三维立体显示技术

1、三维立体显示技术三维立体显示技术 5 1 2 3 4 6 7 立体视觉的形成立体视觉的形成 -Binocular parallax 两眼看到不同角度的图像（stereoscope ）；由脑部将两眼的图像融合，从而产生 深度感； -Motion parallax 当观察位置变化时，观察到的图像也会随 之变化；这也会形成深度感 -Accommodation 眼睛聚焦的程度也会影响显示物体的深度眼睛聚焦的程度也会影响显示物体的深度 感。感。 三维立体显示技术的分类三维立体显示技术的分类 目前，三维立体显示技术从显示空间上划分可分为两类： 1.二维平面 -通过平面屏幕显示 三维空间物体 2. 三维空间

2、 -在三维空间中模 拟产生体像素点 体三维显示体三维显示 立体显示立体显示(Stereoscopic Display)(Stereoscopic Display) 自动立体显示自动立体显示 (Autostereoscopic Displays ) 集成图像显示集成图像显示 (Intergral Image) 全息显示全息显示 立体显示技术(Stereoscopic Display) 原理：通过立体眼镜使左右 眼分别看到不同的图像 立体眼镜的种类：立体眼镜的种类： Anaglyph 3D Glasses（红绿眼镜）（红绿眼镜） Polarized 3D Glasses（偏振眼镜）（偏振眼镜） S

3、hutter 3D Glasses（液晶闪闭眼镜）（液晶闪闭眼镜） HMD（头盔式）（头盔式） 典型系统 立体显示技术(Stereoscopic Display) Geforce 3D Vision三维显示系统 n液晶闪闭式立体显示系统； n 需要高帧频显示器（120HZ ）与其配合使用; PLANAR公司 SD2420W立体显示器 n分辨率:最高1920*1200； n单眼帧频:75HZ； n特点：使用两块不同偏振方向 的LCD显示器，解决了单眼帧频 过低的问题。 美国陆军航空与导弹司令部的紧凑型双液晶偏振立体显示系统 立体显示技术(Stereoscopic Display) 典型系统 n特

4、点：在保留常规双LCD 偏振分光立体显示系统优点 的同时解决了体积过大，不 能在恶劣环境使用的问题。 n需要佩戴额外的眼镜； n一套系统无法做到多人同时观察； n无法提供全部立体信息（如运动视差等）； n长时间使用有不适感； 立体显示技术(Stereoscopic Display) 存在的问题 返回 自动立体显示原理 通过屏幕上的特殊 光学结构，使左右 眼图像分离，并投 射到不同的空间上 以实现裸眼立体显 示。 自动立体显示 典型系统 PHILIPS公司屏前透镜（parallax barrier）显示系统 DTI公司视差照明 (Parallax Illumination)显示系统 自动立体显示

5、 典型系统 SHARP公司视障 （parallax barrier）显示系统 自动立体显示 最新技术 SANYO公司屏阶梯栅（Step barrier）技术 辛辛那提大学基于DMD的自动立体显示系统 自动立体显示 最新技术 剑桥大学横向偏移时分复用多视角显示系统 自动立体显示 最新技术 自动立体显示技术 最新技术 剑桥大学横向偏移时分复用多视角显示系统 最新样机 n可50英寸显示范围 n供两位观察者同时使 用 n图像间隔角度为12 自动立体显示技术 存在的问题 n仍然是基于双目视差原理的； n对观察者头部的位置和观察角度有较严格的限制 ； n不能显示或只能显示很有限的运动视差图片 ； n水平分

6、辨率损失，画面亮度较低 。 n 更精确的深度图； n区域移动补点研究 ； n运动视差图像的研究 ； n新型结构和器件的研究 。 研究方向 返回 集成显示技术（Integral Imaging ） 集成显示技术又称全景显示，于1908年由 Lippmann发明。 一种用微透镜阵列来记录和显示全真三维场景 的三维图像技术。 集成显示技术 发展过程 集成显示的深度反转集成显示的深度反转 现象现象(pseudoscopic) 二次记录法二次记录法 n优点：优点： n解决深度反转解决深度反转(pseudoscopic )问题问题 n缺点：图像质量大大下降，空间信缺点：图像质量大大下降，空间信 息丢失息丢

7、失 集成显示技术 发展过程 基于自校正传输屏技术基于自校正传输屏技术 优点：优点： n只有一次记录过程，图像只有一次记录过程，图像 损失小；损失小； n不损失景深和深度信息不损失景深和深度信息 渐变型多模光纤的集成显示技术渐变型多模光纤的集成显示技术 n优点：子图之间无重叠，再现图像质量高优点：子图之间无重叠，再现图像质量高 。 计算机生成集成显示技术 n原理：利用计算机模拟集成图像的记录过程，产生类似由光学仪原理：利用计算机模拟集成图像的记录过程，产生类似由光学仪 器生成的集成显示图像器生成的集成显示图像 。 n优点：既克服了优点：既克服了II成像系统本身存在的一些问题，又能对三维集成像系统

8、本身存在的一些问题，又能对三维集 成显示图像技术进行深入的理论研究成显示图像技术进行深入的理论研究 。 计算机生成集成显示技术 发展过程 n最早的最早的CGII系统系统由Chutjian于于1968年设计完成；年设计完成； n缺点：缺点：不能产生高质量且视差连续的图像 ，生成的图 像存在空白地带 ，不能完成对三维集成显示图像的实时 记录 。 计算机生成集成显示技术 发展过程 时分多路复用集成显示技术 n原理：通过使记录和显示微透 镜阵列同步在水平方向振动 ，来 增加对物空间的光线采样, 从而 提高图像的分辨率。 n优点：可有效的提高再现图像 质量，增大视角。 计算机生成集成显示技术 存在的问题

9、及发展的方向 目前II技术还远未达到实用化的水平。当前限制该技 术发展的因素主要集中在记录再现设备、记录场景有限的 景深和视角范围以及定位与速度几个问题上。 n视角问题：主要通过改变微透镜的折射率和通过移动微 透镜的位置 n生成速度以及定位问题 。 返回 计算全息三维显示系统计算全息三维显示系统 n Dennis Gabor在40年代提出全息照相，原理利用胶片同时记录光的振幅 及相位；1967 年Goodman 提出数字全息技术 ， 后来，Thomas Kreis 等提出了实时数字全息，其核心思想就是用一个数字设备光学再现全 息图，来缩短全息操作时间 。 n 优点：真三维显示，可提供全部深度信

10、息；平面显示，无运动部件。 基于数字合成全息技术的三维显示技术基于数字合成全息技术的三维显示技术 n 利用计算机图形软件,产生一 系列带有视差的二维图像,并 用电寻址的透射液晶屏以相 干光图像的形式显示出来； n 将每一幅二维视差图像在光 致聚合物胶片上记录一幅 2mm 2mm 的反射式像素全 息图(Hogel) ； n 利用计算机控制的分步重复 技术,将上万个“Hogels”排列 成一个60cm 60cm的全息图 单元； n (4)将多个全息图单元拼装在 一起,合成一幅大的全息图。 美国的Zebra Imaging 公司的数字 合成全息图 基于空间光调制器的数字全息三维显示技术基于空间光调制

11、器的数字全息三维显示技术 n 世界上第一种真三维动 态全息显示系统 n 使用声光调制器 （AOM） n 显示区域150*75*75mm n 单色显示（红色） n 帧频2.5hz n 可视角度30 MIT多媒体实验室的基于声光调 制器的全息三维显示系统 基于空间光调制器的数字全息三维显示技术基于空间光调制器的数字全息三维显示技术 n 使用数字微镜（DMD）作 为光调制器 n 分辨率1024*768 n 使用多层可控液晶(LC)片 和糖脂凝胶(Gel tank)及雾 化屏(Frosted Plate)作为显 示空间 美国Texas大学的基于DMD的全 息三维显示系统 基于空间光调制器的数字全息三维

12、显示技术基于空间光调制器的数字全息三维显示技术 n 该系统采用了120个节点的网 络计算机进行全息图计算， 并由电寻址空间光调制器( EA-SLM)分时地将子全息图 通过复制光组的开关和投射 作用透射到光寻址空间光调 制器(OA-SLM)上。 n 该系统可以30Hz的刷新率再 现大小为140mm 100mm的 三维图像。 n 优点是显示效果较好,且可以 实现动态显示,缺点是结构复 杂，造价昂贵。 英国Qinetiq公司的Active TilingTM(AT) 三维全息显示系统 基于集成技术的数字全息三维显示技术基于集成技术的数字全息三维显示技术 汉城国立大学的基于集成技术的数字彩色三维全息显示

13、系统 三维计算全息显示的关键技术三维计算全息显示的关键技术 全息算法 干涉理论和衍射理论是全息图算法的理论依据。 1.基于干涉理论 2. 基于衍射理论 层析法层析法 菲涅耳波带法菲涅耳波带法 多视角投影合成法多视角投影合成法 基于角谱理论的算法基于角谱理论的算法 三维计算全息显示的关键技术三维计算全息显示的关键技术 硬件系统 硬件系统主要包括计算硬件系统及光调制器系统。 各种分布式计算硬件构架的比较 三维计算全息显示的关键技术三维计算全息显示的关键技术 硬件系统 n Valve (GLV)；该调制器与 DMD很相似与DMD不同点在于 以衍射代替了DMD器件的反射 。GLV的主要优点有： n响应

14、速度快，在纳秒级别； n由于没有有介入损失，因此光学效率 很高； n运动部件少，因此使用寿命长，抗冲 击； n衍射角度由制造工艺确定，因此稳定 性较好； n分辨率较高；成本较低； 返回 体三维显示系统体三维显示系统 n 原理：通过在三维空间 中的体像素（volex）来 显示三维物体。 n 优点：真三维显示，可 提供全部深度信息。数 据率适中，系统简单。 体三维显示系统体三维显示系统的分类的分类 目前，体三维显示系统体三维显示系统从显示空间的形成上划分可分为两 类： 1.扫描体三维 显示 2. 静态体三维 显示 频率上转换静态体三维显示频率上转换静态体三维显示 等离子静态体三维显示等离子静态体三

15、维显示 DEPTH CUBE系统系统 主动发光旋转扫描体主动发光旋转扫描体 三维显示三维显示 被动发光旋转扫描体被动发光旋转扫描体 三维显示三维显示 螺旋屏螺旋屏 平面屏平面屏 旋转扫描体显示系统 优点：结构简单，刷新速率快 n 缺点：存在显示死区及显示的非 均匀性，分辨率及彩色显示受限。 被动发光旋转扫描体显示系统 Felix3D三维显示系统 n 可显示物体的体像素数目10k。 被动发光旋转扫描体显示系统 Perspecta 3d显示器 n分辨率:768*768*192； n色彩格式:24bit RGB; n旋转屏转速：730rad; n体像素数：100M； n帧频：2409FPS； n接口

16、数据率：4.68GB; n显示范围：10英寸； n可视角度：360。 静态体三维显示技术 基于空间等离子体的三维显示技术 静态体三维显示技术 DepthCube三维显示系统 体三维显示系统 最新进展最新进展 南加州大学研制的三维显示系统 体三维显示系统体三维显示系统 南加州大学研制的三维显示系统的 创新之处: n 使用与水平成45度的旋转镜来代替平面漫反射屏幕 。 n 研制了基于DLP的帧频可高达5000fps的超高速彩色投影机 。 n 使用了头部跟踪器，从而同时实现了水平与垂直方向的运动 视差 。 n 究了新型的透视关系校正算法，从而使显示垂直方向运动视 差时的图像畸变得到补偿 。 存在的问

17、题： n 通过头部跟踪器无法为多个观察者提供垂直视差 ； n 该系统使用单个投影仪进行投影，限制了分辨与水平视差精 度的进一步提高 体三维显示系统体三维显示系统 最新进展最新进展 北京理工大学研制的三维显示系统 体三维显示系统体三维显示系统 当前发展当前发展 北京理工大学研制的三维显示系统的北京理工大学研制的三维显示系统的 创新之处创新之处: n 使用多投影仪来解决投影仪帧频和数据率的限制。 n 使用同步照明系统了解决投影仪响应速度及同步的问 题 优点优点： n 突破了分辨率、灰阶和帧频的相互制约瓶颈 ； n 采用数据并行传输技术，提升了三维图像的体刷新率 和分辨率，消除了数据接口I/O性能对系统的限制 返回 三维立体