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裸眼3D显示技术的调研 李文辉2014 12 09 课题简介 一 3D技术起源及原理二 3D显示技术的分类三 裸眼3D技术的展望 3D技术起源及原理 人眼产生3D视觉的秘密 偏光原理 人眼在看任何物体时 由于两只眼睛在空间有一定间距约为5cm 即存在两个视角 这样形成左右两眼所看的图像不完全一样 称为视差 这种细微的视差通过视网膜传递到大脑里 就能显示出物体的前后远近 产生强烈的立体感 这是1839年 英国科学家温斯特发现的一个奇妙的现象 至今为止几乎任何3D影像技术都是基于这个原理开发的 3D显示技术的分类 3D显示技术原理 3D是three dimensional的缩写 意指 三维立体图形 体显示技术 立体图相对技术 全息技术 眼镜式3D技术 色差式 快门式 偏光式 裸眼式3D技术 柱状透镜 光屏障式 指向光源 体显示技术 原理 从数字图像处理技术来说 平面图像对应了二维数组 每个元素被称为像素 而三维图像对应三维数组 每个元素被称为体素 体显示技术正是在空间中表现了这个三维数组 此种技术是在物理上显示了三个维度 能在空间中产生真正的3D效果 成像物体就像在空间中真实存在 观察者能看到科幻电影中一般 悬浮 在半空中的3D透视图像 立体图像对技术 原理 先产生场景的两个视图或多个视图 然后用某种机制 如佩戴眼镜 将不同视图分别传送给左右眼 确保每只眼睛只看到对应的视图而看不到其他视图 从而产生立体视觉 这种技术的本质只是在空间中产生两张或多张平面图像 通过 欺骗 人眼视觉系统而立体成像 目前市面上的3D显示技术都属于立体图像对技术范畴 眼镜式3D技术 色差式 色差式3D历史最为悠久 成像原理简单 实现成本低廉 但是3D画面效果也是最差的 需要配合色差式3D眼镜才能看到3D效果 色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信息 使用不同颜色的滤光片进行画面滤光 使得一个图片能产生出两幅图像 人的每只眼睛都看见不同的图像 目前我们较为最常见的滤光片颜色通常是红 蓝 红 绿 或者红 青 目前采用这种技术的影院以及越来越少了 优点 技术难度低 成本低廉缺点 3D画质效果不好 画面边缘易偏色 2 快门式 快门式3D技术主要是通过提高画面的快速刷新率 至少要达到120Hz 来实现3D效果 属于主动式3D技术 当3D信号输入到显示设备 诸如显示器 投影机等 后 120Hz的图像便以帧序列的格式实现左右帧交替产生 通过红外发射器将这些帧信号传输出去 负责接收的3D眼镜在刷新同步实现左右眼观看对应的图像 并且保持与2D视像相同的帧数 观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面 并且在大脑中产生错觉 摄像机拍摄不出来效果 便观看到立体影像 优点 不损失图像分辨率 清晰度高 缺点 眼镜电压的开关与视频信号的同步容易出现问题 且液晶层的开关使眼睛容易产生疲劳 快门眼镜价格昂贵 3 偏光式 偏光式3D也叫偏振式3D技术 属于被动式3D技术 目前3D电影院 3D液晶电视等大多采用的是偏光式3D技术 偏光式3D是利用光线有 振动方向 的原理来分解原始图像 通过在显示屏幕上加放偏光板 屏幕画面被分解为垂直方向偏振光和水平方向偏振光两组不同的图像 偏光式3D眼镜为双眼分别配置含有垂直和水平方向干涉缝隙的镜片 垂直方向震动的光波能够通过垂直方向开放的镜片 水平方向震动的光波能够通过水平方向开放的镜片 人的左眼和右眼分别接收两组画面 再经过大脑神经中枢合成为立体影像 优点 偏光式3D显示技术要求显示器的刷新频率一般要达到240赫兹以上 这比传统3D显示中对刷新频率的要求高得多 所以观看偏光式3D画面时眼睛感觉比较舒适 缺点 由于偏光式3D技术是采用分光法成像 画面的分辨率会降低一半 所以偏光式3D难以实现真正的高清显示 呵呵 我们才是主流 裸眼式3D技术 但是 目前3D立体显示技术 大部分要依赖特制的眼镜 长时间的观看会有恶心眩晕等感觉 舒适度大大降低 所以裸眼式3D技术将成为主流趋势 光屏障式 Barrier 光屏障式3D技术也被称为视差屏障或视差障栅技术 其原理和偏振式3D较为类似 实现方法是使用一个开关液晶屏 偏振膜和高分子液晶层 利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90 的垂直条纹 这些条纹宽几十微米 通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式 称之为 视差障壁 而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁 在立体显示模式下 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 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 通过将左眼和右眼的可视画面分开 使观者看到3D影像 优点 与既有的LCD液晶工艺兼容 因此在量产性和成本上较具优势缺点 画面亮度低 分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低 柱状透镜 LenticularLens 技术 原理 在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜 使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上 这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素 这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素 于是双眼从不同的角度观看显示屏 就看到不同的子像素 不过像素间的间隙也会被放大 因此不能简单地叠加子像素 让柱透镜与像素列不是平行的 而是成一定的角度 这样就可以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 优点 柱状透镜不会阻挡背光 亮度不受到影响 3D技术显示效果更好缺点 由于它的3D显示基本原理仍与光屏障式有异曲同工之处 所以分辨率仍是一个比较难解决的问题 相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容 需要投资新的设备和生产线 指向光源 DirectionalBacklight 技术 这种裸眼立体显示器在LCD像素后面使用线光源提供背光照明 密集的线光源照明使奇 偶列像素的图像传输路径产生分离 分离后的视差图像能分别到达对应的眼睛 全部像素被分为奇 偶列交错的两个显示单元 用来显示具有视差的立体对图像 优点 分辨率 透光率方面能保证 不会影响既有的设计架构 3D显示效果出色缺点 技术尚在开发 产品不成熟 3D全息技术 全息技术是利用光波的干涉和衍射原理记录并再现物体的真实感的一种成像技术 全息技术再现的图像立体感强 具有真实的视觉效应 除用光波产生全息图外 现在已发展到可用计算机产生全息图 然而需要的计算量极其巨大 全息术应该是3D显示的终极解决方案 但目前还有很多技术问题有待解决 短期内难