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立体显示技术的分类

根据立体再现的显示效果,可以将立体显示技术分为视差立体显示技术和真立体显示物术。根据是否需要辅助器件,可以将立体显示技术分为助视立体显示技术和裸眼立体显示技术。

 

1)视差立体显示技术

如上所述,人具有立体视觉能力,视差立体显示技术是利用人的两眼观察三维物体的原理而实现的一种立体显示技术。人的大脑通过对左右两眼获得的两幅图像以及两幅图像的视差进行分析和处理后,从而得到景物的光亮度、形状、色彩、空间分布等相关信息。

 

(1)  助视立体显示技术

助视立体显示技术,即眼镜式立体显示技术,其原理结构主要由记录和显示两部分组成;在记录过程中利用图像记录设备对同一空间场景的两个不同视点的信息进行记录,得到立体图像对(两幅略有差异的平面图像)。在显示过程中将立体图像对通过同一显示屏显示,并采用各种技术手段使立体图像对中左视图进入视者左眼,右视图进入视者右眼,从而实现具有深度感的空间立体图像的观看。

当前,眼镜式立体显示技术按其分离左右视图的技术手段主要分为四类:红蓝眼镜、偏振眼镜、时分眼镜和头盔式眼镜。

 

红蓝眼镜

是基于波长的视图分离技术,采用互补色立体眼镜对右眼视图进行分离实现3D红蓝立体影像。

 

偏振眼镜

是基于偏振光的左右眼视图分离技术立体眼镜的左眼和右眼分别装上横偏振片和纵偏振片,横偏振光只能通过横偏振片,纵偏振光只通过纵偏振片。这样就保证了左边相机拍摄的东西只能进入左眼,右边相机拍摄到的东西只进入右眼,于是实现立体显示。

 

时分眼镜

是基于时分技术的视图分离技术,其显示屏分时显右视图,并通过同步信号发射器及同步信号接收器控制观看者戴的液晶快门立体眼镜,通过时分技术实现左右眼视图的分离。

 

头盔式眼镜

是把两个眼视显示屏分别放置在观看者左右眼前,使观看者的左右眼分别观看对应显示屏上的左右视差图,从而实现三维显示。这类设备需要从减少人眼使用疲劳、增强显示真实性、降低设备价格等方面,进一步提升性价比。

 

(2)  自由立体显示

自由立体显示技术是指不需戴上任何观察设备就可以直接看到立体图像的三维立体显示技术。基于视差的自由立体显示技术主要有液晶自由立体显示系统与投影式自由立体显示系统两种。利用自由立体显示技术,人眼摆脱了限制,所以该技术能够应用到更多的场合。以美国、日本、德国为代表的国家从20世纪80年代开始着手该技术的基础研究,并于随后的90年代陆续获得成果。

 

自由立体显示技术主要利用以下两种技术:

 

①视差障碍技术

其实现方法是使用一个开关液晶屏、一层偏振膜和一个高分子液晶层,利用液晶层和偏振膜制造出一系列旋光方向呈90" 的垂直条纹,通过这些条纹的光就形成了垂直的细条栅模式,也就是视差障栅。通过精确控制视差障栅,使左右两眼将分别看到两幅不同的视差图像,从而产生立体效果。

 

②柱透镜光栅技术

主要是基于传统的柱透镜光栅立体成像方法,在液晶显示器前面加上一块透明柱透镜光栅板,液晶像素平面位于柱透镜光栅的焦平面上。像面上的任意一点经过柱透镜折射后成平行光東,以柱透镜的光轴为对称中心,光轴左侧的光线经折射后形成東平行光向右侧折射,形成左视图,光轴右侧的光线经折射后形成一束平行光向左侧折射,形成右视图,这两束光相互独立,互不干扰,形成左右视图分别进入左右眼睛,产生立体视觉。

 

2)真立体显示技术

真立体显示技术是一种能够在一个真正具有宽度、高度和深度的真实三维空间进行图像信息再现的技术。目前已有的真立体显示技术中比较主流的有全息、体三维和集成成像三种。

 

(1)全息显示技术

是利用干涉原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物光波前的全部信息都存储在记录介质,故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波,从而形成原物体逼真的三维像,可看到立体显示的全部特征,并有视差效应。在不同的位置上进行观察时,物体有显著的位移。把光全息显示技术用于图像重现通常需要两个步骤:一步是波前记录,这一过程是利用光的干涉原理,将物体发出的光波以干涉条纹记录成全息图:另一步是波前重现,就是用光波照射全息图,通过光的衍射,能够从全息图中再现出原始物体的光波,从而形成与原物体逼真的三维图像。目前全息显示技术随着激光技术和相关器件的大力发展有了极大的进步,已经广泛应用在社会生活的方方面面,例如在商业、艺术、医学、防伪、测量、军事等领域。

 

(2)体三维显示技术

体三维显示技术产生于20世纪40年代,是一种能够360°再现三维物体的显示技术。20世纪90年代以后,体三维显示技术在计算机软硬件技术、光学技术和控制技术的快速发展下得到了新的发展机会。体显示通常是将三维物体分割为点阵或一系列二维图像,再依次扫描,利用人眼的视觉暂留效应形成立体图像。体三维显示技术具有全角度、持多人同时观看等优点,但是由于其原理的局限性,先期准备工作极其烦琐,系统制备难度大,成本极高,短期内难以实现大尺度、高分辨率的三维显示:同时体三维显示技术受其频源的限制,实现实时成像与显示存在较大的技术难度,在应用上具有较大的局限性。体三维技术主要应用在医学上显示人体模型、立体空间中显示物体空间位置、工业上显示复杂机械模型等。

 

(3)集成成像

集成成像的概念是GLiPPmann于1908年提出的,是一种利用微透镜阵列来记录和再现3D空间场景的真三维显示技术。传统的集成成像技术包含元素图像阵列的记录和三维图像的再现两个部分。在记录过程中,采用由许多单元透镜在水平和垂直方向上井行排列组成的微透镜阵列获取三维场景的立体信息,并把立体信息记录到位于微透镜阵列焦平面的记录介质上,得到二维图像阵列(单元图像阵列)。在再现过程中采用的微透镜阵列与记录时采用的微透镜阵列具有同样的参数,二维图像阵列显示于图像显示设备上,图像显示设备放置在微透镜阵列的焦平面上,根据光路可逆原理,微透镜阵列将来自单元图像阵列的光线折射叠加还原,从而在微透镜阵列的附近重建出三维场景的立体图像。

 

较之其他三维显示技术,集成成像技术有以下优点:

①不需任何助视设备;

②记录和显示过程相对比较简单,不需相干光源;

③在记录和显示过程中都是三维场景点到点的立体空间信息对应,可以产生包含全真色彩和连续视差信息的逼真三维图像;

④在定的视角范围内具有准连续的视点,可供多人在任意方向上同时观看;

⑤既适于静态三维场景的记录和再现,又可用于三维视频通信等领域的动态物体的捕获和显示。

由于集成成像具有能显示全真色彩、全视差的实时3D立体影像等诸多优点,它被认为是实现3DTV有潜力的技术之一,被广泛应用于3DTV、3D多媒体、交互式购物、宣传广告、教学、娱乐、计算机辅助设计、医学成像、立体印刷、科学可视化等许多领域。


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