（精密仪器及机械专业论文）自动立体液晶显示技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

自动立体液晶显示技术研究 摘要 本文研究的是自动立体液晶显示技术。一般的二维显示系统只能把三维物 体以二维平面图像的形式保存、记录下来，同时丢掉三维深度的信息。这并不 是人们所愿意的。自动立体显示技术可以再现丢失的深度信息。自动立体显示 指的是运用光学、微电子技术、计算机技术等在二维显示平面上再现获取的立 体左右眼图像对，以三维立体形式显示出来。自动立体显示技术是不需要佩戴 辅助眼镜装鼍就能实现三维立体效果的显示技术。 文中对当前的自动立体显示技术进行了全面的分析；提出了一种新型折射 式背光系统，光学模拟表明其能很好地实现单用户、单立体视区的自动立体显 示，具有能适应不同种类的透射式显示屏、串扰少、光效高和亮度高的优点； 介绍了基于视差障栅原理的自动立体显示的实现；介绍了对自动立体显示效果 评价的客观评价和主观评价的前期研究情况。提出了自动立体显示效果客观评 价的立体对比度概念及其理论表达方式，以及自动立体显示的立体对比度和视 区检测方法，并进行了大量仿真和实物实验，取得了具有创新性的成果。 关键词：自动立体显示立体显示三维显示液晶显示立体对比度 r e s e a r c ho na u t o s t e r e o s c o p i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y a b s t r a c t a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yt e c h n i q u ei sf o c u s e di nt h i sp a p e r a u t o s t e r e o s c o p i c d i s p l a yi so n ee x t r e m e l ys i g n i f i c a n tc l a s so ft h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a y sa n dc h i e f l y n e e d si n t e g r a t i o no fo p t i c s ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r i tc a np r e s e n te a c hv i e w e ra t l e a s tap a i ro fs t e r e o s c o p i ct h r e e d i m e n s i o n a li m a g e sw i t h o u ts p e c i a lg l a s s e s t h e b a s i cp r i n c i p l ei st h a te a c he y eo ft h ev i e w e rm u s tc o r r e s p o n d i n g l ys e eo n eo f s t e r e o s c o p i ci m a g ep a i rr e n d e r e do nt h es c r e e na c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o no ft h e v i e w e r t h e nt h r o u g ht h ef u s i o no f h i so rh e rb r a i nt h ev i e w e rp e r c e i v ed e p t ho f t h e d i s p l a y e ds c e n e i nt h i sp a p e r , c u r r e n ta u t o s t e r e o s e c 。p i c d i s p l a yt e e h n i q u e sa r ea n a l y z e d ，an e w m e t h o df o ra u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a yi sp r o p o s e d ，a n db a s e do ni tan o v e lr e f r a c t i v e ， s i m p l eb a c k l i g h tu s i n gt r a n s p a r e n td i s p l a ys c r e e n ，l i k el c dp a n e l ，i sd e s i g n e dt o i m p l e m e n ta u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a y , a n d i ti ss i m u l a t e d s u c c e s s f u l l y a n a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a ys y s t e mb a s e do np a r a l l a xb a r r i e ri si n t r o d u c e d t h ec o n c e p t a n de x p r e s s i o no fs t e r e o c o n t r a s tr a t i oi na u t o s t e r e o s c o p i c d i s p l a ye v a l u a t i n gi s p r o p o s e d am e t h o do fa p p r a i s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa u t o s t e r e o s e o p i cd i s p l a yu s i n g c c dc a m si sp r o p o s e d ，a n dt h er e s u l t so f 也ee x p e r i m e n t sd e m o n s 订a t et h a tt l l e m e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nw e l li n s p e c tt h es t e r e oc o n t r a s tr a t i oa n dv i e w z o n e so fa u t o s t e r e o s c o p i ed i s p l a y k e y w o r d s ：a u t o s t e r e o s c o p i cd i s p l a y , 3 dd i s p l a y , s t e r e o s c o p i cd i s p l a y , s t e r e o c o n t r a s tr a t i o ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 啤蜘戈喜菰箍鹃 欠久金融理发孛刳各援 懈锉连芝豪慰摇鸯 插图清单 吲1 1 三维显示的分类 图2 1 视网膜上形成视差 图2 - - 2 在现实世界中的观察和在理想的平面显示中的观察 图2 3 视差照明原理 图2 4 视差障原理 图2 5 视顺序显示光学原理 图3 一l 具有多光源的背光系统 图3 2 具有导光板结构的背光系统 阔3 3 显示屏系统的总体结构示意图 图3 4 背光板结构 图3 5 一对像素列被照明 图3 6 光路计算示意图一 图3 7 光路计算示意图二 图3 8 光路计算示意图三 图3 - - 9 平行光源 图3 一l o 显示屏上显示的图像示意图 图3 1 1 光学模拟示意图 图3 1 2 漫射照明时的像 图3 1 3 平行光照明时的像 图4 一l 显示屏前面形成的视区示意图 图4 - - 2 液晶显示原理 图4 3 透射式液晶屏 图4 4 普通液晶显示器的背光系统 图4 5 视差栅板 图4 6 数字驱动系统框图 图4 7 软件立体驱动模式 图4 8 基于视差障栅原理的自动立体显示器样机 图6 一lc c d 测光原理 图6 2 ( a ) 显示屏上显示的矩形( b ) 显示屏上像素的分布 图6 3自动立体显示立体对比度检测装置 图6 4 摄像头在距显示屏7 0 0 r a m 、2 度位置拍摄的国 外进口的自动立体显示器检测图像的r g b 值 图6 5 位于距显示屏7 0 0 m m 、2 度位置拍摄的国外进口的自 动立体显示器检测图像的r g b 分量的每行立体对比度 图6 - - 6 位于距显示屏7 0 0 r a m 、7 度位置拍摄的国外进口的自 5 2 5 3 0 o 9 m ”m m他伸挎加甜坦拐驺m弱拍”嚣约如北钙拍 一 ! | ! | 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 |；|i| 动立体显示器检测图像的r g b 分量的每行立体对比度 图6 7 国外进口的自动立体显示器在7 0 0 m m 位置时从一1 0 0 到l o o 的立体对比度 图6 8 摄像头在距显示屏7 0 0 m m 、2 度位置拍摄的自 行研制的自动立体显示器检测图像的r g b 值 图6 9 位于距显示屏7 0 0 m m 、2 度位置拍摄的自行研制的自 动立体显示器检测图像的r g b 分量的每行立体对比度 图6 1 0 自行研制的自动立体显示器在7 0 0 m m 位置时从一1 0 0 到1 0 0 的立体对比度 鲋 舛 ” 印 酊 表5 一 表5 一 表5 一 表6 一 表6 一 表格清单 s e e r e a l 公司cn t 自动立体显示的客观性能指标 c c i r 推荐的显示器主观单评价语标准 自动立体显示器主观评价结果举例 7 0 0 m m 位置采集的国外进口的自动立体显示器检测图像 7 0 0 m m 位置采集的自行研制的自动立体显示器检测图像 3 5 4 0 4 0 5 1 5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒i 王堡盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 擀彩劢期洲年妒沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥l b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 g g 些友堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 躲彩伽 签字曰期：时午月沙日 簟霉摹霉，；戳天，孽 i - 作单位：砼片笆业天罾 通讯地自e ： 。 导师签名 签字日期) 卅r - 年0 月m 日 电话 邮编 致谢 本文从题e t 的确定到框架的构建，直至最后定稿，无不倾注着恩师邓善熙 教授的大量心血。邓教授博大精深的学识、精益求精的风格、谦虚平易的作风 给作者留下深刻的印象。两年多来，邓教授在学业上给作者以精心指导，使得 作者从中学到了许多为人治学的道理，同时邓教授还在思想、生活上给作者以 无微不至的关怀。在此谨向邓教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢课题组的聂恒敬教授、吕国强教授、杨永跃副教授、刘文文副教授、 彭良清老师、洪占勇老师、梁发云博士生的指导! 感谢赵前程副教授、冯奇斌老师以及众多师兄弟姐妹们的帮助! 感谢我身在远方的父母! 你们给我生活上的关怀和精神上的鼓励是我学习 的动力! 再次对所有关心、帮助我的人说一声“谢谢”! 最后本文献给我的父母! 作者：邹阳 2 0 0 5 年3 月 前言 自然界的物体都是三维的，人类通过两眼获得物体的三维立体信息。但一 般的显示系统只能把三维的物体以二维平面图像的形式保存、记录下来，同时 丢掉三维深度的信息。立体显示指的是运用光学技术、微电子技术、微控制技 术和计算机技术在获取的二维平面图像中还原出被摄物体的立体形状，并以三 维形式显示出来。立体显示技术在影视、机器人视觉、医学整形和美容、工业 产品的外观设计、三维轮廓测量、艺术雕塑、建筑等领域以及军事上有着广泛 的应用前景，所以它是当今国际上的热门课题之。 美国、日本、德国、英国等发达国家早在6 0 年代末就开始投入大量资金进 行这方面的研究。并且提出了许多新的实现原理和方法。d t i ( d i m e n s i o n t e c h n o l o g i e si n c ) 公司目前拥有大部分全球最主要的2 d 3 d 液晶立体影像相关 的专利权。d t i 的独有技术是视差照明技术，实现方法是在显示液晶像素后形 成一系列的极细的照明线条分别照明不同的像素，使左、右眼分别看到不同的 像素。s h a r p 的2 d 3 d 液晶显示技术是视差障技术，实现方法是在液晶像素的 前面或后面形成微视差障栅，阻止左眼或右眼不应该看到的像素。p h i l i p s 的 2 d 3 d 液晶显示技术是微透镜投射技术，实现方法是在液晶像素前加上微透镜 阵列，投射对应的像素给双眼。 以上三种技术由于原理简单、造价不高，产品均已投放市场。 目前，自动立体液晶显示技术研究在国内尚处于起步阶段，国内文献资料 匮乏。 本论文作者参加了合肥工业大学光电技术研究院与国家特种显示工程技术 研究中心合作进行的项目全彩色立体显示技术研究的研究工作。主要研究现 有的自动立体显示技术的光电机理、立体视觉感知机理、液晶立体显示技术的实 现以及自动立体显示效果的评价。 本论文作者重点研究实现自动立体显示的新型折射式背光板设计和自动立 体显示效果的客观评价。 1 1 概述 第一章绪论 视觉信息是人类信息最主要的来源，人类日常生活中接受到的信息有8 0 以上是靠视觉接受的。视觉信息具有直观、可靠、翔实的特点，因此基于视觉 信息处理与显示的现代显示技术得到了空前的发展。 显示主要是指对信息的表示，可以定义为：将某种外界的刺激传给人们的 视觉感知器官并在大脑中形成结果。在信息显示学会( s i d ：s o c i e t yo f i n f o r m a t i o nd i s p l a y ) 1 9 6 3 年发表的文献中也给出了关于显示的定义【1 】：信息显 示是为了将特定的信息向人们展示而使用的全部方法和手段。当前，在科技工 程领域中，把显示技术限定在基于电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可 识别的亮度、颜色等，将信息内容以电信号的形式传达给人眼产生视觉效果。 众所周知，人的视觉是立体视觉，在观看物体时观察者既能感觉到物体之 间的距离也能感觉到物体与观察者之间的距离。这就是所谓的深度感，是正 常人眼的重要的生理功能。但是目前的显示器，多数只能显示二维平面的图像。 要想充分发挥人类视觉感知的强大功能，发展能再现真实三维场景的立体显示 器是一条重要的途径。不需要佩戴特殊眼镜的立体显示技术叫做自动立体显示 技术。它不需要立体图像的观察者佩戴笨重、繁琐的辅助眼镜装置，使观察者 观看立体图像更加方便、灵活和轻松。自动立体显示技术是当前及以后显示技 术重要的发展方向，也是虚拟现实技术的重要组成部分。 人眼感知空间的主要机理有两眼视差、两眼会聚和发散、焦点调节和运动 视差。由于人是用左右眼从不同角度来观看物体，因此成像在两眼视网膜上的 图像不相同。这种双眼观察物体的不同称作两眼视差，它是人眼感知空间的最 重要手段。这也是立体显示技术所基于的原理。作为其他双眼的空间感知功能， 双眼会聚是当人在注视某个目标时左右眼视线要往注视点上会聚或发散，从而 产生双眼眼球的运动使人感受到空间的远近。除了双眼的空间感知外，单眼也 能感知一定的空间，焦点调节是为了把注视的目标清晰的成像到视网膜上，人 眼的晶状体需要一定的调节运动。运动视差是指人自身运动或所观察的目标运 动时，被观察到的部分有差别。 现在的立体显示技术几乎都是利用人类两眼视差的深度感知功能，通过光 学方法，让左右眼分别观看到按一定视差角记录的同一场景的不同图像。 这里需要澄清一个容易与之混淆亵q 概念t 计算机三维图形学。三维立体显示 和三维计算机图形学两个概念的内涵是不同的。计算机三维图形学是在三维空间 造型的基础上，对造型的每个小的表面进行受光计算，然后对它们着上不同的颜 色。虚拟场景的三维空间数据存储在计算机中，需要时渲染出具有体积感的三维 2 场景画面。它的终极效果是人们e l 常生活中所拍的照片和影视画面。其画面始终 是平面图像，观察者仍无法体验到通过三维计算机图形学渲染出的场景画面的真 实距离感和深度感。而立体显示则是借鉴人类视觉的深度感知原理，使平厢图像 能产生真实的立体效果。在这种观察方式中，观察者能真实的体会到距离感和深 度感，就像人们平常观察个目标物一样。此外，三维计算机图形学渲染出来的 画面和影片可以在一般的播放设备上播放，观察者就能欣赏到三维动画的效果。 当前的电影特级就是借助了三维计算机图形学的强大威力创造出前所未有的梦 幻效果。而立体显示必须借助于特殊的装置，使观察者的左右眼观看到有差别的 图像，才能得到立体显示效果。目前观看立体图像的两种方法一般就是佩戴特殊 眼镜在普通显示器上观看和裸眼观看自动立体显示器。 但是，立体显示和三维计算机图形学显示又有紧密的联系。三维场景的数据 河作为立体显示图像的来源。目前一般常用的三维动画制作软件都能用来生成立 体显示所需的立体图像对。 1 2 三维显示技术的分类 立体显示是最重要的一类三维显示。三维显示技术的分类方法很多，如图l 一1 。三维显示技术可分为体三维显示技术和面三维显示技术。体三维显示指 的是在真实的三维空间显示三维场景，区别于在二维显示屏平面显示虚拟景深 的三维图像的面三维显示。面三维显示又可分为立体显示和全息显示。立体显 示又可分为需要佩带辅助眼镜装置( 如滤色眼镜和液晶光阀眼镜) 的立体显示 和无需佩带任何辅助眼镜装置的自动立体显示。此外，三维显示技术总体上也 可分成需要戴眼镜的三维显示和不需要戴眼镜的三维显示。三维显示技术还可 分为头固定性和头跟踪性。头固定性是观察者的头相对予显示屏的位置是固定 不变的，如头盔式立体显示器，这种显示器普遍地运用在模拟训练装置中。头 跟踪型不要求观察者的头与显示屏的相对位置固定，但可能要求观察者随身佩 带一定的装置，如红外传感器，用来告诉显示屏观察者的头位于何处。本文主 要研究不需要戴眼镜的立体显示技术，即自动立体显示技术。 1 3 立体显示技术的发展 棚飞 图1 1 ：三维显示的分类 高画质、宽视角及能表现深度感和运动视差的立体显示器是人们长久以来 追求的目标，也是当前显示技术发展的一个重要方向。公元前欧基里德就提到 人的每只眼睛所接收到同一物体的两个不相同的像，即视差，就产生了深度感 1 2 1 。大约在1 6 0 0 年就有人进行了人造立体成像的实验，它是对一个物体的从不 同的方向来描绘不同的精细图画，然后用体视镜观看立体图像对 3 】。窥镜式的 立体照片于1 9 世纪8 0 年代问世。至今广泛使用在自动立体显示技术中的视差 障栅和柱形棱镜方式，在2 0 世纪初作为拍摄立体照片的方案被提出。随后， 在照相技术的推动下，立体图片风靡一时。但人们并不满足静态的图片。动画 立体显示也很早就出现了，立体电影在1 8 8 9 年巴黎万国博览会上就已推出了， 立体电影的出现使人们享受到了逼真、震撼的视觉效果。随着电子技术的发展， 人们发明了滤色镜和偏光镜方式的立体显示器。由于佩带特殊眼睛观看立体图 像具有一定的局限，不需要任何辅助装置立体显示器自动立体显示器出现 了。 1 4 研究意义和课题任务 在信息化时代，一种有着广泛应用、对其它科学技术的研究有着极大促进能 力的技术，我国对其研究尚处于起步阶段。这种技术就是自动立体显示技术。 自动立体显示技术可以用于以下一些主要方面：军事( 模拟训练、侦察) 、医 疗( 检测、诊断、治疗) 、数据可视化( 建模、染色体、分子模型、气象预报) 、 工程( 产品设计、虚拟原形、制造、景观、建筑) 、娱乐( 视频游戏、影视动 画) 、虚拟商务贸易( 电子展览室) 、教育( 实验演示、多媒体教学) 。 自动立体显示技术应用广泛，能极大的提高视觉信息的再现量。因此自动 立体显示技术成为当前世界上显示技术领域研究的一个熟点，各国、各地区展 丌了激烈的竞争，使得立体显示技术得到了曰新月异的发展，新技术新产品让 人应接不暇。当前世界上主要的自动立体显示技术主要有视差照明、视障、微 透镜投射、波长滤波、分像素矢量衍射、数字镜面等。在我国近年来也开始了 对自动立体显示技术的研究，但还是处于起步阶段。 本课题来源于合肥工业大学光电技术研究院与国家特种显示工程技术研究 中心合作进行的项目全彩色立体显示技术研究。项目主要研究现有的自动立 体显示技术的光电机理、立体视觉感知机理、液晶立体显示技术的实现以及自动 立体显示效果的评价。本论文作者重点研究实现自动立体显示的新型折射式背光 板设计和自动立体显示效果的客观评价，并进行了大量仿真和实物实验，取得了 具有创新性的成果。 当前成熟的t f t ( t h i nf l i mt r a n s i s t o r ) 液晶显示是实现自动立体显示的合 适图像源。深入研究产生左右眼立体视图对分离的特制背光板是本课题的关键 问题。从国内外有关资料入手探索自动立体显示的原理及各部件的功能和技术 要求。根据建立的视差立体显示的双目视觉模型，以及相关参数的推导计算和 计算机仿真，设计出一种新型的利用t f t 液晶面板实现自动立体显示的背光系 统。在评估现有可能的实现自动立体显示的技术方案后，选择一种技术实现自 动立体显示。然后，对其立体显示效果的评估进行初步的研究，为以后的更深 入的研究打下坚实的基础。 第二章自动立体显示技术及其应用 2 1 , l n t l 视觉的三维感知生理和心理 为了理解立体显示原理，我们必须首先对物理环境中人类深度知觉问题作 一个基本了解。精神物理学粗略的引证了一些视觉信号，人类视觉系统用这些 信号去测定被观测对象的深度。双目视觉或立体观测是人们获取的主要深度信 号1 2 i 。立体观测是基于左右眼视差的深度感知。为了观看空间对象上的一个特 定点，人的眼睛必须旋转朝向这个固定点，同时调整晶体的形状以使固定点在 焦点上。旋转是为了保证固定点在视网膜上的投影图像在每一个视网膜的中间 部分。这个中心区域包括一个视觉分辨率最高的部分，这个部分叫视网膜中央 凹，这个旋转过程叫做聚散。接近当前固定点需要会聚或发散双眼，是会聚还 是发散取决于当前固定点与上一固定点间的空间关系。会聚是相对于前一固定 点旋转眼睛向内，而发散是相对于前一固定点旋转眼瞎向外。除了聚散运动之 外，眼睛还必须调整每个晶体的形状以使新的固定点位于焦点上。这个过程叫 做眼睛的适应性调节1 4 j 。 圈2 一l ：视网膜上形成视差 c 图2 一l 显示的是双眼注视于点a 时，另外两个点b 和c 也能够被看到。 从点a 出发经过晶状体的两条直线说明了点a 是如何被投影到视网膜中央凹 上的，这些直线被称为投影线。另外两个点，点b 和c ，也被投影到视网膜上。 有了点b ，就可以测得点b 的左眼投影线与点a 的左眼投影线的夹角ob l 。同 样的，我们可以定义角ob ，为b 点的右眼投影线与a 点的右眼投影线的夹角。 从a 点投影线向内旋转的角位移为正，向外为负。和e b = 0b i + ob r 是点b 的 视差。点b 和c 有非零视差，而a 点视差为零。有一组零视差点，这些点形 成了一个空间曲面叫双眼视界( 同视点) ，如图2 1 所示。对于不在两服视界 6 上的点，它们的视差的大小和符号是点的位置的函数。视差值越大，说明点离 两眼视界越远。视差值为负，表明点位于眼睛与两眼视界之间，例如b 点：反 之，视差值为正，表明点位于两眼视界以外，例如c 点。负视差通常称为会聚 视差，因为眼睛必须会聚去聚焦这些点，而正视差被称为分散视差，因为眼睛 必须分散以聚焦这些点。视网膜误差只是指相对于两眼视界的深度。有人可能 认为：已知眼睛的旋转角度和两眼之间的距离，人类视觉系统就能够确定两眼 视界的绝对深度值，继而用视差信息得到不在两眼视界上的其它点的绝对深度 值。但是，我们还无法将绝对深度值转化为可用于双目视差的相对两眼视界的 深度值。 双目视差有静止视差和运动视差的区别。静止视差是指观察者的左眼看到 一个场景的透视图像，使观察者的右眼看到另一幅不同的右眼透视图。左右眼 视网膜图像中的视网膜视差导致了一幅深度感的立体图像的产生。运动视差是 指观察者在任意方向运动时，感知图像作持续正确的变化，也就是观察者在不 同位置观察到相同景物的不同的像悼j 。 埯好 簿。静 ，、 、， 图2 2 ：在现实世界中的观察和在理想的平面显示中的观察 ( a ) 和( c ) 描述的是观察者注视现实世界中的一个盒角 ( b ) 和( d ) 说明的是理想平面显示器产生的波阵面 立体显示器一般是运用一个显示平面显示至少一对左右立体视图对给观察 者。自动立体显示运用得最多的显示源是液晶显示屏。这样的平面显示器不能产 生合成三维图像的波阵面。因此，运用平面显示实现的立体深度感和现实世界中 感受到的立体深度感是有所不同的。图2 2 ( a ) 和( c ) 描述的是观察者注视 现实世界中的一个盒角所示。图2 2 ( b ) 和( d ) 描述的是用平面显示立体 图像对的方式显示虚拟世界中的一个盒角，这也是实现自动立体显示的方式。 2 2 自动立体显示的实现 ， - ， 吖 在显示屏上，自动立体显示系统只模拟从虚拟对象到眼睛的主光线。模拟方 法是，先确定显示屏上的哪些像素与那条光线相交，然后准确的显示这些像素。 根据自然法则，一个完整的波阵面是由立体显示器上的每一个像素产生的。图2 2 ( b ) 和( d ) 说明了立体显示器是如何显示盒角的。对于一个盒角都画了光 线和波阵面图。模拟的主光线在图中是由一条虚线表示的。模拟主光线的像素与 盒角在计算机上的颜色相同。波阵面是由这些像素产生的，当然，这些波阵面位 】二物理显示器像素面中央，并不在虚拟实物的三维位置中央。尽管在全息显示中， 波阵面看起来是由盒角的三维位置发出的，而在立体显示中，波阵面看起来是由 显示器表面产生的，如图2 2 ( b ) 和( d ) 。在立体显示中，眼睛趋向于适应 物理显示器表面峥j 。 接下来的问题就是如何在显示屏上显示两幅立体视图。自动立体显示的左右 立体图对的显示方式一般来说采用空间分割方式，但近来时间复用方式和空间分 割方式结合的显示方式得到了发展。空间分割方式一般是使左眼视图显示在显示 屏的奇像素列，右眼视图显示在显示屏的偶像素列。 最后的问题就是如何让观察者的左眼只能看到奇像素列，而右眼只能看到偶 像素列。在本文的第三章将详细介绍一种新型的实现方法。 2 3 自动立体显示技术 自动立体显示技术应用广泛，能极大的提高视觉信息的再现量。因此立体 显示技术成为当前世界上显示技术领域研究的一个熟点，各国、各地区展开了 激烈的竞争，使得立体显示技术得到了日新月异的发展，新技术新产品让人应 接不暇。当前世界上主要的自动立体显示技术主要有视差照明、视障、微透镜 投射、波长滤波、分像素矢量衍射、数字镜面等。在我国近年来也开始了对自 动立体显示技术的研究，但还是处于起步阶段。 2 3 1 视差照明技术 视差照明技术是美国d t i 公司的专利，它是自动立体显示技术中研究得最 早的一种技术之一。d t i 公司从8 0 年代中期进行视差照明立体显示技术的研究 1 7 1 ，1 9 9 7 年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。视差照明实现立体显示的 原理简单，如图2 - - 3 所示。在透射式的显示屏( 如液晶显示屏) 后形成离散 的、极细的照明亮线，这些亮线以一定的间距分开。这样人的左眼通过液晶显 示屏的偶像素列能看到亮线，而观察者的右眼通过显示屏的偶像素列是看不到 亮线的。反之亦然。因此观察者的左眼只能看到显示屏偶像素列显示的图像， 而右眼只能看到显示屏的奇像素列显示的图像。这样观察者就能接受到视差立 l 图2 3 ：视差照明原理 体图像对，产生深度感知。视差照明亮线的形成，即特制背光板的设计和加工 是实现d t i 的视差照明技术的关键。到2 0 0 2 年为止，d t i 的视差照明技术提 到了以下一些实现方法 8 q 1 1 ：运用多光源，再用透镜聚焦形成很细的亮线；运 用单或双光源，再用光导( 光导的形式有很多) 传光、透镜汇聚形成很细的亮 线：运用微加工技术制作旋光性不同的狭缱实现很细的亮线；运用液晶光阀的 旋光性和偏振片配合形成很细的亮线。具有实现二维，三维显示的转换的功能也 是d t i 视差照明技术的特点。其中主要的实现方法有：光源用导轨或铰链连接， 通过光源位置的改变使光进入不同的介质：背光板位置的改变使透镜汇聚光或 不汇聚光；漫反射板在施加电压时呈漫射状态，而在无电压时是透明的。这些 方法中的一些只能实现整个显示面积的二维，三维转换，而另一些方法可以实现 部分二维三维的转换。即显示面积的任意部分用二维显示模式而其它部分是三 维显示模式。根据观察者位置的不同显示不同视角的高分辨率图像也是d t i 显 示技术的发展方向。实现这项功能的方法有超声波定位、红外定位等( 这也是 前面提到的头跟踪型) 。此外，d t i 技术中实现了使用多套亮线与液晶屏的显 示配合，利用人眼的视觉暂留原理实现全分辨率显示和多视区显示。这种方法 要求液晶屏有很高的刷新频率和更加复杂的电路控制。原理简单、视差显示效 果不错、重象少是d t i 的视差照明技术的优点。但要想用这项技术实现多个观 察者同时观看、多维和移动视差效果存在技术难点。d t i 的视差照明技术作为 当前最成熟的自动立体显示技术之一已经很难在技术原理方面有所突破，关键 的、能有所创新的是它的实现方法。随着加工技术和材料技术的发展和创新， 利用视差照明实现的立体显示效果将不段完善。理想情况下要求照明亮线接近 零宽度且精确定位，如果实现微米级甚至纳米级的线光源。那么视差照明立体 显示的结构将得以简化、显示效果将得以很大提高。视差照明立体显示技术只 能使用透射式的显示源，现在液晶屏最符合条件。所以液晶屏的性能指标是对 9 视差照明立体显示技术的限制。 2 3 2 视障技术 s h a r p 公司欧洲实验室的工程师们经过1 0 年的研究开发出了能在三维= 维模式间转换的自动立体液晶显示器，并于2 0 0 2 年底成功推向市场。s h a r p 公司还把它的立体显示技术成功运用到了手机、掌上电脑、笔记本电脑和电视 上，其中装有小型立体显示屏的手机已经销售了1 0 0 多万部。s h a r p 的立体 显示技术是视差障技术【1 2 】i l ”。具体实现方法是利用了一个开关液晶屏、一个偏 振膜和一个高分子液晶层，用一个液晶层和一层偏振膜制造出一系列的旋光方 向成9 0 0 的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，这样通过这些条纹的光就形成了 垂直的细条栅模式。s h a r p 公司称之为“视差障栅”。在立体显示模式时，哪 只眼睛能看到液晶显示屏上的哪些像素就由这些视差障栅来控制。应该由左眼 看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼看到它；同理，应该 由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼看到它。如果 把液晶开关关掉，显示器就能成为普通的二维显示器。把视差障栅的方法用在 立体显示上这并不是第一次，以前就有人尝试把具有黑白线条的液晶屏和一个 成像的液晶屏结合实现立体显示。但是，主要的难题是这样的合成不能使两层 充分的靠近，造成成像困难。s h a r p 公司的突破是使狭缝视差障栅层与图像 层的像素充分的接近，大大地提高了图像的质量，并使观察者能更接近地观看 立体图像，使显示器更加紧凑。s h a r p 公司的视差障栅可以放在显示屏的前 面或后面形成视觉障碍，如图2 4 。在显示屏的后面形成视觉障碍的方法与 d t i 的视差照明有相似之处，d t i 的视差照明技术中透光的地方是被照明， s h a r p 的视差障栅技术中不透光的地方是被遮挡。 月目”m ； 口 一 雪 0 d _ a n 图2 4 ：视差障原理( 左图视差障在后，右图视差障在前) 1 0 纽约大学的m e d i a r e s r e a r c hl a b 也利用视差障栅原理研制出单用户 自动立体显示器【1 4 1 。该显示器能提供双眼全分辨率的图像，允许观察者自由的 移动，包括距离和方向。 2 3 3 微透镜投射技术 p h i l i p s 公司对立体显示技术的研究是基于传统的微柱透镜方法【l 5 1 1 1 6 1 。 p h i l i p s 的立体液晶显示器是在液晶显示屏的前面加上一层微柱透镜，使液晶 屏的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个 子像素，这样透镜就能咀不问的方向投影每个子像素，双眼从不同的角度观看 显示屏就看到不同的子像素。但同时像素间的间隙也被放大了，因此不能简单 的叠加子像素，而使一组子像素交叉排列，这是p h i l i p s 的一个创新。p h i l i p s 的另一个改进是让柱透镜与像素列不是平行的，丽是成一定的角度，这样做是 为了使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。 2 3 4 微数字镜面投射技术 牛津大学和麻省理工学院对三维显示技术都研究得较早，并取得了一些突 破性的进展。最近两校强强连手进行的视顺序立体显示技术的研究更是引起了 人们的极大兴趣，给予了很高的期望。这种视顺序自动立体显示器允许观察者 在不同的位置观察不同的图像，并能实现运动视差。不象很多运用柱透镜和视 差障技术的立体显示器，视顺序技术使用时分多用的原理实现不牺牲分辨率的 蔓维效果。但视顺序显示器的光路设计要求长光路，因此难以实现小型化。最 近这个研究小组推出了一种运用德州仪器公司的数字微镜面装置的视顺序自 动立体显示器【1 7 】【”1 ，光路如图2 5 。 图2 5 ：视顺序显示光学原理 美国辛辛那提大学也在进行运用数字微镜面实现自动立体显示的研究。他 们的技术可以使用几乎所有类型的显示屏作为图像源，数字微镜面定向反射这 些图像源到不同的视区，从而实现双眼视差。这项技术可以的实现高分辨率、 多维视差。又因为是反射，所以这项技术能很好的控制色彩。微数字镜面技术 种非常有发展前途的立体显示技术，综合了当前几项热门的高新技术。 2 3 5 其他技术 以上介绍的前三项技术都是成熟的、并成功推出了基于这些技术的产品。 微数字镜面投射技术是非常有发展前途的技术。此外，其它的自动立体显示技 术还有波长滤波技术、分像素衍射技术、像素针孔阵列和阶梯栅技术、微棱镜 技术、全息光学元件技术等。 2 3 6 立体显示技术中的其它问题 立体显示器和立体电视发展还面临着其它一些问题，这些问题将随着立体 显示技术的发展得以解决。很明显，显示技术本身影响着自动立体显示技术， 自动立体显示技术将随着显示技术的发展而发展。另一方面，在影视制作公司、 计算机软硬件开发公司没制作出很多可以在立体屏幕上使用的三维产品之前， 立体显示技术是难以推广的。可喜的是，一个致力于推动三维显示技术及其应 用发展的三维国际联盟去年正式成立，该联盟现在由7 0 余家公司和机构组成， 包括三洋、s h a r p 、索尼等五家核心公司及一些硬件制造商、软件开发商、系 统开发商、影视制作公司、广播公司、研究机构等。此外，软件问题也是立体 显示中重要的一方面。最近总部在加州的d y n a m i cd i g i t a ld e p t h ，d d d 软件公司在这个方面取得了重大的突破。他们使用精密的图像分析方法，能够 重新产生使用标准的二维摄像机拍摄一个场景时丢失的一些深度数据。这个技 术叫做d y n a m i cd e p t hc u e i n g 。使用这种技术加工一分钟的影像要花费 约3 0 小时。但是这样处理的图像数据被压缩后大小只增加了约5 。因此二维 和三维图像信息就能同时传送，满足不同要求的观众。实际上，我们观看实 际景物和观看立体显示器时毕竟是不一样的，我们在看实际景物时，眼球通过 晶状体周围的肌肉来调节以聚焦不同距离的物体，但看立体图像时不需要改变 聚焦。这是因为屏幕与观察者的距离一般是不变的。所以，观看立体图像容易 导致眼睛疲劳或头痛。此外，眼睛的聚焦方式也会妨碍我们观看立体图像。当 我们看实际景物时，眼睛会根据物体的远近来聚焦。可是在观看平面屏幕上的 景物时，我们应该聚焦在哪里呢? 对此d d d 公司还发展可以帮助立体图像观 察者调节有效景深的软件。 2 4 自动立体显示技术的应用 目前，数字图像技术及计算机和图形卡等数字图像处理硬件已经相当发 达，数据处理数度已相当快，三维图像信息处理已变得容易了。伴随着自动立 体技术的发展，各种博览会和主题公园中几乎毫无例外的都要放映立体图像。 此外自动立体显示技术可以用于以下一些主要方面：军事( 模拟训练、侦察) 、 医疗( 检测、诊断、治疗) 、数据可视化( 建模、染色体、分子模型、气象预 报) 、工程( 产品设计、虚拟原形、制造、景观、建筑) 、娱乐( 视频游戏、影 视动画) 、虚拟商务贸易( 电子展览室) 、教育( 实验演示、多媒体教学) 。 要求采用立体图像的原因在于与通常的二维图像相比，立体显示器能显示 深度信息，因而能更正确的认识事物的形状和运动情形，其结果是获得了身临 其境的感觉。 2 4 1 军事领域 自动立体显示技术发展与其在军事领域的重要应用是分不开的。它可以应 用在国防军事飞行模拟、军事演习、武器操控、宇航探测、太空训练等方面。 例如在飞行模拟中大量使用立体显示系统，与实际驾驶飞机飞行相比，要经济 得多。而且可以通过设定各种条件在短时间内学到丰富的经验。d t i ( d i m e n s i o n t e c h n o l o g i e si n c ) 在这一领域表现得十分出色。d t i 在1 9 9 3 年为美国 w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地设计并且制造了驾驶座舱自动立体显示器，主要用于 弋行员的模拟训练。1 9 9 4 年为n a s a ( 美国国家航空航天局) 设计并制造了全动 态全息3 d 显示器。1 9 9 5 年d t i 立体显示器被用于遥控机器人设备中，这些设 备一般用于处理辐射性废料、深层采掘等危险领域。1 9 9 8 年d t i2 0 1 8 x l l 8 ”3 d 显示器被n a s a 采纳为虚拟诊断系统的显示设备。1 9 9 9 年到2 0 0 0 年d t i 赢得 了为美国海军开发高清晰度投影系统的合同，这一体统主要用于模拟飞行。 2 4 2 医疗领域 x 射线c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 和m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 给医疗领域的图像诊断技术带来了划时代得的变革，这就是诊断中可以利用三 维数据。但是显示装置还是二维的，没有纵深感。病灶形状的正确把握仍然很 难，因而对立体显示器的潜在需求很大。现正在全力以赴的进行这方面的研究 和丌发。立体显示器在医疗领域的应用包括作为手术支援设备使手术过程更准 确，作为诊断设备使诊断结果精度更高，以及作为现场教学设备使教学更直观 等。 2 4 3 数据可视化领域 当前人们需要理解的数据量越来越庞大，数据可视化方便了人们对获得的 数据的理解。甚至在有些情况下，缺少了数据可视化技术，人们理解获得的数 据变得不可能。传统的二维平面显示丢失了纵深感，使得数据可视化的巨大作 用没有得到充分的发挥。有了自动立体显示器人们能更加灵活、深刻的理解数 据信息。在建模方面，数据可视化可以极大的帮助研究人员理解模型的各种状 态的详细信息。在蓬勃发展的生命科学方面，染色体结构是非常复杂的，有了 数据的立体可视化科学家们能更好的深入研究生命的奥秘。 2 4 4 娱乐领域 立体电影的震撼效果使观众久久不能忘怀，自动立体电视的出现使人们可 以独自在家欣赏栩栩如生的立体电影及电视节目。另一方面，自动立体显示使 传统的三维游戏的精美画面和身临其境的感觉发挥到了极致。随着自动立体显 示技术的发展和生产成本的降低，其在娱乐领域蕴涵着巨大的商机。 2 4 5 教育文化领域 立体显示技术在教学中可用于提高学习效率。例如在帮勃中小学生理解图 形、平面等空间概念知识或物理现象之类的原理时，利用立体图像要比利用二 维图像的认识程度高，理解程度深。我们还可以把我们平时难得见