三维显示技术.pdf

三维显示技术 王 本 沈树群 常 默君 (北京 邮电学院应用物理 系)陶 蕙 荚 (麻 坊师 范专 科学 校物 理 教研 室)摘 要 本文简要叙述了三维显示 的基本原理和特性概述了体视对显示技术、自体视显示技术、空间加赣 显示 技 术 和全 息 显示 技 术 的 原理 和方 法 舟 绍 了 且前在 电 影、电视、图象 等 领域 已经实 用的 三 维显 示 技 术描绘了。三雏显示技术和计算机技术相结合的发展前景 兰 维显示 是 把物体 的三维信 息或数据 进行 记录、处 理和再现的 过程 人们 熟悉的 立体电 影 就是 一种三维 显示 技术 立体 电影比 二维显 示 的普通 电影更 形象、更 生动观 看立体 电影 时，画 面中盼 人物和景象 栩栩如 生，有 强烈 的立 体摩和真 嘉感 三堆显乐有广泛的应用领域，如医疗图片 显示，飞行模拟，汽车、建筑设计，物理中各种场 的三 维分布，分子 结构 模 型，地理、地质 图，立体 电影，甚至立体商业广告等 立体 显示是 一个 复杂的 问 题归纳起来 主 要 是 客观 模拟和 主观感觉 这两个 问题，即三 维 物 体结构韵 物理参数 的空间关 系重建 和人类本 身 的三 维感 对物体结 构的物 理参数 的空间关 系进行判 断和重 建，这对一个 边缘不 清晰 的物体来说，是 一个 困难的 问题首先需 要对三 维图象 或图象 数据 进行预处理，然后要 将大量 数据 传 送到显 示器上，同时显示器本 身也需 要研 究 人类 的三 维感觉是 一个十分 复杂的生 理过 程 人的 眼睛是 一个 光学 传感器，而 大脑 则是 一个 复 杂的处 理 器三维 感觉的过程基 本上 可 以包括 以下 三个 主要 过程“：第 一，人 眼对物 体探 测，并在 赫中把象 转变成 由边缘 和亮 暗变 2 l 6 化 组成的 初步 图形；第 二，确定 物 的大 概形状；第三，把 初步 感觉到的 物的形状和 熟悉 物体 的 形状 比较，得到 最后的 感觉 立体观 察的过程是 双服从 不同角度 察看一 个物体 的过程，也就是 察觉物 体的存在 和分辨 物体的 细节 物体在 左眼中的 视觉与 其在右 眼 中的视 觉所产生 的视 差，能 产生立体 感；大视野 范围的平 面画面通 过物体 的大小、透 视、遮挡 等 深度 的变 化，以及 不 同角 度序 列象 在大脑 中的 时间哲留，所有这些信息经过大脑的综台，也能 产生立 体效果，如 近年 出现 的全景电 影，就是一 个很好 的例子 三维显示可以用以下几个概念来描述：真体视：不用任何辅助工具，直接获得三 维图象 -可调 节性：对 物体 的不 同深 度进行调 节显：示 的能 力 视场：物体对 人眼所 张的立体 角 观察范 围：观察 者能看到 立体效 果 的 莨 围 可干预性：观察 者对显示象 进行 修正的 舷 力 实时性：显 示实 时图象 的能力 信息容 量：通常 用空间带宽 积来表示，表 i B 卷 期 维普资讯 http:/ 示 眼睛接受 到 的信 息量 的大小 一个完 善 的三 维显示技 术应 该是 自 体 视，可调 节，大视场，大 视察 范围，可干 预，实 时，在 同样三 维效果情 况下 信 息容量 小，便于 数据 处 理 三 维显示 技术基 本上可分 成四 大类：第一 类是 体 视对显 示；第二 类是 自体 视显示；第三 类 是空 间加 载显 示；第四类 是 全息显示 体视对 显示 要求在 显示器 上 产 生 两 个 图 象，观 察者的 每只眼 只能观察 到一个 象从 左、右眼 看到 的两 幅象 的视 差产生 立体象 感觉 因 此用 这类 方法，人们在 观 察立体 象时要 戴上特 殊 的“眼镜，称 为象选 通器，如 图 l所示 象选 通 器一 般 由光学 元件(如棱 镜、反 射镜、颜色滤 波器、偏振片、光分束器 等)构 成，右 瞩 目 象 象选通器 右眠 器 挑 图 l体 祧 对 显 在 自体 视显 示 中，观察 者不需 戴 任 何“眼 镜”，左、右眼就能 观察不 同角度 的象，多重象 能“自动 地 分成两 个方 向投 向观 察者，就 好象 在观察 原物那样，如图 2所示 显 示 屏 图 2自体 视 显 示 右 艉 左 眼 空间加 载显示”的显示 器在 空间 再 现 原 物 或再现经 过预处 理 的物，而不是 从 平面 图上 获得视差因此，这种立体显示具有实体感觉，可以从不同方向去观察不面截同的平面象，如 图 3所示 物 理 半透 明象平面 啦察者蕊睡 图 3空间 加 蓑显 示 全 息显示 是一 种特殊 的显 示技 术，它 能把 物体的振幅信息和相位信息同时显示出来，相 当于一 个实物的 再现垒 息显示 有很强 的立体 1 体 视对显示。、：f 1 8 3 0 年左右，Wh e a s t o n e 荸 1 第聿个 体视观察器，他用一个简单的反射l辘系 筑 庵 时提 供左、右眼两个 景象 这种方 法的观察 范 围 受 到 限 制 用颜色滤光片或甩像振片作为象黼器的 体视对显示0 ，可以克服上述小观察范围的缺 点 前 一 种 方法是把经过 颜 色处理 的二 个象 投 射 到屏上，观 察 者戴 上颜 色滤 光片，左、右眼 分 别看到两幅不同的图象，从而得到立体感觉 观 察 黑 白图象时，两眼分 别 用红 色和绿 色滤光 片；而 观察彩 色象 时，用 青蓝 色和 红色 滤光片 但 由于人对彩 色是十 分敏感 的，因此 藁些 用 这 种 方法观察 立体圈时 会产 生错觉，-居 一种 体视 对显示的方法，在显示屏上显承商币相互垂壹 偏振的象，角两个相应的偏振片隶遣通，离商 左、右眼都可以看到两幅不同的图象 从而 I 起 立体感觉现在观焱 般着到的受怅电影就是 基于这个原理 这种方法的缺点矗 当现案害 戴着偏振“眼镜”的头偏辩时，左 右服都能攒魄 到两幅象，这种象的重叠，会引起锫谩的深度感 觉如果用 左、右 圆偏振象来代替线 搌袋 蛾 可 以克服这个 缺点 一 把 计算 机技 术应用 到体视对 显米 中，用计 算机来控制信息和彖造遣器 使立体显承具有 2 l，维普资讯 http:/ 更大 的 灵 活 性 和 实 用 性 美 国 TEKTR ONI X 公 司研 究的阴极 射线管加 上液 晶快 门系统，能 显示三 维彩 色图象 戴 在眼 睛前的选 偏器和 液 晶 快门 可以建立起三 维立 体象，并把CR T(阴 极 射 线管)上的单 色象 变成红一 绿一 黄象 互 皂俸 视显示 不 用任 何 辅助象选 通器 的自体视 显示 技术 一直受到 科学 家们的重 视下 面介绍几 种主要 的 方 法 (1)双 凸 透 镜 自体 视 显 示“双凸透 镜 自体视 显示 的光学 原理如 图 4所 示它是 个立体电影的系统两个电影放映 机把两幅动态象投射到条状的双凸透 镜 屏 上 图象经双凸透镜分别聚焦到左、右眼，得到很强 的 立体感 这一 系统的原 理，类 似于用 透明塑 料 栅条压制 的台 成 照片，这已广泛 应用于 商品 广告、儿童襁觉磊具它的主要优点是透射象 锟亮，氟钱老闻的黑带很窄 暂 冒 凸琏镜自悻褪显示。(2)藐置掘屏立体显示 其原理如图 5所示左、右眼通过橱屏观 察有序排列的画面画面中的左视图和右视图 分别到达点眼和右眼，而相应的另一个图被栅 屏挡住，从而产生立体感觉 它的缺点是在某些 位鹭疆看时会产生“伪视觉，这是 由于左、右图 象混 淆而 造成的 图，中左眼 如果置于不 恰 当 的位 置，就 会 同对 看到右视 图 为此，科学 家们 采用了不同方法来克服视差栅屏显示 中 的“伪 视觉 问题 并取得明显效果 (3)序 列蛹动 狭 缝-体 视投 影显 示t l S,1 4 1 图 6鳍 出了记 录装 置从 不同方位，B，c，D，E把物体外部的形状记录下来如果人 21日 眼看到物体不同方位的景物，那么就会有如苘 看 到原 物一样 的立 体技果 圈 7是 物景再 现装 置把 A，B，c，D，E 图象顺 序地 投 影 到 羼 上，用一 可以转 动 的狭 缝 同步地 转动 当狭 缝 转到位 置 时，在屏幕土 出现 图象 A与此 同时，观 察者能 看 到物体 方位的象 ；当接 缝转 到位置D 时，在屏 上 相应地 出现图象 D 而观察 者透过 狭缝，此 时能 看到物体 在 D方位 的象；当 狭缝转 半局，观察 者观察 到序列镶 嵌 的 瞬时 图象 由于 人服 的视 觉哲 留，使观 察 者 感觉到原 物景的 三 维再现 图象 棚孱 怖挺觉 悻说站 图 5辊 差 栅 屏立 体 显示 多 方 位 螽 髟 轧 图 6 序列帧动获缝 自体视的记录装置 3 空间加虢显示 如果象能 同 原物 一样 在空 间不 同层次上再 现出来，那么我们可以得到物的空间再现图象 这样的空 间再现 图象，在 观察距 离方 向上 体现 了立 体效果 这一 方法能 用在层析 照片 的 立体 l 8 卷 4辊 维普资讯 http:/ 圈 7厣 列幔 动 狭缝 目体 视 昀 显 蓑萱 显示上 为了使显示具有明显的层次，往往需 要对数 据进行 预处理 空间加 载技术 主要有 以 下几种：(1)振镜 显 示“振 镜 显示 是大家 熟悉的空 间 加 载 方 法 之 一把表 面镀银 的薄金 属片，安 装在 一 个扬声 器上，作为“振动膜片”，由扬声器产生的空气压 力的变 化使 膜片变成 凹 凸交 替变 化的 反 射 镜，相 当于振 镜 的焦距 不断变化 从图 8可 以 看 出，观察 者从反 射镜中观 看 CRY 上映 出的 圉 象，c F T 呈现的图象相继给 出物体的 不 呵 层 次(这 一点在拍 摄中 已记录下 来)，也 就是说 维物体的不同部位 由=维的不同截面 来表 从而 产 生立 体效 果 可 眼 阴授射缱骨 透 射半反 射镜射 到电子 开关 镜上，三维物 体的 不 同截 面的 图象 同步地 由不 同电子开关 镜的表 面反 射到观 察者，得 到一个 立体显示，原理 如 图 9所示 电子 开关镜显 示 的优 点是显示 元件 没 有机械动 作，具有 较高 的可 靠性，适用 范围也 更广泛 职 图 9电子 开*镜 显 示(3)合 戍显示 合成 显示是 又一种空 间加 载显 示方法 旋 转的胶片 带上的序 列二维图 象 由 图 l 0所 示 的 光学系统投射到旋转的透明螺旋鼓轮上，转动 过程中，光程差不断变化，因此将肢片上的二维 图象成 象在 不 同深 度的空间 扬 声器 带勃反 射 镜膜片搌曲 图 B 撮镜显示(2)电子开关镜 显示 电子开关镜 显示 的关键元件 是一 系列的 电 子 开关镜，每 一个 电子 开关镜 在 电场控 制下，可 以有反 射和透射 两种状态 CR T 的 图象 经半 物 理 图 1 0 合成显示光路圈(4 旋转 二极 管阵 列 显示 瑚 旋转二极管阵列显示是最近美国麻省理工 学 院提 出来 的空 间加 载显示 技术 其实验装置 如 图 I 1所示 在 一个平 板上 装有=极管 砗 列，它 在电路 的驱动下发 光在 立体 显示时，平 板 高速 旋 转，二极 管在适 当位置上 发光，把一个 三 维数据阵 列转变 成一个物理 空间 的“发 光 物”，得 到 了立体效 果 -(，)三 堆 荧 光俸 显 示 2 1 9 维普资讯 http:/ 图 l 1旋转=极营 阵列 显 示 兰维荧光体显示屏实际上是一块 荧 光 体 当两柬散光 对 屏进行寻 址扫描时，在 两束 光的 交叉 点上，由于非 线 性效应而发光，而其他 点不 发光由计算机控制激光扫描器，并调制激光 强度，这时在空 间就可得 到一个“发光 体”4 全 息显示 全 息显示是 一 种特 殊的显 示方法。一般的 照片 只能记录 原物的 振幅信 息，把相位 信息丢 掉 了因此 当人们 看图片时，只有平 面的 感觉 不 过，有时候看 照片 会产 生立体 感觉，那是因 为 人脑有 记忆能 力，当看照片时，人们 会有意识地 与 某些记忆 中的立 体物体进 行比较，而得 至 立 体感 但这并不是真正的立体象引起的感觉 全 息照片 能同时记 录物的振 幅和位相 信息，因 此 再现 时能得 到一个 与原物 一 样 的 虚 象 或 实 象 拍摄全息图用两束相干的激光，一束激光 直接 投射劐 记录介 质(即感光底 片)上，叫做参 考光束；另一束光投射到物体上，经物体反射后 产 生的光束，也 授在记录 底片上 这样参考光 束与物光束相干迭加，在记录介质上形成“象”(其实它是记录在底片上的一系列条纹)经过 赔室处理，就成为一张全息照片它象 x光照 片一 样，是 透 射型的底片 当我 们观 察象时，用 一束 同参考光 一样 的再现 光束 照 射全 息 图 时，观察 者能看 到一 幅极 为逼真的 原物象 全 息显示在 显示技术 中 占有十分重要 的地 位，方法也越来越多，其中包括 白光全息显示，彩 色全 息显示等 全 息技 术的 发展 为三 维显示 展 示出新 的前景 三维显 示除 了在 科学 技术领域 中广泛 应用 外，现 已进 入了人们的 生活，如 立体 电影、广告 等。因此，它将大大 促进三 维显示技 术的发展 今 后三维显 示的发展将 与计 算机技术 紧密 联系在一起 各 种三维显示 技术 的完善和 发展 在不 同程度 上 都与计算 机技 术 有关 大容量、高 速计 算机的 应用，有 可 能使 物体的 三雏显示瞬 闻完成，实现实 时三维显 示 我们可 以预见，真 正 的实时立 体电视 和彩 色全息 电影，不久将 会 实现。到那时，三 维显 示将 出现 一 个新 的 局面 【1 D Ms r r，V i s l o n：A c。mp u l a 。n 1 i n v e l t i 1 t i o ni a t o 啦h u ma n p r e s e n t a t i o n a n d P r。E V i s i n f o r-ma t l o n。W H Fr e e m s n，sa n F|nc i Ko，(1 9 8 2)【2 FBu d l n g e r,P r P 墟5 昵(1 9 丑 )，2 3L c l i n k，P ，B5 3：(1,9 8 斗，1 4 4】G B K Me a c h a m，$P I E,6 2 4(i 啦，9 0-E 5B La n e，P s 飚 s e 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