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三维显示技术摘要：平面三维显示技术是近年来最新出现的虚拟现实显示技术,其最大的特点是观察者无需使用任何辅助附加设备,直接用肉眼就可看到屏幕上显示的三维图像。为推进三维显示技术的发展,进一步研究了视差立体成像原理,本文主要简单介绍了3D眼镜的分类及偏振眼镜立体式电影的原理。正文：三维显示技术是虚拟现实的关键技术之一,同时也是虚拟现实系统的基本要求。在信息时代,三维显示技术是一种应用广泛,并且对其它科学技术的研究有着极大促进作用的应用技术。随着三维显示在各个领域的广泛应用以及它对人们的生产和生活带来的极大便利,三维显示技术已成为当前世界上显示技术领域的一个研究热点。各国、各科研机构都投入了大量的人力和物力进行了深入探索和研究,使三维显示技术得到了日新月异的发展。美国、日本等许多发达国家对三维显示技术的研究工作开展较早,取得了许多突破性的进展并有相应的产品或原型机发布;而我国对于三维显示技术的研究和开发还处于初始阶段,对三维显示的研究只是限于在现有原理的基础上开发相应的产品。由于大多数三维显示设备价格都比较昂贵,所以开发若干结构简单、易于实现的三维显示系统并使其为大众所接受和应用是当前研究开发的最终目的。三维显示分为全息三维显示和非全息三维显示两种。全息三维显示由于计算量过大以及当前技术的限制,适用于静态图像的摄取和显示；非全息障栅三维显示由于具有易于实现的特点,为当今广泛采用的三维显示技术。视差立体成像原理人眼的立体感能将视场(即眼睛所观看到的景物区域)中的物体区别出远近,通常把左右两眼所获得的不同图像分别称作左图像和右图像。在显示技术中,如果同时在屏幕上显示出左图像和右图像,又利用一定的装置使得左眼只能看到左图像,右眼只能看到右图像,那么,经大脑融合就能还原成立体图像。如图1 ,图中A1、A2分别是同一物点A 在屏幕上所显示的左图像点与右图像点; B1、B2分别是同一物点B 在屏幕上所显示的左图像点与右图像点。如果左眼只能看到A1、B1 ,右眼只能看到A2、B2 ,则在人的大脑里就可以反映出A 点和B 点的深度信息。图像点A成像于屏幕之后,称之为“后方图像”;图像点B成像于屏幕之前,称之为“前方图像”。设人两眼之间的距离为x,人眼与屏幕的距离为L, A1、A2两点之间距离为SA , B1、B2两点之间距离为SB 。则后方图像A 点距屏幕的深度为:D =SAx - SAL, (1)同理,前方图像B 点距屏幕的深度为:D =SBx SBL。 全息记录是利用干涉原理,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贮存下来1以R ( x, y )表示参考光, O ( x,y)表示物光,则记录的总光强为I ( x, y) = |O ( x, y) + R ( x, y) |2 (1) 利用全息衍射再现的原理,用计算机模拟再现数字全息图1数字计算产生照明波前C ( x, y ) 1由衍射原理可知,全息图平面的透射波场U ( x, y)为照明波前与衍射屏(全息图)振幅透射率的乘积 ,即U ( x, y) =C ( x, y) I ( x, y) =C |R |2 +C |O |2 +CR3O +CRO3(2)透射波前U ( x, y)中的第四项包含了原物光的共轭信息,如果再现光C ( x, y) =3( x, y) , 可以再现得到与原物体一致的实像1在O3( x, y)传播的光场区域,选取一系列与全息图平行的平面,并计算其二维光场分布1通过研究各个平面光强分布的规律找出三维像点的位置和亮度数据1设某一选择平面P ,离全息图的距离为d,在菲涅耳近似情况下,再现共轭物光波波前Uid (,)的计算表达式如式(3)Uid (,) =A kO3( x, y) exp - i2d( x+ y) expid( x2 + y2 ) expid(2 +2 ) dxdy =A expid(2 +2 ) kO3( x, y) expid( x2 + y2 ) exp - i2d( x+ y) dxdy (3)O3( x, y)可以表示成会聚于不同点(l ,l , dl )处球面波的叠加,会聚点即为像点1即在数学上O3( x,y)可以表示成O3( x, y) = 6lB l exp - idl( x2 + y2 ) exp - idl(2l +2l ) exp i2dl( xl + yl ) (4)式中B l 表示会聚于(l ,l , dl )处的像点的亮度1于是式(3)可表示为Uid (,) =A expid(2 +2 ) k6lB l exp - idl(2l +2l ) exp -idl( x2 + y2 ) expid( x2 + y2 ) exp i2dl( xl + yl ) exp - i2d( x+ y) dxdy (5)因为光强分布为|Uid (, ) |2 , 显然, 对于dl = d的会聚点,积分结果为函数, 即为像点1而dl 不等于d的会聚点,在选择平面上则形成弥散斑1。3D眼镜的分类偏光原理，人的视觉之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。我们称其为“偏光原理”。3D眼镜的分类有三种，一是时分式，二是被动偏光式，三是主动快门式。首先介绍一下时分式。色差式3D技术，英文为Anaglyphic 3D，配合使用的是被动式红-蓝（或者红-绿、红-青）滤色3D眼镜。色差式又称互补色，大家常见红蓝，红绿等有色镜片类的都是色差式的3D眼镜。色差式可以称为分色立体成像技术，是用两台不同视角上拍摄的影像分别以两种不同的颜色印制在同一副画面中。用肉眼观看的话会呈现模糊的重影图像，只有通过对应的红蓝等立体眼镜才可以看到立体效果，就是对色彩进行红色和蓝色的过滤，形成视差，此时两只眼睛看到的不同影像在大脑中重迭就会呈现出3D立体效果。但是这种眼镜的立体效果是最次的，画面质量也最差。其次是被动偏振式。偏光式3D技术也叫偏振式3D技术，英文为Polarization 3D，配合使用的是被动式偏光眼镜。偏光式3D眼镜可以分为圆偏振式3D眼镜和线偏式3D眼镜两种，圆偏振式的效果比线偏振式的更好，更真实。主要原理是立体感产生的主要原因是左右眼看到的画面不同，拍摄立体图像时就是用2个镜头一左一右。然后左边镜头的影像经过一个横偏振片过滤，得到横偏振光，右边镜头的影像经过一个纵偏振片过滤，得到纵偏振光。 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，纵偏振光只能通过纵偏振片。在偏振式3D眼镜中运用的是光的偏振。所以以下简单地介绍一下光的偏振，光的偏振我们在大二时就已经学过了，我们知道光是一种横波，所以会发生偏振，横波的振动矢量垂直于波的传播方向振动，振动矢量偏于某个特定方向的现象叫偏振；纵波只能沿着波的传播方向振动，所以不可能有偏振。自然光是沿各个方向振动的光。自然光通过偏振片（叫做起偏器）之后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过。也就是说，通过第一个偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动。这种光叫做偏振光。快门式3D眼镜，快门式可以为家庭用户提供高品质的3D显示效果，这种技术的实现需要一付主动式LCD快门眼镜，交替左眼和右眼看到的图象以至于你的大脑将两幅图像融合成一体来实现，从而产生了单幅图像的3D深度感。快门式3D眼镜原理图根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)左眼和右眼各60Hz的快速刷新图象才会让人对图象不会产生抖动感，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，便观看到立体影像。快门式3D眼镜原理图根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)左眼和右眼各60Hz的快速刷新图象才会让人对图象不会产生抖动感，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，便观看到立体影像。运用最广泛的是被动偏振式3D眼镜。因其携带方便，造价低廉而备受亲睐。偏振3D眼镜如图2,荧幕左右图像交错排列,荧幕前方放微偏振片阵列,它的作用相当于起偏器;把荧幕左右的图像分为与偏振方向垂直的两组像素,观众通过佩戴偏振片眼镜,左右眼分别接收左图像和右图像,以形成立体显示效果,这就是偏振眼镜式立体电影的原理。这种方法缺点在于必须佩戴偏振片眼镜,不过作为已经成熟的技术,至今仍在3D电影院广泛应用。偏振眼镜立体显示。图3 偏振眼镜立体显示示意图如图所示，就是一个偏振片立体显示系统，它主要由分别带有偏振片1和偏振片2的两个投影机组成。观看者戴上由偏振片3和偏振片4组成的立体眼镜,并使偏振片1和偏振片2的透射轴方向相互垂直,偏振片2和偏振片4的透射轴方向一致，偏振片1和偏振片3的透射轴方向也一致,这样观看者的左右眼睛就能各自看到具有水平视差左右视差图,通过大脑融合就可看到立体图像。偏振眼镜成像的质量与立体串扰度有关。立体串扰度。在图3的偏振眼镜立体显示系统中,为了研究偏振片对立体图像性能的影响,提出了立体串绕扰度概念。在理想情况下, 左眼接收的左视差图为主透图像, 接收的右视差图为次透图像,右眼也类似,则立体串扰度C为次透图像亮度Bs 与主透图像亮度Bm 的比值, 即 C =Bs/Bm (1)公式中的C值能够反映左右眼图像的串扰程度, 是立体图像质量的重要评定参数。当C0.1时,立体图像质量较差;当C0.1时,立体图像质量良好;当C=0时,立体图像质量最佳。立体串扰度的影响因素。1、立体串扰度与偏振片旋转角度的关系。 在图3所示的偏振眼镜立体显示系统中,若观看者转动头部,偏振片3和4的透射轴发生转动,此时左眼除接收左视差图外,还接收到右视差图,右眼情况类似,即发生了左右视差图的串扰, 立体图像性能变差。投影机的偏振片1和2发生转动,实际情况也是如此。设图1中任意一片偏振片的透射轴的旋转角度为,根据马吕斯定理,主透图像的透过率为0.5cos2(),次透图像的透过率为0.5cos2( 90-),由式(2)得到系统的立体串扰度C与偏振片旋转角度的关系为： （2）根据式(2)可得到如图2所示的立体串扰度C与偏振片旋转角度之间的关系曲线。 图4 立体串扰度与旋转角度的关系由图4可知,随着偏振片旋转角度的增加,立体串扰度从0增加到无穷大。减小偏振片的旋转角度就能够改善偏振眼镜立体显示性能。若立体串扰度C1,次透图像的亮度大于或者等于主透图像的亮度,则左右眼图像融合出伪立体或者无法融合。当立体串扰度C0.1时,表明偏振眼镜立体显示性能良好,此时偏振片的旋转角度 17.8。2、立体串扰度与偏振片的偏振度的关系。设两片相同的偏振片平行组合的透过率为0,垂直组合的透过率为90, 则偏振片的偏振度V为： （3）图3中, 主透图像的透过率等于0, 次透图像的透过率等于90, 由式(1)和式(3)可知, 立体串扰度C与偏振片的偏振度V的关系为： （4）根据式(4)可得到如图3所示的立体串扰度C与偏振片偏振度V之间的关系曲线。 图3 立体串扰度与偏振度的关系由图3 可以看出,偏振片的偏振度越接近1时,立体串扰度越小,直至消除。增大偏