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在人獲得的外界信息中，視覺信息占80%以上。長期以來，表達(dá)可視信息的圖片、視頻等都是二維的。然而，現(xiàn)實(shí)世界是三維的，二維圖像在和采集和顯示的過種中丟掉了實(shí)際事物大量、重要的第三維信息。這些二維圖像無法滿足人類大腦信息處理的習(xí)慣，人腦更需要獲取與現(xiàn)實(shí)事物完全一致的“全部信息”，即三維的信息。
自古以來，人們就一直存在對(duì)三維成像技術(shù)的追求。15世紀(jì)初的歐洲的文藝復(fù)興時(shí)期，意大利建筑師Bruneselleschi 對(duì)“繪畫透視” 進(jìn)行了首次論證。達(dá)芬奇(Leonardo da Vinci)也曾在他的著作"Trattato della Pittura"中引用了"透視框"的概念作為他研究遠(yuǎn)景透視的依據(jù)。如藝術(shù)家需要將一張畫紙夾在玻璃板上，再通過一個(gè)目鏡觀察畫紙上場(chǎng)景的投影畫面，然后在畫紙上描繪下場(chǎng)景的輪廓，就可以得到一幅具有真實(shí)透視的草圖。
繪畫透視和雕塑藝術(shù)研究和實(shí)踐就表明：只有給兩只眼睛分別提供相對(duì)獨(dú)立的圖像，在恢復(fù)了雙眼視差的情況下，才可能獲得真實(shí)的立體視覺。
透視效果是觀看三維世界時(shí)的基本規(guī)律，是畫面產(chǎn)生立體感的基本要求。
人眼在看真實(shí)的圓柱體和看屏幕上顯示的圓柱體時(shí)，視差角有明顯的不同，看屏幕時(shí)的視差角實(shí)際上和看平板玻璃時(shí)是一樣的，因此不管屏幕上顯示的內(nèi)容如何變化，立體感始終是一個(gè)平面，這也是普通顯示器無法實(shí)現(xiàn)立體顯示的原因。
透視效果是觀看三維世界時(shí)的基本規(guī)律，是畫面產(chǎn)生立體感的基本要求。
人類的雙眼是橫向并排，之間大約有 6～7 厘米的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會(huì)有些微的差異，這個(gè)差異被稱為“視差”，大腦會(huì)解讀雙眼的視差并藉以判斷物體遠(yuǎn)近與產(chǎn)生立體視覺。這意味著假如你看著一個(gè)物體，兩只眼睛是從左右兩個(gè)視點(diǎn)分別觀看的。左眼將看到物體的左側(cè)，而右眼則會(huì)看到她的中間或右側(cè)。當(dāng)兩眼看到的物體在視網(wǎng)膜上成像時(shí)，左右兩面的印象合起來，就會(huì)得到最后的立體感覺。而這種獲得立體感的效應(yīng)就是“視覺位移”。
既然可以人為的控制視差角，我們就可以在顯示圓柱體時(shí)調(diào)節(jié)視差角產(chǎn)生圓柱體的立體感，事實(shí)上，當(dāng)今主流的4種立體顯示技術(shù)都是基于這個(gè)原理的。
實(shí)現(xiàn)基于雙眼視覺的立體顯示需要經(jīng)過兩大步驟，首先，要準(zhǔn)備好兩套分別供左眼和右眼觀看的畫面。目前，這種畫面的來源有三種途徑：
一、雙機(jī)拍攝：拍攝電影或圖片時(shí)將兩臺(tái)照像機(jī)或攝像機(jī)并排放置，兩機(jī)間的角度和距離都模擬人的雙眼。
二、從3D場(chǎng)景中提取：由于3D場(chǎng)景本來就被設(shè)計(jì)用來可供任何角度觀看，所以從中提取兩套畫面自然不難，提取的兩套畫面相互間的角度要模擬人的雙眼。
三、用軟件智能模擬：這是利用計(jì)算機(jī)根據(jù)原始畫面重新生成兩套畫面，可用于將現(xiàn)有的普通視頻和圖片轉(zhuǎn)換為立體顯示的片源，但效果略差。
片源準(zhǔn)備好以后，第二個(gè)步驟就是將它們輸送給雙眼，并且要點(diǎn)是給左眼觀看的畫面只能讓左眼看到。在輸送時(shí)其實(shí)并不需要刻意的調(diào)節(jié)兩套畫面的差距，只要能將上述途徑獲得的片源按要求輸送給雙眼，那么人眼就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生與畫面對(duì)應(yīng)的立體感了。為了實(shí)現(xiàn)這一步，各種立體顯示技術(shù)采用了不同的方式。
3D顯示技術(shù)的總體分類
分色技術(shù)
分色技術(shù)的基本原理是讓某些顏色的光只進(jìn)入左眼，另一部分只進(jìn)入右眼。我們眼睛中的感光細(xì)胞共有4種，其中數(shù)量最多的是感覺亮度的細(xì)胞，另外三種用于感知顏色，分別可以感知紅、綠、藍(lán)三種波長的光，感知其它顏色是根據(jù)這三種顏色推理出來的，因此紅、綠、藍(lán)被稱為光的三原色。要注意這和美術(shù)上講的紅、黃、藍(lán)三原色是不同的，后者是顏料的調(diào)和，而前者是光的調(diào)和。
顯示器就是通過組合這三元色來顯示上億種顏色的，計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像資料也大多是用三原色的方式儲(chǔ)存的。分色技術(shù)在第一次過濾時(shí)要把左眼畫面中的藍(lán)色、綠色去除，右眼畫面中的紅色去除，再將處理過的這兩套畫面疊合起來，但不完全重疊，左眼畫面要稍微偏左邊一些，這樣就完成了第一次過濾。第二次過濾是觀眾帶上專用的濾色眼鏡，眼鏡的左邊鏡片為紅色，右邊的鏡片是藍(lán)色或綠色，由于右眼畫面同時(shí)保留了藍(lán)色和綠色的信息，因此右邊的鏡片不管是藍(lán)色還是綠色都是一樣的。
分光技術(shù)
常見的光源都會(huì)隨機(jī)發(fā)出自然光和偏振光，分光技術(shù)是用偏光濾鏡或偏光片濾除特定角度偏振光以外的所有光，讓0度的偏振光只進(jìn)入右眼，90度的偏振光只進(jìn)入左眼(也可用45度和135度的偏振光搭配)。兩種偏振光分別搭載著兩套畫面，觀眾須帶上專用的偏光眼鏡，眼鏡的兩片鏡片由偏光濾鏡或偏光片制成，分別可以讓0度和90度的偏振光通過，這樣就完成了第二次過濾。目前，分光技術(shù)的應(yīng)用還主要停留在投影機(jī)上，早期必須使用雙投影機(jī)加偏振光濾鏡的方案，現(xiàn)在已經(jīng)可以用單投影機(jī)來實(shí)現(xiàn)，不過都必須配合不破壞偏振光的金屬投影幕才能使用。
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分時(shí)技術(shù)
分時(shí)技術(shù)是將兩套畫面在不同的時(shí)間播放，顯示器在第一次刷新時(shí)播放左眼畫面，同時(shí)用專用的眼鏡遮住觀看者的右眼，下一次刷新時(shí)播放右眼畫面，并遮住觀看者的左眼。按照上述方法將兩套畫面以極快的速度切換，在人眼視覺暫留特性的作用下就合成了連續(xù)的畫面。目前，用于遮住左右眼的眼鏡用的都是液晶板，因此也被稱為液晶快門眼鏡，早期曾用過機(jī)械眼鏡。
光柵技術(shù)
光柵技術(shù)和前三種差別較大，它是將屏幕劃分成一條條垂方向上的柵條，柵條交錯(cuò)顯示左眼和右眼的畫面，如1、3、5…顯示左眼畫面，2、4、6…顯示右眼畫面。然后在屏幕和觀眾之間設(shè)一層“視差障礙”，它也是由垂直方向上的柵條組成的，對(duì)于液晶這類有背光結(jié)構(gòu)的顯示器來說，視察障礙也可設(shè)在背光板和液晶板之間。
視察障礙的作用是阻擋視線，如圖，它遮住了兩眼視線交點(diǎn)以外的部分，使左眼看到的柵條右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。不過，如果觀看者的位置改變的話，那么視差障礙位置也要隨之改變。為了方便移動(dòng)視差障礙，小型光柵顯示器都是采用液晶板來作為視差障礙的，而檢測(cè)觀看者位置的方法主要有兩種，一種是在觀看者頭上戴一個(gè)定位設(shè)備，另一種是用兩個(gè)攝像頭像人眼一樣的定位。
四種主流立體顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
應(yīng)用范圍方面
這4種技術(shù)可應(yīng)用的范圍還是比較廣的，值得一提的就是分時(shí)技術(shù)還不能應(yīng)用于液晶顯示器，主要是因?yàn)橐壕э@示器的響應(yīng)時(shí)間太長，響應(yīng)特性也非常怪異。
舒適性方面
前三種技術(shù)使用時(shí)必須要配戴專用的眼鏡，好在觀看的位置不限;光柵技術(shù)雖然不需要配戴眼鏡，但有一部分產(chǎn)品要在頭上配戴定位設(shè)備，同時(shí)觀眾必須在特定的范圍內(nèi)才能正常觀看。
畫面質(zhì)量方面
4種技術(shù)普遍存在亮度損失的問題，分色技術(shù)使用顏色較深的濾色鏡，亮度損失理所當(dāng)然，同時(shí)它還會(huì)損失一部分顏色信息，另外顯示彩色畫面時(shí)，如果鏡片顏色不夠深，很可能導(dǎo)致濾色不徹底，會(huì)影響觀看效果;分光技術(shù)要用到偏光片，它會(huì)吸收特定角度偏振光以外的所有光，亮度損失很嚴(yán)重;分時(shí)技術(shù)雖然在任意一個(gè)時(shí)刻只有一只眼睛能看到光線，但由于人眼的視覺暫留特性，所以這并不是它損失亮度的主要原因，之所以損失亮度，是因?yàn)橐壕Э扉T眼鏡中也包含偏光片，所以它和分光技術(shù)是一樣的;至于光柵技術(shù)，視差障礙使每只眼睛只能接收到原來一半的光線，因此亮度損失一半，同時(shí)水平分辨率也只有原來的一半。
保護(hù)視力方面
首先，分光和光柵兩種技術(shù)對(duì)視力是沒有損害的，另外兩種技術(shù)中，分色技術(shù)是無藥可救的，因?yàn)橛^看時(shí)，雙眼接收到的顏色信息嚴(yán)重不平衡，雖然大腦可以將它們完美的組合在一起，但是會(huì)造成視神經(jīng)疲勞，不能長時(shí)間使用。分時(shí)技術(shù)必須配合CRT這類的低響應(yīng)時(shí)間的顯示器才能使用，CRT一個(gè)顯著的特點(diǎn)是瞬間發(fā)光，必須以非常高的頻率重復(fù)的掃描，然后在人眼視覺暫留特性的作用下才能呈現(xiàn)連續(xù)的畫面，為了使畫面足夠穩(wěn)定并且不會(huì)對(duì)視力造成損害，刷新頻應(yīng)該達(dá)到85赫茲，普通顯示器都可以達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，但使用分時(shí)技術(shù)后就不同了，由于單位時(shí)間內(nèi)只有一只眼睛能看到畫面，原來的85赫茲現(xiàn)在變成了42.5赫茲，如果還要保護(hù)視力的話，顯示器的刷新率就要設(shè)置為170赫茲了。但是顯示器的性能有限，很多顯示器即使在最低的分辨率下也只能達(dá)到120赫茲，實(shí)際只相當(dāng)于60赫茲，在這樣的刷新率下人眼就很容易疲勞了。即使顯示器支持170赫茲的高刷新率，液晶快門眼鏡也大多不支持。需要注意，這個(gè)缺點(diǎn)只是針對(duì)CRT而言，如果換用非瞬間發(fā)光的顯示器就不存在這個(gè)問題了，但絕大部分的液晶快門眼鏡都是為CRT優(yōu)化的，可能會(huì)不適應(yīng)其它顯示器的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)特性。
其它立體顯示技術(shù)
透鏡3D液晶顯示技術(shù)
該技術(shù)不需要佩戴眼鏡，它在顯示器前面板鑲上一塊柱透鏡板組成裸眼立體顯示的光學(xué)系統(tǒng)，像素的光線通過柱透鏡的折射，把視差圖像投射到人的左、右眼，經(jīng)視覺中樞的立體融合獲得立體感。柱透鏡板由細(xì)長的半圓柱透鏡緊密排列構(gòu)成，下圖顯示了柱透鏡方法的原理。左右眼視圖分別位于奇列和偶列像素上，形成視圖分區(qū)。
它利用在液晶的最表層添加了數(shù)組透鏡，而在這層凸透鏡數(shù)組上形成影像。其中每個(gè)透鏡以液晶像素成一個(gè)小的角度擺放，并且對(duì)應(yīng)了7個(gè)液晶Cell，每一個(gè)液晶像素有3個(gè)液晶Cell組成，具備呈現(xiàn)RGB三色的功能，再加上根據(jù)特殊的算法，在液晶Cell中形成不同顏色，而最終形成影像，確保讓觀看者在左、右眼上形成不同的圖像，這樣就可以看到逼真的三維效果。缺點(diǎn)是如果觀看液晶的角度不同，因?yàn)锽arrier的效果減弱，而無法看到三維效果，而且多焦點(diǎn)影像極易造成眼睛疲勞。
DFD立體顯示技術(shù)
DFD(Depth-Fused 3D)是根據(jù)全新的錯(cuò)視原理開發(fā)的景深融合型立體影像技術(shù)，其利用兩片液晶顯示器與half mirror，開發(fā)不需特殊眼鏡就可以觀賞的立體影像的技術(shù)，這種立體影像制作原理稱為REAL。REAL立體影像的制作過程是先利用一般攝影機(jī)、相機(jī)、閃光燈攝影等方式拍攝影像，然后取一般攝影與閃光燈攝影拍攝影像灰色度兩者的差分，再與一定峰值比較藉此獲得二值化(0與1的數(shù)字元元化)的影像，接著抽出所謂的近影像領(lǐng)域，最后再將Relief狀景深添加至近影像領(lǐng)域內(nèi)。被照物景深形狀除了球體比較接近真實(shí)景深外，其它物體都會(huì)出現(xiàn)某種程度的差異，只要近影像與遠(yuǎn)影像兩者前后關(guān)系維持正確，且景深為連續(xù)性平滑狀的話，通常利用肌理描繪(texture)作補(bǔ)正，就可以獲得非常協(xié)調(diào)的立體影像。
微位相差板立體顯示技術(shù)
微位相差板法是臺(tái)灣光電研究院研究成功的一種裸眼立體顯示技術(shù)。使用微位相差板改變光的偏極態(tài)來達(dá)到左、右視圖的分離。微位相差板立體顯示器不需要戴眼鏡，但是視角很小，需要和頭部跟蹤裝置配合使用。
特殊照明法立體顯示技術(shù)
線光源照明法的立體顯示器在LCD的像素層后使用一系列并排的線狀光源給像素列提供背光照明，線光源寬度極小并與液晶屏的列像素平行。密集的線光源照明使奇、偶列像素的圖像傳輸路徑分離，使左、右眼看到對(duì)應(yīng)的畫面。
立體顯示設(shè)備
頭盔顯示器
頭盔顯示器(HMD，Head Mounted Display)的原理是將小型2維顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸?fàn)钔哥R使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果。利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺(Hologram)。液晶顯示器(早期用小型陰極射線管，最近已有應(yīng)用有機(jī)電致發(fā)光顯示器件)的影像通過一個(gè)偏心自由曲面透鏡，使影像變成類似大銀幕畫面。由于偏心自由曲面透鏡為一傾斜狀凹面透鏡，因此在光學(xué)上它已不單是透鏡功能，基本上已成為自由面棱鏡。當(dāng)影像產(chǎn)生的影像進(jìn)入偏心自由曲面棱鏡面，再全反射至觀視者眼睛對(duì)向側(cè)凹面鏡面。側(cè)凹面鏡面涂有一層鏡面涂層，反射同時(shí)光線再次被放大反射至偏心自由曲面棱鏡面 ，并在該面補(bǔ)正光線傾斜，達(dá)到觀視者眼睛。
頭盔顯示器的光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)日趨完善，不僅作為個(gè)人應(yīng)用顯示器，它還是緊湊型大屏幕投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可將小型LCD顯示器件的影像透過光學(xué)系統(tǒng)做成全像大屏幕。除了在現(xiàn)代先進(jìn)軍事電子技術(shù)中得到普遍應(yīng)用成為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的必備裝備外，還拓展到民用電子技術(shù)中，虛擬現(xiàn)實(shí)電子技術(shù)系統(tǒng)首先應(yīng)用了頭盔顯示器。近期新一代家用仿真電子游戲機(jī)和步行者DVD影視系統(tǒng)的出現(xiàn)就是頭盔顯示器的普及推廣應(yīng)用的實(shí)例。
頭盔式顯示器是最早的VR顯示器，它利用頭盔將人的對(duì)外界的視覺、聽覺封閉起來，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的分辨率已達(dá)到1024×768，可為用戶提供清晰的虛擬場(chǎng)景畫面。
眾所知視覺影像的解析度與色彩度取決于顯示器件的像素(pixel)與灰度(grey level)，然而目前小型高像素、高灰度液晶顯示器(LCD)的單價(jià)極端昂貴，因此，日本Olympus公司利用OSR元件使18萬畫素的LCD產(chǎn)生相當(dāng)于72萬畫素，水平解析度500條以上的畫質(zhì)效果。OSR是由偏光控制元件(液晶cell)與復(fù)折射板所構(gòu)成。藉由OSR元件將LCD的黑色矩陣上由像素所產(chǎn)生的光線移位。雖然理論上它是一種可使光學(xué)畫質(zhì)提高4倍之技術(shù)，但實(shí)際上單純的使光線移位所產(chǎn)生的4像素技術(shù)卻會(huì)造成影像模糊效應(yīng)。因此OSR將對(duì)應(yīng)各移位的影像信號(hào)從原始影像信號(hào)中取樣，再顯示于HMD的自由曲面棱鏡，也就是說各移位的像素都能夠正確顯示在該當(dāng)位置，實(shí)質(zhì)像素提高4倍的同時(shí)又不會(huì)有影像模糊的問題。OSR元件置于LCD與自由曲面棱鏡之間。OSR是由2片偏光控制元件與3片復(fù)折射板所構(gòu)成。當(dāng)電壓ON/OFF施加于2片偏光控制元件時(shí)光線移位成4道。OSR的控制是將原影像信號(hào)配合移位像素的位置取樣，之后以1/120秒的速度驅(qū)動(dòng)LCD，再同步配合像素移位置顯示影像利用OSR元件依次使各個(gè)像素的光線以4/120秒(=1/30秒：視頻信號(hào)的結(jié)構(gòu)單位)的速度為一周期。之后一邊監(jiān)控LCD的實(shí)時(shí)一邊倍速驅(qū)動(dòng)LCD，同時(shí)與LCD驅(qū)動(dòng)狀況連動(dòng)控制OSR元件。雖然LCD移位光量(距離)取決于OSR元件的復(fù)折射板的厚度，但是由于LCD像素大小只有10μm，像素間的黑色矩陣大小為14μm，因此復(fù)折射板的厚度必須具備微米級(jí)的加工精度，配合高折射結(jié)晶材料才能完成厚度為2.9mm的OSR元件。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)電子顯示系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，可預(yù)期未來類似HMD可將小型LCD顯示器件的影像透過光學(xué)系統(tǒng)作成全像大銀幕的需求將日益增加。另外由于自由曲面棱鏡的設(shè)計(jì)乃至加工量產(chǎn)技術(shù)將因此更趨完備。除光學(xué)技術(shù)之外，納米級(jí)(nano)超精密機(jī)械加工技術(shù)亦將成為本世紀(jì)初的熱門課題。
3D投影機(jī)
目前3D投影機(jī)領(lǐng)域的3D顯示技術(shù)主要有3種，分別是氣體成像式投影技術(shù)、偏光投影技術(shù)以及120Hz投影技術(shù)。
第一種氣體成像式投影技術(shù)：它采用一臺(tái)投影機(jī)和一個(gè)空氣屏幕系統(tǒng)，利用海市蜃樓的成像原理，空氣屏幕系統(tǒng)可以制造出由水蒸氣形成的霧墻，投影機(jī)將畫面投射在上面，由于空氣與霧墻的分子震動(dòng)不均衡，可以形成立體感很強(qiáng)的圖像。由于承載影像的介質(zhì)是空氣而非固體，導(dǎo)致播放的影像并不固定，產(chǎn)生畫面隨著空氣流動(dòng)而晃動(dòng)的感覺，此外，播放環(huán)境必須很暗，才能獲得清晰的圖像。這項(xiàng)技術(shù)不能全空間任意顯示，只能在投影系統(tǒng)上方空間處播放畫面，而且由于承載影像的介質(zhì)是空氣而不是固體，所以播放的影像并不是固定位置的，存在畫面隨著空氣流動(dòng)的同時(shí)晃動(dòng)的感覺。
第二種方式是雙投影式投影機(jī)：它是通過雙頭輸出的顯卡將播放內(nèi)容同步直接輸出到兩個(gè)投影機(jī)中，在投射左眼的投影機(jī)前加上偏正鏡，然后在投射右眼圖像的投影機(jī)前也加偏正鏡但角度旋轉(zhuǎn)90度，讓產(chǎn)生兩束偏振光的偏振方向互相垂直。而偏振光投射到專用的投射屏幕上再反射到觀眾位置時(shí)偏振方向需不改變。觀眾佩戴偏振眼鏡觀看時(shí)，每只眼睛只能看到相應(yīng)的偏振圖像，從而在視覺神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生立體感覺。該方式必須使用兩臺(tái)投影機(jī)，需要特殊的投射屏幕，對(duì)屏幕的偏振性以及增益要求都很高。同時(shí)，此方式在投射過程中光線損失50%-80%，因此要求投影機(jī)亮度必須很高。
第三種是120Hz3D成像投影技術(shù)：目前在液晶顯示器領(lǐng)域非常受歡迎。這項(xiàng)技術(shù)的主要技術(shù)在眼鏡上，它的眼鏡片是可以分別控制開關(guān)的兩扇小窗戶，在同一臺(tái)放映機(jī)上交替播放左右眼畫面時(shí)，通過液晶眼鏡的同步開閉功能，在放映左畫面時(shí)，左眼鏡打開右眼鏡關(guān)閉，觀眾左眼看到左畫面，右眼什么都看不到。同樣翻轉(zhuǎn)過來時(shí)，右眼看右畫面，左眼看不到畫面，就這樣讓左右眼分別看到左右各自的畫面，從而產(chǎn)生立體效果。這種技術(shù)從原理上來講是最正統(tǒng)的3D技術(shù)，對(duì)投影幕、投影機(jī)的亮度沒有特殊要求，而且效果也非常出色，同時(shí)成本的控制也相對(duì)簡單。最重要的是這種技術(shù)對(duì)于片源或是游戲沒有要求，可以馬上實(shí)現(xiàn)3D效果。是目前市面上顯示效果最好、最便宜的3D解決方案。
審核編輯：黃飛
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