工业、医学、军事等方面具有重要应用价值。伴随着数字信息技术的不断进步，3D 显示已成为当前信息显示领域的热门话题之一。各种 3D 显示技术的原理和具体实现手段都利用了人眼的视觉特性，能更逼真地展示我们所处的客观世界。人眼的生理结构决定了人眼视觉特性。人的双眼在观看某一场景时，左眼和右眼看到的图像是具有一定差别的 2D 图像。这两幅 2D 图像经过大脑视觉中枢的处理加工之后，得到该场景的三维信息，从而形成了立体视觉。这一过程即人眼感知三维空间的过程。左眼和右眼观看时每只眼睛的位置被称为视点(viewpoint)，它们观看到的图像的差别则称为视差(disparity/parallax)。视差也是产生深度感知(depth perception)的原因。视差又可以分为正视差(positiveparallax)，负视差(negative parallax)和零视差(zero parallax)。如图1所示，不同的视差值会产生不同的视觉效果：正视差通常让人感觉看到的画面在屏幕的里面；负视差则相反，让人感觉看到的画面浮于屏幕前面；而零视差使人感觉物体刚好处在屏幕上。

图1：不同视差示意图根据视差产生的原理，国内外各个研究机构和公司已提出多种3D显示技术。根据是否借助辅助设备，可分为辅助式3D显示技术和裸眼3D显示技术。辅助式3D显示技术主要是通过佩戴头盔和眼镜等辅助设备来实现3D效果，而裸眼3D显示技术则是从显示设备入手，在显示屏前加一层屏障或者透镜，使左、右眼能够看到不同的图像，这样无需佩戴辅助设备即可产生深度感知。1. 视差屏障显示技术视差屏障显示关键技术是在显示屏前设置了一个视差屏障，如图2所示。

图2：视差屏障显示技术示意图由于视差屏障的遮挡作用，显示屏发出的光只能从屏障的狭缝中通过。每只眼睛通过一条狭缝只能看到显示屏幕上的一列像素。通过设置视差屏障和显示屏之间的距离，使左眼和右眼分别接收到同一场景不同视点的视图，经过大脑视觉中枢的处理和加工之后，便形成了一幅具有深度感的立体图像。视差屏障显示技术最大的优点便在于它兼容现有的 LCD 液晶工艺，并且通过液晶开关控制技术，能够在三维/二维模式间进行切换，因而在成本和量产上有巨大优势。但其缺点也是很明显的：分辨率降低；亮度减少到原来亮度的一半；存在莫尔条纹；相邻可视区域相互影响；观看者的位置是受限制的，只能在特定的位置才能观看到立体影像。2. 柱状透镜显示技术柱状透镜显示技术是在液晶显示屏前面贴合一层微柱透镜。每个柱透镜下面的图像像素被分成R、G、B子像素。子像素光线通过透镜时因折射的存在其传播线路会发生改变，从而使左眼视图送入左眼，右眼视图送入右眼。当增加视点个数时，观众便可在多个方向观看到不同的视图，其原理如图3所示。

图3：柱状透镜显示技术示意图透镜的存在会放大像素间的距离，从而形成摩尔纹(Moiré pattern)，因此需要子像素交叉排列，且让柱透镜与像素列呈一定的倾斜角度以消除这一影响。相比于视差屏障显示技术，柱状透镜显示技术因没有遮挡的存在，屏幕显示亮度较高、观众在观看时3D沉浸感的体验也很好。此外，柱状透镜结构简单，易于加工，因此比较容易实现。然而柱状透镜式裸眼立体显示技术目前仍存在需改善的方面：观看者只能在特定的位置才能观看到立体影像；分辨率会降低；柱状透镜法存在串扰问题。由多条平行放置的柱状透镜构成了裸眼 3D 透镜屏幕，透镜焦平面上的像素发光点经过透镜折射后在空间形成固定的可见区域，从而将左眼图像与右眼图像分开。在一个透镜宽度后面放置多个像素点光源就可以在空间多个位置形成不同角度的视点画面，观看者在不同的观看位置只要同时看到这多个视角画面中的两个就可以感受到深度信息，这种技术被称为多视点技术。多视点示意图如图4所示。

图4：柱透镜光栅多视点成像从图4可以看出，对于柱状透镜光栅焦平面上的像素点，其发出的光线经过透镜后在空间形成固定位置的可视点，如图上形成的4个视点。只要人的左右眼睛分别接收到两个不同视点的图像就可以产生裸眼效果。3. 多层显示技术多层显示技术是美国 PureDepth 公司的专利技术。其原理是在一个显示器内以一定间隔重叠两个或两个以上的显示屏幕，在不同的显示屏幕上显示携带不同深度信息的视频图像。通过多个显示屏幕上图像的融合，便可以达到立体显示效果。其面板放置方式如图5所示。

图5：多层显示技术
用户通过多层显示技术观看3D影像时，不会产生眩晕、头疼、恶心以及眼睛疲劳等副作用。与视差屏障显示技术相比，它的显示分辨率也没有下降，且观看视角也比较大，支持 2D 字幕和 3D 影像的组合显示。但其缺点是需要在一个显示器内放下多个显示面板。该技术对显示面板的透光率也有要求，实现成本极高。此外，立体显示技术还包含全息显示技术。全息显示技术属于真三维立体显示。观众可以在任意的角度裸眼观看影像。全息显示技术涉及复杂的光学技术，如图6所示。