最新光学式立体三维显示技术.docx

1、最新光学式立体三维显示技术光学式立体三维显示技术光学式立体三维显示技术人们对客观环境的感知总是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等自然地获取的，对系统的控制亦应自然地借助自动跟踪系统，即利用性能先进的传感器对人体位置及力度进行有效的探测。换句话说，人们对客观世界的感知方式有多种，借助视觉所能获取的信息量远远超过了通过听觉、触觉、嗅觉及味觉等其他方式所能获取的信息量，而且视觉可产生客体景物的深度感，即提供客体景物的立体三维信息。临场感是指观看者似乎感到被显示的画面空间与观看者所在的实际空间是在同一个空间内。深度感可被视为依存于进深方向的距离、前后关系反映于人眼视网膜而产生的心理暗示(cue)因素。

2、立体感则是如全息摄像所呈现出的立体三维空间物体的厚度与鼓起等心理暗示因素或表现平面二维图像及绘画所显示出立体三维效果的心理暗示因素。立体感和深度感有时真的还很难截然分开。立体三维显示的临场感是使人具有身临其境逼真感之根本。为要逼真地模拟视觉功能，在很大程度上是依赖于立体三维显示技术的图像处理及理解能力，图像处理的质量愈高，图像处理的速度愈快，图像识别的能力愈强，系统的理解能力愈完善，系统的视觉临场感便愈佳。视觉是提高临场感的重要因素，但并非是唯一的因素。人们曾预言，听觉可能是立体三维显示技术中最先达到逼真程度的领域，触觉是一个刚起步研究与试验的领域，采用数据手套来提供触觉反馈信息。这种由微处理

3、器和传感器构成的数据手套，与视觉、听觉相配合，极大地增强了立体三维显示系统的临场逼真感。而嗅觉与味觉还属于一个尚未实质性开展研究的领域。故提高立体三维显示系统的临场感，尚需进行大量艰苦的工作。人们对记录和再现客观世界的立体三维图像显示向往已久，除雕塑外，这方面一直缺乏行之有效的手段。印刷术及照相术的问世使得视觉信息可借助价廉的大批量复制而广为传播，从而标志着一个崭新的信息时代的到来。但传统的图画及照片仅能显示出平面二维的图像。如何利用平面二维记录介质来产生出三维信息即立体三维图像，是现代科技的一个重要的研究课题。光学式立体三维显示技术大致可分为非全息显示和全息显示两大类。图1示出其分类状况，本

4、文将对其逐一加以扼要的介绍。一、非全息显示1、构成图像深度感的机理人体生理学的研究表明，人眼对客观世界的深度感主要来自如下四种效应：(1)调节效应调节效应是指人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸来调节眼球晶状体的焦距。显然，即使用单眼观看物体时，这种调节效应也是存在的，故它属于一种单眼深度感心理暗示。但这种心理暗示只有在与双眼心理暗示共同配合下，且物体距人眼较近时才会起作用。(2)会聚效应会聚效应系指当用双眼观看物体上的一点时，两眼视轴所构成的角度称为会聚角。显然，当纤毛体肌肉的拉伸使眼球稍微转向内侧，以便对着一点观看时便能给出了一种深度感的心理暗示，这种双眼心理暗示便称为会聚效应。通常，调节效应与会聚

5、效应相互关联，会聚效应亦仅在物距较近时才较为明显。(3)双眼视差人的双眼具有一定的空间距离，瞳孔间距约为6.5，当双眼观看同一立体三维物体时，双眼是从略微不同的角度注视的，从而双眼视象会稍有差异，这种差异称为双眼视差。对于中等视距的物体，人们公认双眼视差信息是深度感最重要的心理暗示。当人眼观看物体上的一点时，从该点发出的光便聚焦于双眼视网膜的中心斑点。故可以说，一双眼内的两个中心斑点在视网膜上给出了对应位置，从而依据对应位置来确定会聚的大小。而来自注视点以外各点的光线并不总是聚焦在两视网膜的对应位置，这种效应称为双眼视差效应。现代发展起来的各种由平面二维图象产生出立体三维图象的技术也正是利用这

6、一基本机理。(4)单眼移动视差当用单眼观看物体时，若眼睛位置不动，调节效应便是对深度感的唯一心理暗示，若允许观看位置移动的话，便可利用双眼视差这种效应从各个方向来观看物体，从而产生出深度感，这个效应便称为单眼移动视差。显然，单眼移动视差对静态物体就不起作用。综上所述，人眼观看一个全息再现图象宛如观看一个实际的三维物体一样，上述四种效应全部同时存在，故人眼处于自然观看的状态。而人眼观看一个立体图象时，仅仅存在双眼视差这一效应。尽管它是对物体深度感至关重要的一种生理学上的心理暗示，但因不是全部的心理暗示而使人眼处于一种不十分自然的紧张状态。这种状态在短时间内观看静态的立体图象时并不明显，但当观看立

7、体电视时，由于人眼长时间处于这种不十分自然的观看状态便会感到极不舒适及非常疲劳。2、眼镜式立体三维图像(1)互补色立体三维图像当人们观看两个由互补色绘制成的体视对图像时，需配戴上一副为互补色镜片的眼镜，如左眼借助红色镜片观看到红色的图片，右眼通过蓝色的镜片观看到蓝色的图片。由于每只眼睛仅能观看到相应色彩的图片而观看不到另一个的图片，从而实现了双像的分离；双像在人的意识中的叠合则形成了立体感。该显示方法的显著优点是其简易性，对视场和景深并无严格的限制。但这种不同色像的观看与复合容易引起人眼的疲劳，而且还无法将其应用于彩色的图像。(2)偏振式立体三维图像1938年，在纽约举行的世界博览会上，展示出

8、首座大型立体电影院，其机理即为偏振式立体三维图像。该显示方法的基本思路是用正交偏振的两束光同时将一体视对图像投影至同一屏幕上，同时让观看者配戴上用一对正交偏振片制成的眼镜，即可实现双像的分离。这种显示方法可制成宽视域和大景深，成像质量优异，画面栩栩如生，且还可将其应用于彩色的图像，故在日后迅速发展的立体电视中得到了广泛的应用。迄今，它仍是实现大屏幕立体显示最具实用价值和最便于普及推广的一种立体三维显示技术。(3)柱状透镜屏式立体三维图像柱状透镜屏式立体三维图像可视为微透镜阵列式立体三维图象的一种简化，即将微透镜阵列用一系列竖条形柱状透镜替代。这样虽影响了垂直视差，但制造工艺得到简化。该显示方法

9、的基本机理如图6所示。图6中(a)表示拍摄过程，这里用两部相机拍摄物体不同角度的视像；图6(b)中，分别用两部放映机从不同角度将相应的图像投射至装有柱状透镜屏的感光屏上；图6(c)表示观看过程。显影后的图片置于原位。由于柱状透镜的折射作用，使得左、右眼分别仅能观看到A，B放映机的相应图像，从而产生出立体感。20世纪60年代后，随着精密加工、塑料材料、照相及印刷工艺等技术的发展，使得柱状透镜屏式立体三维图像技术达到实用化程度。此种立体三维图像对屏面大小并无限制，画面明亮，观看简便，但对屏面与柱状透镜的配准位置要求较高，图像的清晰度亦受到柱状透镜屏密度的限制。除偏振式立体三维图像外，柱状透镜屏式立

10、体三维图像是目前非全息光学式立体三维显示中一种颇为有效的方法，近年来倍受众多研究者的重视，而且在立体电视等方面得到了广泛的应用。如1995年，日本Sanyo公司推出的40英寸立体三维投影系统便采用了经改进过的双柱镜屏技术，其机理如图7所示。投影机A和B分别将左、右眼视像投射至双柱镜屏上。由于双柱镜屏的作用，使得两种视像分别到达人的左眼L和右眼R。此种立体三维投影系统的图像达到颇为清晰及自然逼真的程度。(4)自动式立体三维图像自动式立体三维图像包括随机点(Random-dot)立体三维图像及计算机产生的立体三维图像，它是由众多在水平方向上重复周期稍有差异或视角略有变化的基元图像在该方向上重复排列

11、而形成的。这种由水平方向的周期性产生深度感的现象称为壁纸效应(Wallpaper effect)，即注视周期性排列的壁纸图案时会出现图像沉入或浮出纸面的感觉。20世纪60年代，B.Julesz等人据此制作了左、右眼分视的双图案随机点立体三维图像。20世纪70年代后，C.W.Tyler等人将其发展为双眼观看同一幅图案的立体三维图像，并称为自动式立体三维图像(Autostereo image)。近年来在国内外颇为流行并被称为画中画和魔画等。自动式立体三维图像作为一种艺术品绕有趣味。但它离不开水平方向重复排列的周期性背景，难以实现纯净无背景的立体三维图像画面。另外，注视这种画面直至产生出立体感的响应

12、时间对不少人而言也显得相当长(可达数分钟或更长的时间)，使其难以用于动态画面的显示。二、全息显示全息显示技术的问世给真正的立体三维电视带来了希望之光。全息电视与立体电视相比，其优越之处不仅仅在于立体三维图像更接近于物体自身，而且还要从人眼对物体深度感在生理上的心理暗示来加以考虑。1、全息显示的基本机理全息学(Holography)自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速的发展。其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位。由于全息再现象光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，故再现象与原物有着完全相同的三维特性。换句话说，人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包

13、括各种位置视差，这即是全息三维显示的理论依据。从这种意义上来说，全息才是真正的三维图像，而上述的各种由体视对合成的图像充其量仅是准三维图像(并无垂直视差的感觉)。20世纪80年代后，激光全息技术的迅速发展，成为一种异军突起的高新技术产业。在激光全息技术中，全息显示技术由于更接近于人们的日常生活而倍受关注。它不仅可制出惟妙惟肖的立体三维图片美化人们的生活，还可将其用于证券、商品防伪、商品广告、促销、艺术图片、展览、图书插图与美术装潢、包装、室内装潢、医学、*刑侦、物证照相与鉴别、建筑三维成像、科研、教学、信息交流、人像三维摄影及三维立体影视等众多领域，近年来还发展成为宽幅全息包装材料而得到了广泛

14、的应用。由于白光再现全息技术可在白昼自然环境中或在普通白光照射条件下观看物体的三维图像，使得全息显示技术得到了迅速的发展2、主要的全息显示(1)透射式全息显示图像透射式全息显示图像属于一种最基本的全息显示图像。记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后形成物光波；同时引入另一束参考光波(平面光波或球面光波)照射记录干板。对记录干板曝光后便可获得干涉图形，即全息显示图像。再现时，利用与参考光波相同的光波照射记录干板，人眼在透射光中观看全息板，便可在板后原物处观看到与原物完全相同的再现像，此时该像属于虚像。假如利用与参考光波的共轭光波相同的光波照射记录干板，即从记录干板右方射

15、向记录干板而会聚一点的球面光波，则经记录干板衍射后会聚而形成原物的实像。透射式全息显示图像清晰逼真，景深较大(仅受光波相干长度的限制)，观看效果颇佳。但为确保光的相干性，需用激光记录与再现。采用激光也会带来其特有的散斑效应的弊病，即再现像面上附有微小而随机分布的颗粒状结构。(2)反射式全息显示图像为克服透射式全息显示图像无法利用普通白光(非相干光)再现的缺陷，人们又发展了反射式全息显示图像。将物体置于全息板的右侧，相干点光源从左方照射全息板。将直接照射至全息板平面上的光作为参考光；而将透过全息板(未经处理过的全息板是透明的)的光射向物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，两束光干涉后便形成全息

16、显示图像。由于记录时物光与参考光分别从全息板两侧入射，故全息板上的干涉条纹层大致与全息板平面平行。再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板中的各条纹层宛如镜面一样对再现光产生出反射，在反射光中观看全息板便可在原物处观看到再现的图像。制作反射式全息显示图像时，通常采用较普通透射式全息显示图像更厚的记录介质(厚约15m的感光乳胶层)。因干涉条纹层基本上与全息板平面平行，介质层内形成多层干涉条纹层，即反射层，故全息板的衍射相当于三维光栅的衍射，必须满足布拉格(Bragg)衍射条件，即仅有某些具有特定波长及角度的光才能形成极大的衍射角。由于具有这种选择性，反射式全息显示图象便可用普通白光扩展光源再现。这是其一大优点，同时亦消除了激光的散斑效应。近年来，该类全息显示图像已广泛应用于小型装饰物的三维显示，并已实现商品化，市面上将其称为激光宝石。反射式全息显示图象还可用作壁挂式显示，但