畢業(yè)設計--三維立體顯示技術

1、<p><b>　　三維立體顯示技術</b></p><p><b>　　發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　Internal and International Development in Three-dimensional Display Techniques</p><p><b>　　摘要：

2、</b></p><p>　　本文介紹了三維立體顯示的概念及立體視覺形成的機理，并分別介紹了五種主要的三維顯示技術的原理發(fā)展過程、典型結構及國內(nèi)研究進展，并分析了存在的不足及未來的發(fā)展方向。最后針對三維立體顯示系統(tǒng)存在的問題和發(fā)展現(xiàn)狀，對近期和遠期的三維顯示系統(tǒng)研究進行了展望。</p><p><b>　　關鍵詞：</b></p><p

3、>　　立體顯示、自動立體顯示、集成顯示(II)、計算機生成集成顯示技術(CGII)、體三維顯示(V3D)、三維全息顯示、計算機生成全息三維顯示(CGH)、空間光調(diào)制器(SLM)、雙目視差、運動視差、適應性聚焦。</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　Some conceptions and theory of Three-d

4、imensional Display are presented briefly in this paper. The progress of develop, typical structure and recently progress of the five major 3D display technology were also presented in this paper separately . And several

5、 advantage and disadvantage are introduced. According to the conditions of the development in Three-dimensional Display and directions of internal and international research, an expectation is made finally.</p>&l

6、t;p><b>　　Keywords：</b></p><p>　　Stereoscopic Display, Auto-stereoscopic Displays, Intergral Image(II), Computer -generated Intergral Image(CGII), volumetric 3D display(V3D), there-dimensional

7、holographic display, Computer-generated Hologram(CGH), Spatial Light Modulator, Binocular parallax, Motion parallax.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄4</b></p>

8、<p><b>　　一．引言5</b></p><p>　　二．立體顯示技術6</p><p>　　2.1　立體顯示的原理6</p><p>　　2.2　立體顯示主要技術6</p><p>　　2.3 立體顯示最新發(fā)展7</p><p>　　三．自動立體顯示技術發(fā)展10

9、</p><p>　　3.1自動立體顯示技術發(fā)展現(xiàn)狀10</p><p>　　3.2 自動立體顯示技術最新進展12</p><p>　　3.3 自動立體顯示技術存在的問題及未來發(fā)展方向15</p><p>　　四．集成顯示技術18</p><p>　　4.1 集成顯示技術的原理18</p>&l

10、t;p>　　4.2 集成顯示技術（II）的發(fā)展及現(xiàn)狀18</p><p>　　4.3集成顯示技術的存在的問題及發(fā)展方向22</p><p>　　五．體三維顯示系統(tǒng)25</p><p>　　5.1體三維顯示技術發(fā)展現(xiàn)狀25</p><p>　　5.2 靜態(tài)體三維顯示技術29</p><p>　　5.3體三

11、維顯示技術最新進展及發(fā)展方向32</p><p>　　六．計算全息三維顯示36</p><p>　　6.1全息顯示的發(fā)展過程36</p><p>　　6.2計算全息三維顯示的發(fā)展現(xiàn)狀36</p><p>　　6.3 三維計算全息顯示的關鍵技術40</p><p>　　6.4 三維計算全息顯示技術的發(fā)展方向4

12、6</p><p><b>　　七．研究展望47</b></p><p><b>　　參考文獻：48</b></p><p><b>　　一．引言</b></p><p>　　真實的世界是三維的，而傳統(tǒng)方法只能以二維方式記錄顯示圖像的灰度色彩，不能滿足人們希望在特定環(huán)境下能

13、夠感知真實3D場景的要求。長期以來，人們?yōu)閷崿F(xiàn)三維顯示技術做了不懈的努力，1830年Wheatstone發(fā)明了最早的立體顯示設備，隨后各種形式的三維立體顯示設備陸續(xù)出現(xiàn)。進入20世紀后，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，又出現(xiàn)了動態(tài)三維顯示技術，由于其在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、娛樂等領域有著非常廣泛的應用前景，因此各國都對該領域投入了大量的研究資源，各種新型高性能三維立體顯示技術迅速發(fā)展。</p><p>　　目前，實現(xiàn)

14、三維立體顯示大致以下幾種途徑：基于雙眼視差的立體顯示技術(Stereoscopic)和自動立體顯示技術(Autostereoscopic)、利用透鏡陣列記錄和再現(xiàn)三維物體的集成顯示技術( Integral Image) ，利用三維空間上體像素來顯示的體三維顯示技術（Volumetric 3D display) 以及基于全息顯示技術的方法(Holographic display) 。</p><p>　　由于這幾種

15、三維顯示技術自成體系，原理也各不相同，因此本文對這種技術進行分別介紹。文中第二章至第六章介紹了五種三維立體顯示技術的發(fā)展過程及分支以及目前現(xiàn)狀。分析比較了各種方法的優(yōu)點及存在的不足，并介紹了未來的發(fā)展方向。文中第二章主要介紹立體顯示技術，第三章主要介紹自動立體顯示技術，第四章介紹了集成顯示技術，第五章介紹了體三維顯示技術，第六章介紹了全息三維顯示，并在最后一章介紹了三維立體顯示在近期和未來的研究方向。</p><p&

16、gt;<b>　　二．立體顯示技術</b></p><p>　　與二維顯示相比，立體顯示技術的誕生解決了虛擬現(xiàn)實領域的視覺顯示問題，能在一定程度上給觀察者以身臨其境的感受，可以真實地重現(xiàn)客觀世界的景像，表現(xiàn)圖像的深度感、層次感和真實性，它的應用領域非常廣泛，如醫(yī)學、建筑、科學計算可視化、影視娛樂、軍事訓練、視頻通信等。立體顯示技術經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，取得了十分豐碩的成果。</p&g

17、t;<p>　　2.1　立體顯示的原理</p><p>　　立體顯示是利用人的生理因素(即立體視覺)來傳達三維景物的深度感覺，稱為深度模擬。人在觀察空間一個物體時之所以產(chǎn)生立體感是由于雙眼從物體左右稍有不同的兩個角度進行觀察，因此該物體在人的左右視網(wǎng)膜(retina)上投射出的光學圖像有細微差異，稱作“雙眼視差”，它是產(chǎn)生立體感(深度感)的重要因素。當這兩幅光學圖像同時傳向大腦視覺神經(jīng)中樞，經(jīng)差異處

18、理后，大腦就將它們整合成單一的3D圖像，使人能感受到所看物體的立體感。</p><p>　　2.2　立體顯示主要技術</p><p>　　根據(jù)人的3D視覺原理，想要形成人工的單一3D圖像，必須具備以下兩個條件:</p><p>　　1) 要制作可供左眼和右眼觀看的兩幅圖像，而且它們在顯示屏上必須有一定的水平位差。這兩幅圖像通常稱為一對立體視圖，它們使觀察者產(chǎn)生深度感

19、的原理如下:左眼圖像和右眼圖像的對應點L、R在顯示屏上的位置如圖2所示：當R 在L 的左邊時，則L、R之間的距離為負位差，這樣通過雙眼融合，看上去空間點A就在顯示屏之前；當L 在R 的左邊時，則L、R之間的距離為正位差，這樣看上去空間點A 就在顯示屏之后。</p><p>　　圖2.1 正位差與負位差示意圖</p><p>　　2) 能控制左右眼分別觀察各自的一幅圖像，即實現(xiàn)“分像”。為了

20、沒有相互干擾的觀察一對立體視圖，還需要一種“分像”工具，以阻止一眼看到另一眼的立體視圖。根據(jù)分像的方式，主要分為立體眼鏡和Autostereoscopic 3D顯示技術。自從十九世紀以來，各種各樣的立體眼鏡已被廣泛采用。至今，按照不同的分像方法主要有3種立體觀察方式:</p><p>　　· 紅綠補色法:基本原理是將左右視圖用紅綠兩種補色同時顯示出來，并用相應的補色觀察。每個濾色鏡吸收來自相反圖像的光線

21、，從而使對應眼基本上只看到同色圖像。</p><p>　　· 液晶閃閉法:適用于光柵掃描顯示系統(tǒng)，左右視圖按場序交替顯示。要用一副附帶液晶快門的立體眼鏡觀看，而紅外線同步發(fā)射器能使眼鏡與屏幕上的視圖保持同步。當戴上眼鏡觀看屏幕時，每個濾鏡就象快速交替的快門一樣動作，同步地阻塞每個視圖。</p><p>　　· 偏振光法:若在光路上插入一塊偏振片，它將只允許與其偏振方向一

22、致的那一部分光波通過。偏振屏上的兩個視圖分別來自水平和垂直的偏振片，當戴上偏振光眼鏡時，左右眼只能看到對應的視圖，從而實現(xiàn)了分像。</p><p>　　2.3 立體顯示最新發(fā)展</p><p>　　2.3.1 NVIDA公司的NVIDIA 3D Stereo技術</p><p>　　2009年3月，NVIDA公司推出了Geforce 3D Vision的三維顯示系

23、統(tǒng)，這是一種基于液晶閃閉的立體顯示技術，它將顯示圖像奇偶幀信號通過紅外線傳送給液晶眼鏡，使液晶眼鏡的開閉與顯示圖像相同步，從而實現(xiàn)立體顯示。由于這種立體顯示技術在軟硬件方面都高度成熟，目前Nvida公司的Geforce GPU和微軟公司公司的DirectX 10已經(jīng)從計算機的軟硬件方向提供了支持，因此該系統(tǒng)已經(jīng)成為成熟的三維顯示產(chǎn)品。但從本質(zhì)來說，該系統(tǒng)不可必可避免的會存在著立體三維系統(tǒng)的缺點，如長時間使用會導致不適，不能提供全部的三維

24、信息，而且該系統(tǒng)由于采用兩眼圖像分時顯示，單眼刷新率為屏幕的一半，因此必須和高幀頻顯示器配合使用。圖2.1(a)為該系統(tǒng)的外觀，圖2.1(b)該系統(tǒng)的使用效果圖。</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖2.1 Geforce 3D Vision 3D眼鏡實物圖及使用效果圖</p><p&

25、gt;　　2.3.2 PLANAR公司的SD2420W系列立體顯示器</p><p>　　目前PLANAR公司推出了一款基于偏振光法的立體顯示器，其結構如圖2.2所示，整個系統(tǒng)由兩個分別顯示左右眼圖像的液晶顯示器及其中間的半反半透鏡組成。兩個顯示器所顯示的圖像具有不同的偏振角，通過中間的半反半透鏡后，將兩幅具有不同偏振態(tài)的圖像合為一幅。使用者通過偏振光眼鏡觀察時，就可以將左右眼的圖像同時分開，從而達到立體顯示的效

26、果。目前該顯示系統(tǒng)的顯示范圍為24英寸，分辨率可達1900*1200，刷新率為50-75HZ，三維模式下顯示亮度為200cd/m2 。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的方法相比，優(yōu)點是單目圖像的刷新率與屏幕顯示刷新率一致，對顯示器的幀頻要求放寬了很多，減輕了傳統(tǒng)方法單目刷新率過低而導致的不適感。但該系統(tǒng)存在著體積大，仍需要眼鏡等缺點。</p><p>　　圖2.2 PLANAR SD2420W顯示器原理示意圖</p>

27、<p>　　2.3.3 基于雙液晶的緊湊型三維顯示器[1]</p><p>　　PLANAR公司的三維顯示系統(tǒng)雖然很大程度改善了單眼幀頻過低的問題，但它的體積過大，不適合在車輛，便攜式設備等場合應用。為了解決此問題，美國陸軍航空與導彈司令部的James C. Kirsch和Brian K. Jones等人開發(fā)了一種緊湊型的雙液晶三維顯示器，它的結構如圖2.3所示。</p><p>

28、;　　圖2.3 雙層液晶立體顯示系統(tǒng)結構示意圖</p><p>　　這種顯示器的原理仍然是基于偏振光法，但結構與PLANAR公司的產(chǎn)品不同。他將兩片偏振方向相垂直的偏振片置于液晶面板之后，這樣就可以將兩幅具有不同偏振方向的圖像相疊加。當使用者通過偏振眼鏡觀察時，就可以將左右眼圖像分離開。圖2.4中(a)(b)為別左右兩眼的視圖，(c)中白色的部分進入一只眼睛，黑色的部分進入另一只眼睛。</p>&l

29、t;p>　　(a) (b)</p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖2.4 雙層液晶立體顯示系統(tǒng)實際試驗效果圖</p><p>　　三．自動立體顯示技術發(fā)展</p><p>　　由于立體顯示系統(tǒng)中觀察者需要佩戴特殊的眼鏡來分離左

30、右眼圖像，這會給觀察者帶來不便，也限制了多用戶同時使用的能力。因此世界各地的廠商及科研機構研制了一種觀察者無需佩戴眼鏡的立體顯示技術， 即自動立體顯示技術。自動立體顯示技術可以用于軍事、醫(yī)療、數(shù)據(jù)可視化、工程、娛樂、虛擬商務貿(mào)易和教育等領域，成為當前世界上顯示技術領域研究的一個熱點。</p><p>　　3.1自動立體顯示技術發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　3.1.1視差照明技術[2]<

31、;/p><p>　　視差照明( Parallax Illumination) 技術是美國DTI (Dimension Technologies Inc. ) 公司的專利技術，也是自動立體顯示領域研究較早、當前較為成熟的技術之一。在透射式的顯示屏(如液晶顯示屏) 后形成離散的、極細的照明亮線， 將這些亮線以一定的間距分開， 這樣人的左眼通過液晶顯示屏的偶像素列能看到亮線，而觀察者的右眼通過顯示屏的偶像素列是看不到亮線的

32、，反之亦然。因此觀察者的左眼只能看到顯示屏偶像素列顯示的圖像，而右眼只能看到顯示屏的奇像素列顯示的圖像。這樣觀察者就能接受到視差立體圖像對， 產(chǎn)生深度感知。圖3.1為該系統(tǒng)的原理示意圖，圖3.2為DTI公司生產(chǎn)的基于視差照明技術的自動立體顯示器。</p><p>　　圖3.1 視差照明系統(tǒng)原理示意圖 圖3.2 DTI公司自動立體顯示器實物</p><p><b>

33、　　3.1.2視障技術</b></p><p>　　視差障技術是夏普公司采用的技術，它與視差照明的原理很相近。實現(xiàn)方法是使用一個開關液晶屏、一個偏振膜和一個高分子液晶層，利用一個液晶層和一層偏振膜制造出一系列的旋光方向成90°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過這些條紋的光就形成了垂直的細條柵模式。稱之為“視差柵板”。在立體顯示模式時，哪只眼睛能看到液晶顯示屏上的哪些像素就由這些視差障柵來控

34、制。如果把液晶開關關掉，顯示器就能成為普通的二維顯示器。夏普公司的視差障柵可以放在顯示屏的前面或后面形成視覺障礙。在顯示屏的后面形成視覺障礙的方法與視差照明有相似之處，視差照明技術中透光的地方是被照明，視差障柵技術中不透光的地方是被遮擋。目前，夏普公司的將其作為自動立體顯示技術的主攻方向。</p><p>　　3.1.3屏前透鏡技術</p><p>　　屏前透鏡技術是主要是飛利浦(Phil

35、ips) 公司采用的技術，該公司的技術路線是基于傳統(tǒng)的柱透鏡立體成像的方法，這種顯示器是在普通液晶顯示器的前表面加上一塊透明的具有柱透鏡陣列的光柵板，液晶像素平面恰好位于柱透鏡陣列的焦平面上，如圖3.3(a) 所示。</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖3.3 屏前透鏡技術的結構圖及原理示意圖</p>

36、<p>　　如圖3.3(b)所示，經(jīng)過子像素發(fā)出的光線通過柱透鏡陣列平行射出，向各個方向投影子像素，將會在顯示器前方形成一排分離的左右眼的視域，從不同方向觀察屏幕，就會看到具有視差的不同的子像素，產(chǎn)生立體感。當柱透鏡陣列向各個方向投影子像素時，實際上是將子像素放大，同時也放大了子像素之間的間隙，這樣在屏前產(chǎn)生的左右眼視域之間將會產(chǎn)生一個盲區(qū)，即在盲區(qū)里人眼既看不到左眼像素，也看不到右眼像素。從而實現(xiàn)了左右眼圖像的分離。<

37、;/p><p>　　3.1.4微位相差板技術</p><p>　　微位相差板法是我國臺灣光電研究院研究成功的一種裸眼立體顯示技術。它是使用微位相差板改變光的偏極態(tài)來達到左、右視圖分離的目的(圖3.4)。盡管其微位相差板立體顯示器不需要戴眼鏡，但是由于視角很小，因此需要和頭部跟蹤裝置配合使用。該方法結構較為復雜，而且微位相差板使用特別研究的光刻方法加工而成，其必須與菲涅爾透鏡和特殊結構的照明系統(tǒng)

38、相配合。</p><p>　　圖2.4 微位相差板技術原理示意圖</p><p>　　3.1.5 基于DMD的立體顯示技術[3]</p><p>　　牛津大學和麻省理工學院對三維顯示技術都研究得較早，并取得了一些突破性的進展。最近兩校聯(lián)手進行的視順序立體顯示技術的研究。這種視順序立體顯示器允許觀察者在不同的位置觀察不同的圖像，并能在水平和垂直兩個方向上實現(xiàn)運動視差。

39、該技術的原理是利用DMD作為高幀頻的顯示器件來顯示三維模型不同視角的圖像，利用SLM將DMD所投影的圖像光束順次的反射到不同的方向，并通過一系列光學系統(tǒng)，將多視角圖像成像在不同的可視區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)多視角運動視差立體顯示。光路原理如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 基于DMD的視順序立體顯示系統(tǒng)結構圖</p><p>　　3.2 自動立體顯示技術最新進展</p>

40、<p>　　3.2.1 階梯柵(Step barrier)技術</p><p>　　2004年，三洋公司的Ken Mashitani等人開發(fā)了“階梯柵”(Step barrier)技術[3]，該技術是一種基于視差遮攔的多視圖視差柵板自動立體顯示技術。它由平面顯示面板和視差柵板組成，利用視差柵的分光作用進行立體顯示。多視圖視差柵板自動立體顯示原理如圖3.6所示，圖中是4視圖的情形。首先將各幀視圖分別分成子

41、數(shù)列，然后將4幅視圖的子數(shù)列依次交替排列組成一幅多體視圖。多體視圖經(jīng)液晶顯示器顯示后，原來視圖的像素列通過顯示器前方視差柵板的遮擋，將分別成像于視差柵板右方不同的方向上，即形成多視圖的視域。只要人的雙眼同時位于不同的子視域中，就會產(chǎn)生立體視覺。同樣的，由于視差柵的周期排列，視圖在視差柵板右側(cè)同樣會形成許多并列的視域，擴大了觀察范圍。</p><p>　　這種采用垂直視差柵的顯示方式是以犧牲水平分辨率進和顯示亮度為

42、代價的，成像時水平分辨率將大幅度下降,而垂直分辨率卻沒有變化。水平分辨率的巨大損失是目前垂直視差柵的一個難以克服的缺陷。為了克服這一缺陷可采用階梯柵(Step barrier）技術，與垂直視差柵相比，階梯柵的視差遮擋方式不是垂直的條狀遮擋而是采用了水平和垂直同時遮擋的視差柵方法，這樣就將分辨率的損失分解到垂直和水平兩個方向，改善了整體的視覺感受。圖3.7 (a)為垂直視差柵，(b)為Step barrier視差柵。</p>

43、<p>　　圖3.6 多視圖視差柵板自動立體顯示原理示意圖</p><p>　　圖3.7 垂直視差柵與階梯柵的示意圖</p><p>　　3.2.2 辛辛那提大學基于微鏡的自動立體顯示系統(tǒng)[4]</p><p>　　辛辛那提大學的JunYan,Stephen ,T.Kowel等人試制了一臺基于微鏡的視順序自動立體顯示器，與牛津大學的方案不同，它利用表面鍍

44、有坡莫合金的微鏡陣列來控制圖像光束偏轉(zhuǎn)方向，從而實現(xiàn)多視角自動立體顯示。圖3.8是電子顯微鏡下的微鏡陣列照片；圖3.9是系統(tǒng)中微鏡單元對圖像光束偏轉(zhuǎn)的示意圖，它可以控制光束順次的向16個方向偏轉(zhuǎn)，從而可以實現(xiàn)在不同的位置看到不同的圖像，這種結構的顯示系統(tǒng)使用時分多用的原理，實現(xiàn)不犧牲分辨率的立體效果；并且可以使用各種顯示器如CRT，LCD，等離子，DLP等作為圖像源。但視順序顯示器的光路設計要求長光路， 因此難以實現(xiàn)小型化，而其微鏡的一

45、致性也是個需要研究的課題。</p><p>　　圖3.8電子顯微鏡下微鏡圖 圖3.9 微鏡偏轉(zhuǎn)光束示意圖</p><p>　　3.2.3 基于DMD的橫向偏移時分復用自動立體顯示技術[5]</p><p>　　Metro Laser公司的Vladimir Markov和劍橋大學的Adrian R. L. Travis等人提出了一種橫向偏移時分復用

46、多視角顯示系統(tǒng)，它的原理是向定向擴散體上同步地投射高幀頻的三維模型的各個方向投影圖，并同步的調(diào)節(jié)一系列由高速LCD快門所形成的垂直透過縫隙，將其定位于圖像透鏡的光瞳處。這樣在光瞳處的像會進入觀察區(qū)域。通過選擇縫隙寬度就可以將相應的光瞳寬度調(diào)至人類的兩眼間距。觀察者就可以在不同的角度看見相應的投影圖，從而實現(xiàn)周視多視角三維顯示。該系統(tǒng)基本思想并不新穎，其核心技術瓶頸是投射圖像的幀頻以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，這兩者直接關系到最終的顯示效果。作者通

47、過將DMD與GPU及高帶寬數(shù)據(jù)傳輸通道等最新技術相結合，成功的試制了樣機。圖3.10為該系統(tǒng)的原理圖，圖3.11圖3.12分別為該系統(tǒng)的實物圖及顯示效果圖。圖3.11右上角為顯示物體的原圖，下方為多角度視圖。</p><p>　　圖3.10 系統(tǒng)結構圖 圖3.11 系統(tǒng)實物圖</p><p>　　圖3.12 系統(tǒng)顯示效果圖</p>

48、<p>　　3.2.4 其它技術</p><p>　　自動立體顯示技術還有東京大學的偏振成像技術狹縫成像技術、日立公司的分像素衍射技術，以及尾正交凸透鏡技術等，它們也都是基于LCD的自動立體顯示技術,并且分別制作出了樣機。</p><p>　　3.3 自動立體顯示技術存在的問題及未來發(fā)展方向</p><p>　　2003年3月以夏普、索尼、三洋等五家大企

49、業(yè)為首的七十多家公司共同成立了三維聯(lián)盟，專門致力于立體顯示器的研發(fā)，國際光學工程師協(xié)會(SPIE)和國際信息顯示協(xié)會( SID) 幾乎每年舉行一次專門的會議，探討有關的技術問題。英國劍橋大學的Neil Dodgson 等人、美國麻省理工學院的Stephen. A. Beton等人、美國紐約大學、美國辛辛那提大學、劍橋大學、牛津大學、日本東京大學、韓國的光云大學、等都分別制造了自動立體顯示器的原理樣機。美國DTI公司、日本夏普公司和飛利浦

50、公司也制作出自動立體顯示器產(chǎn)品，并向市場推廣。</p><p>　　國內(nèi)對自動立體顯示器的研究較少，絕大部分研究機構著眼于佩戴眼睛的立體顯示器和頭盔式立體顯示器。2004安徽師范學院的朱向冰等人利用視差障礙技術研制了國內(nèi)第一臺自動立體顯示器SD1501，達到國外同類產(chǎn)品的先進水平。合肥工業(yè)大學、南京大學在2005年制作出了原理樣機。目前南京大學已經(jīng)推出了17英寸樣機。表3.1為近幾年來幾種商品自動立體顯示器產(chǎn)品和

51、樣機的參數(shù)比較表。</p><p>　　表3.1 液晶自動立體顯示器參數(shù)比較表</p><p>　　自由立體顯示器的原理和結構都已經(jīng)成熟，目前已經(jīng)從實驗室走入到日常應用之中，盡管已與需佩戴眼睛的立體顯示技術相比有了巨大的進步，但仍存在著許多缺點和不足：</p><p>　　（1）自動立體仍然是基于雙目視差原理的，因此仍然會存在觀察者雙目聚焦點與深度信息的不匹配，從而

52、導致不適感。</p><p>　　（2）自動立體顯示器對觀察者頭部的位置和觀察角度有較嚴格的限制，基本上是距離屏幕特定距離的一個平面，在觀察位置變化時，會出現(xiàn)圖像的洞點和雜點，這不僅影響了顯示效果，也同時制約了多人同時觀察的能力。</p><p>　　（3）自動立體顯示不能顯示或只能顯示很有限的運動視差圖片，基本上都不能提供垂直視差圖像，因此不能提供足夠的立體信息。</p>

53、<p>　?。?）目前市面上的商品自由立體顯示器都不同程度上存在著水平分辨率損失，畫面亮度較低的問題。</p><p>　　這些缺點中有些是自動立體顯示技術固有的缺點，有些則可以通過進一步的研究來加以改進，因此在今后以下幾方面是研究的熱點：</p><p>　　1) 3D顯示器規(guī)格研究。目前使用顯示器3D模式或廠商提供的播放軟件，因不同的3D 顯示器顯示原理和硬件規(guī)格而不同，沒有

54、很好的通用性，因此需研究每一類型的規(guī)格；</p><p>　　2) 更精確的深度圖?？梢钥紤]加入已知條件，如相機參數(shù)、光源點、景深比例，室內(nèi)、走廊、郊外等各場景，結合最新的計算機視覺和計算機圖形學技術，在更多的已知條件下獲得更準確的場景深度圖；</p><p>　　3) 區(qū)域移動補點研究。三維顯示器變形和移動時會產(chǎn)生許多洞點（即沒有匹配的點）和雜點（即匹配不正確的點），因此要尋求補償算法使

55、失真降至最低，達到更立體清晰的顯示效果；</p><p>　　4）運動視差圖像的研究，目前自動立體顯示器只能在水平方向上提供運動視差圖像，為了實現(xiàn)更真實的顯示效果，需要研究可以在兩個方向上都產(chǎn)生多幅運動視差圖像的顯示技術和結構；</p><p>　　5）新型結構和器件的研究，目前的自動立體顯示系統(tǒng)大都是基于平板顯示器（如LCD、等離子顯示器）等，由于其固有的特性的限制，整個顯示系統(tǒng)的性能很

56、難再有突破性進展，因此基于新型結構及器件如DMD、全息材料的自動立體顯示技術是未來研究的重點之一；</p><p>　　6) 對人的生理影響，研究自動立體顯示系統(tǒng)對人的生理影響。例如長時間觀看所帶來的眼疲勞問題，使三維顯示更適合人們的生活需要。</p><p><b>　　四．集成顯示技術</b></p><p>　　4.1 集成顯示技術的原理

57、</p><p>　　集成顯示技術(Integral imaging or Integral Photography)又稱全景顯示，簡稱II或IP，是一種用微透鏡陣列來記錄和顯示全真三維場景的三維圖像技術，由Lippmann在1908年發(fā)明[19]。圖4.1展示了有關全景圖像的記錄和顯示過程。圖4.1中的左半側(cè)，由微透鏡陣列和記錄設備（如膠片或CCD等）組成。每一個微透鏡從不同的方向記錄物空間或物空間的一部分，從

58、而形成不同角度的透視圖，稱之為“子圖”(Elemental -image)”，這樣任意一點的視差信息都被擴散到整個記錄設備上。圖4.1右側(cè)為集成圖像再現(xiàn)過程，將記錄膠片或顯示屏放在一張具有同樣參數(shù)的微透鏡陣列薄片后面，顯示微透鏡陣列把從許許多多子圖中透射出來的光線集成一個三維圖像，即把三維場景再現(xiàn)出來。</p><p>　　圖4.1 集成顯示系統(tǒng)原理示意圖</p><p>　　4.2 集成

59、顯示技術（II）的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　集成顯示技術相對于其它立體顯示技術優(yōu)點在于：(1) 可產(chǎn)生的圖像包含全真色彩以及連續(xù)的視差信息。(2) 記錄和顯示過程簡單，無須相干光源。(3) 既適用于靜態(tài)三維場景，又可用于三維視頻通訊領域動態(tài)捕獲和顯示(4) 無須佩戴特殊的眼鏡 (5) 集成顯示系統(tǒng)以二維的形式記錄三維空間信息，故可以較容易用現(xiàn)有的二維圖像數(shù)據(jù)處理理論和傳輸技術來進行處理。但目前II系統(tǒng)由于可

60、視范圍，分辨率等問題的限制，還遠未達到實用化的水平，目前大部分的II記錄部分成像系統(tǒng)都較為復雜，而且光學設備越來越精細，操作不當可能會帶來較大誤差及經(jīng)濟損失。因此隨著計算機及電子技術的發(fā)展，采用計算機模擬三維集成顯示的記錄過程又(Computer—Generated Integral image,CGII)，產(chǎn)生類似由光學儀器生成的三維全景圖像，既克服了傳統(tǒng)II成像系統(tǒng)本身存在的一些問題，又能提供基于傳統(tǒng)II研究所需要的各種圖像來源，具

61、有重要的現(xiàn)實意義及學術價值。下面就分別介紹傳統(tǒng)II以及CGII的發(fā)展過程及目前研究現(xiàn)狀。</p><p>　　4.2.1 傳統(tǒng)II系統(tǒng)發(fā)展過程及現(xiàn)狀</p><p><b>　　(1)兩次記錄法</b></p><p>　　目前各種II技術都源于Lippmann1908年的工作，圖4.1展現(xiàn)了傳統(tǒng)II圖像的記錄和再現(xiàn)過程。在采用微透鏡陣列直接應

62、用于記錄三維場景時會存在再現(xiàn)的三維場景相對于原來的場景存在空間上深度的反轉(zhuǎn)(pseudoscopic)。這成為了II技術在實際應用中的障礙。為了解決此問題，Ives與1931年發(fā)明了兩次記錄過程，克服了空間上的反轉(zhuǎn)關系，使II具有了實際應用的價值。圖4.2(a)為兩次記錄法中第二階段記錄過程，(b)為再現(xiàn)過程。</p><p>　　圖4.2 兩次記錄法原理圖</p><p>　　(2) 基

63、于自校正傳輸屏的II系統(tǒng)[21]</p><p>　　雖然通過兩次記錄過程可以克服反轉(zhuǎn)問題，但是由于衍射、感光乳劑及微透鏡工藝等影響，導致圖像質(zhì)量大大下降和空間信息的丟失。由此英國的De-Monntfort大學的三維圖像和醫(yī)學圖像研究組的N.Davies與M.McCormick設計了基于自校正傳輸屏的II系統(tǒng)，如圖4.3所示， 該裝置由一個輸入宏透鏡陣列、一個輸出宏透鏡陣列和一個自校正傳輸屏(ATS)。第一個宏透

64、鏡陣列將遠處的物體壓縮到自校正傳輸屏附近，ATS保證把這個壓縮圖無損地傳輸?shù)捷敵龊晖哥R附近，同時反轉(zhuǎn)物空間場景，輸出宏透鏡輸出一個物空間反轉(zhuǎn)了的幻視圖，這個圖像經(jīng)過記錄和顯示微透鏡陣列，一個位置正確的全真三維圖像就可呈現(xiàn)出來。該技術只用了一次記錄過程，從而不會引起圖像質(zhì)量的大幅度下降。后來該系統(tǒng)被稱之為兩層光學傳輸網(wǎng)絡。兩層光學網(wǎng)絡還可以擴大景深和減少信息丟失的作用， 不僅適合靜態(tài)存儲，而且也可用于實時動態(tài)捕獲。</p>

65、<p>　　圖4.3 基于自校正傳輸屏的II系統(tǒng)示意圖</p><p>　　(3)基于漸變型多模光纖的集成顯示技術[22]</p><p>　　集成顯示系統(tǒng)中每個微透鏡后面都有物空間的一個子圖，由于每個子圖可顯示的面積較小，約等于微透鏡的大小。兩束光線通過相鄰微透鏡后有可能交于同一點，使相鄰子圖之間產(chǎn)生重疊。為了消除這種重疊現(xiàn)象，日本NHK廣播公司的Jun Arai和Fumio

66、Okano等人使用漸變型多模光纖(Gradient- index lens array, GRIN lens) 陣列來代替記錄微透鏡陣列，如圖4.4所示，由于GRIN lens的折射率是沿著半徑方向發(fā)生連續(xù)變化的，所以光在GRIN lens的傳播路徑是一條周期性變化的曲線。目標通過GRIN lens陣列記錄的是否是一個正立的像就取決于其長度H，例如H= 1.5π，也就一個光學周期3/4，那么在其輸出平面就有一個正立的圖像，圖中漸變型多模

67、光纖陣列后面的大凸透鏡是為矯正子圖以便于實時捕獲。同時每個GRIN lens 陣列的光學路徑是獨立互不交叉，所以各個子圖相互獨立，因此解決了子圖重疊的現(xiàn)象。圖4.5為基于GRIN len技術的實時集成顯示系統(tǒng)。圖4.7為被拍攝的物體，圖4.8(a)(b)為從同角度觀察的再現(xiàn)圖。</p><p>　　圖4.5 光線通過GRIN len的示意圖 圖4.6 實時集成顯示系統(tǒng)</p><p

68、>　　(a) (b)</p><p>　　圖4.7 被拍攝物體 圖4.8 從不同角度觀察的再現(xiàn)圖</p><p>　　4.2.2 計算機生成集成顯示技術（CGII）的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　傳統(tǒng)II技術主要通過光學方法完成，即整個圖像的記錄及顯示過程都通過光學儀器完成。而CGII采用

69、計算機模擬集成圖像的記錄過程，產(chǎn)生類似由光學儀器生成的三維集成顯示圖像，既克服了II成像系統(tǒng)本身存在的一些問題，又能對三維集成顯示圖像技術進行深入的理論研究，從而加快其實用化進程。計算機生成的II圖像一方面可以彌補II光學成像系統(tǒng)的不足，另一方面可以提供基于II研究所需要的各種II圖像來源，因此是目前集成顯示領域的研究熱點</p><p>　　(1) Chutjian設計的基于膠片的CGII[23]</p&

70、gt;<p>　　Chutjian于1968年設計了最早的CGII系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了若干由計算機生成的場景片斷，這些離散的場景片斷由處于合適位置上的光學系統(tǒng)通過多次曝光成像。圖4.5(a)為該系統(tǒng)所要顯示的三維物體模型，圖4.5(b)為實際再現(xiàn)圖。</p><p>　　(a)所顯示的三維物體 (b)再現(xiàn)的頂部視角圖像</p><p>　　圖

71、4.5 Chutjian設計的CGII系統(tǒng)</p><p>　　Chutjian所采用的方法不能產(chǎn)生高質(zhì)量且視差連續(xù)的圖像，同時由于空間片斷的離散化和多次曝光的透明性，使得生成的圖像存在空白地帶，并且這種系統(tǒng)不能完成對三維集成圖像的實時記錄。盡管有如此多的缺陷，但是該方法開創(chuàng)了使用計算機來生成三維全景圖像的先河。</p><p>　　(2) 基于小孔陣列生成三維</p>&l

72、t;p>　　Igarashi在1978年根據(jù)由Sokolov提出的利用小孔陣列生成三維集成顯示的原理，使用簡單幾何近似方法成功地生成了完全由計算機合成的三維全景圖像，并將圖像從CRT投射到一個微透鏡陣列屏上完成對圖像的顯示。</p><p>　　(3) 時分多路復用集成顯示系統(tǒng)[23]</p><p>　　2004年韓國漢城國立大學電氣工程學院的Ju-Seog Jang和Bahram

73、 Javidi對集成顯示系統(tǒng)進行了改進，采用時分多路復用技術，并稱之為時分多路復用全景圖像系統(tǒng)(Time- Multiplexed Integral Imaging)。該系統(tǒng)記錄和顯示微透鏡陣列同步以一定的速度在水平方向振動，如圖4.5所示。通過這種方法可以增加對物空間的光線采樣，從而提高圖像的分辨率。圖4.6為該系統(tǒng)的實際顯示效果；其中(b)(d)兩圖為使用該技術的顯示效果。由于微透鏡陣列排列的周期性，為避免閃爍和重疊，要求每個圖元的

74、振動范圍應該小于其對應的微透鏡大小，同時其振動周期應在人眼視覺滯留時間內(nèi)。若改用非單一焦距的微透鏡陣列，II系統(tǒng)的景深、分辨率和視角可得到進一步的提高。由于空間采樣的增加，相應的記錄和顯示設備的幀頻也要增加。另外其振動需要響應較快的同步時鐘，這使得系統(tǒng)復雜化。為了避免機械振動，采用電子合成的微透鏡陣列來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微透鏡陣列，即用一個LCD 顯示面板用電腦控制其像素的開關順序，實現(xiàn)時分多路復用全景圖像技術，目前市場上尚沒有可滿足該要求的L

75、CD。但以目前的發(fā)展速度，在未來會出現(xiàn)能滿</p><p>　　圖4.5 時分多路復用集成顯示系統(tǒng)原理圖 圖4.6 實際顯示效果圖</p><p>　　由于受到當時計算機顯示技術的限制，計算機生成圖像的模型非常簡單并且生成的圖像質(zhì)量也不理想。一直到上世紀末，CGII并未受到人們的高度重視。近年來，隨著計算機運算能力的迅速提高以及高質(zhì)量顯示技術的快速發(fā)展，人們加緊研究如何生成高質(zhì)量II圖

76、像并取得了一些好的成果。</p><p>　　4.3集成顯示技術的存在的問題及發(fā)展方向</p><p>　　目前II技術中存在許多問題，還遠未達到實用化的水平，不少科學家分別對II成像系統(tǒng)的設計、優(yōu)化參數(shù)的選取以及分辨率問題進行討論。當前，限制該技術在發(fā)展的因素主要集中在CCD攝像機和LCD顯示器的分辨率、記錄場景有限的景深和視角范圍以及定位與速度幾個問題上。</p><

77、;p><b>　　4.3.1視角問題</b></p><p>　　目前最受關注的是分析II成像的光學過程及每個微透鏡的有效視FOV( Field of View) 和視角，以減輕flipping現(xiàn)象[25]。圖4.7為flipping現(xiàn)象產(chǎn)生的原理圖，圖4.8為flipping的實際效果。</p><p>　　圖4.7 flipping現(xiàn)象原理圖

78、 圖4.8 flipping現(xiàn)象實際效果</p><p>　　近年來學者們針對視角問題給出了不同的解決方法。Ren于2005年提出一種全新的在不改變光學系統(tǒng)的情況下提高視覺特性的方法MVW(maximum viewing width)，除此之外還有以下幾種方法：</p><p>　　一種是通過改變微透鏡的折射率來增大視角。Park等人曾試圖使用具有較小f-nu

79、mber (焦距與寬度的比) 的元素微透鏡來增大視角，但由于微透鏡相差的問題，元素透鏡f-number一般很難達到人們的希望值。另外，由于較大的元素透鏡尺寸必然導致給定尺寸的顯示平面所能容納的微透鏡個數(shù)的減少，同時圖像的3D效果也將受到影響。因此該方法存在一定的局限性，使用得并不多。</p><p>　　另一種是通過移動微透鏡的位置來增大視角。Adrian Stern和Bahram Javidi首次提出的可計算合

80、成孔徑II(CompSAII)技術有效提高了II的視區(qū)及視角。合成孔徑通過成像系統(tǒng)和處于垂直于光軸的平面上的物體的相對運動來獲取，掃描時獲得的II圖像結合在一起創(chuàng)建合成孔徑II圖像(SAII)。FOV及視角范圍取決于系統(tǒng)孔徑大小，而系統(tǒng)孔徑大小則由微透鏡陣列孔徑LA和獲取透鏡孔徑D共同決定。因此，如果增大II系統(tǒng)的孔徑，便增大了FOV及視角范圍。圖4.9即為CompSAII 原理示意圖。 </p><p>　　圖

81、4.9 合成孔徑II原理圖</p><p>　　4.3.2定位與速度問題</p><p>　　目前，CGII的生成速度以及定位問題也是研究熱點之一。英國德蒙福特大學圖像研究小組的G. Milnthorpe等使用Line-drawing及插值算法，利用小孔微透鏡陣列生成網(wǎng)狀II圖像。G. Milnthorpe還繼續(xù)對其分析研究以期能實現(xiàn)交互、實時操作并提高渲染速度。為了減少處理時間，該系統(tǒng)僅

82、分析水平視差，對未渲染的網(wǎng)狀圖像則考慮全方向視差信息，同時應用Phong光照模型及Flat、Gouraud和Phong陰影技術加強圖像效果。</p><p>　　4.3.3今后發(fā)展方向</p><p>　　從2002年起，SPIE會議的Stereoscopic Displays and Applications分支會議已將II列入專題討論的范圍。一些復雜II系統(tǒng)被研制成功，如采用時分多路(

83、 Time Multiplexed) 技術和新興的超分辨率技術有效提高了元素圖像的分辨率。雙圖像平面(Double Image Plane) 方法來增強景深和視角、采用非球面( Fresnel)透鏡來增大視角、采用微凸鏡陣列來增大視角同時避免flipping現(xiàn)象、利用Computer generated hologrophic三維顯示系統(tǒng)增大視差和視角。</p><p><b>　　五．體三維顯示系統(tǒng)&

84、lt;/b></p><p>　　體三維顯示 ( volumetric 3D display，V3D)不同于三維圖像在二維平面顯示上偽深度的表達方式，它是一種可提供真實三維物理空間來再現(xiàn)具有真實深度信息的三維顯示技術，具有允許多人自由選擇多視點、裸眼觀察的特點。因此，體三維顯示技術可以廣泛應用在醫(yī)學圖像處理、CAD設計、立體廣告?zhèn)髅降阮I域，具有很高的實際應用價值。目前國外的體三維顯示研究主要有激光掃描雙紅外

85、光子上變頻技術、基于高速聲光掃描器和旋轉(zhuǎn)螺旋屏的激光掃描系統(tǒng)、采用快速空間光調(diào)制器的螺旋屏投影系統(tǒng)等。主要可分為相互關聯(lián)的兩大類別:基于靜態(tài)體空間顯示和掃描體空間顯示，下面就對兩個類別加以介紹.</p><p>　　5.1體三維顯示技術發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　掃描體空間技術數(shù)據(jù)處理量適中、系統(tǒng)實現(xiàn)相對容易，是當前體三維顯示領域內(nèi)的關注焦點。若以運動形式來劃分，掃描體空間顯示技術又可分

86、支為旋轉(zhuǎn)體掃描和平移體掃描兩種，下面就對兩種技術加以介紹。</p><p>　　5.1.1 旋轉(zhuǎn)掃描空間顯示</p><p>　　目前，基于旋轉(zhuǎn)掃描體的三維顯示系統(tǒng)從顯示發(fā)光模式上可分為主動發(fā)光以及被動發(fā)光兩種結構，主動發(fā)光是指顯示過程中旋轉(zhuǎn)屏本身發(fā)光，形成二維圖像切片，通過旋轉(zhuǎn)形成連續(xù)的三維立體圖；而被動發(fā)光是指通過旋轉(zhuǎn)屏對其上投射的圖像進行散射或反射，形成二維圖像切片，進而通過旋轉(zhuǎn)形成

87、連續(xù)的三維立體圖。</p><p>　　(1) 主動發(fā)光旋轉(zhuǎn)屏三維顯示[28]</p><p>　　利用主動發(fā)光旋轉(zhuǎn)屏再現(xiàn)三維圖像的想法，最初是由Edwin Berlin提出的，其結構如圖4.1所示，其原理是基于人眼視覺暫留特性，使對稱置于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的發(fā)光屏在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，周期性地掃出一個柱體空間，陣列上的發(fā)光二極管旋轉(zhuǎn)后提供分散于三維空間中的體顯示介質(zhì)，從而形成虛擬的體像素(vole

88、x)。目前浙江大學的林遠芳等人試制了基于旋轉(zhuǎn)發(fā)光屏的三維顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)中發(fā)光屏為LED陣列，分辨力為24×16，相鄰像素的橫向和縱向中心距均為4.6mm，轉(zhuǎn)速600r/ min。圖5.2為該系統(tǒng)顯示效果圖。</p><p>　　圖5.1 旋轉(zhuǎn)發(fā)光屏顯示系統(tǒng)示意圖 圖5.2 旋轉(zhuǎn)發(fā)光屏顯示系統(tǒng)實際顯示效果</p><p>　　(2)被動發(fā)光旋轉(zhuǎn)屏三維顯示系統(tǒng)</p&g

89、t;<p>　　該系統(tǒng)的基本原理為:屏幕在電機的驅(qū)動下，以轉(zhuǎn)軸為中心軸高速旋轉(zhuǎn)，周期性地掃描出一個柱體空間作為成像顯示空間。通過投影儀將相應角度上的三維物體切片圖像投射到屏幕上。當掃描周期小于人眼視覺暫留時間時，就會形成連續(xù)的立體圖像[31]。</p><p>　　目前根據(jù)投影屏的形狀可分為旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維系統(tǒng)和平旋轉(zhuǎn)面屏三維系統(tǒng)，其結構如圖5.3及圖5.4所示。圖5.3為旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維顯示系統(tǒng)，圖5

90、.4為旋轉(zhuǎn)平面屏三維顯示系統(tǒng)結構圖。 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維顯示系統(tǒng)的結構如圖5.3(a)所示，它是一個基于螺旋面的旋轉(zhuǎn)結構，如圖5.3(a)所示，一個馬達帶動一個螺旋面高速旋轉(zhuǎn)，然后由R/G/B三束激光會聚成一束色度光線經(jīng)過光學定位系統(tǒng)打在螺旋面上，形成一個體象素(Voxel)，通過控制光束的方向以及與螺旋屏的相對位置關系，就可以激活顯示空間中任意點的體像素。多個這樣的體像素便能構成體直線、體面，

91、直到構成一個3D物體。旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維顯示系統(tǒng)的代表產(chǎn)品為Felix3D系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實際顯示效果如圖5.3(b)所示。</p><p>　　(a) 結構示意圖 (b) 實際效果圖</p><p>　　圖5.3 旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維顯示系統(tǒng)</p><p>　　旋轉(zhuǎn)平面屏三維顯示系統(tǒng)該系統(tǒng)是由美國ITT實驗室最先提出的，旋轉(zhuǎn)平面屏三

92、維系統(tǒng)每一個刷新周期內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)屏位置反饋信號的觸發(fā)下，投影機將對應位置的切片圖像序列連續(xù)地投影至特殊的旋轉(zhuǎn)屏幕?；谌搜鄣囊曈X滯留效應，一系列離散的切片圖像被復合感知為一幅連續(xù)完整的三維立體圖像。系統(tǒng)顯示原理如圖5.4(a)和(b)所示。</p><p>　　(a) 結構平面示意圖 (b) 結構立體示意圖</p><p>　　圖5.4 旋轉(zhuǎn)平面投影屏三維

93、顯示系統(tǒng)結構示意圖</p><p>　　當前旋轉(zhuǎn)平面屏三維顯示系統(tǒng)的代表是Actuality系統(tǒng)公司的Perspecta 3d顯示器。這是一個能顯示全彩動態(tài)圖片的玻璃圓頂3D顯示器。該顯示器直徑20英寸，可讓使用者在360度任意角度的觀看，而不需要特殊的眼睛。顯示器安裝在一個穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)平臺上，Perspecta顯示器采用專有算法則將3D數(shù)據(jù)分為不同角度的圖像切片，并投射到屏幕上。該系統(tǒng)每旋轉(zhuǎn)一種可投射198個不同

94、視角的分辯率為768×768像素的2維圖像切片，每個直徑為10英寸的圖像包含由1億個體像素，并可提供全部深度信息并提供運動視差。圖5.5為Perspecta 3d顯示器實際顯示效果圖。Perspecta的投影幀頻達到了198×730/60=2409fps，每秒鐘需要的數(shù)據(jù)量高達4.286GB。Felix3D由于普通激光器的激發(fā)時間受限，無法達到如此高的帶寬和幀頻的，因此Felix中一副3D圖像最多只能達到1萬體象素，

95、而Perspecta則能顯示將近10億個體象素。Perspecta采用三塊的DLP分別負責R/G/B三色圖像，并被合成為一副圖像，由經(jīng)底座中的固定光學系統(tǒng)以及隨馬達同步旋轉(zhuǎn)的光中繼鏡片的反射，最終被投影至</p><p>　　圖5.5 Perspecta 3d顯示器實物圖</p><p>　　5.1.2 平移掃描空間顯示[32]</p><p><b>　

96、　(1)基本原理</b></p><p>　　平移體掃描技術是用平移運動構造成像空間，具體結構是一個平面屏幕沿著垂直它平面的軸做往復動構造成像空間。在屏幕運動的過程中，把二維切片圖像投影到平移屏幕上。當屏幕運動完一個周期，整個三維場景便以很多個離散切片的形式顯示出來。如圖5.6所示為平移運動的體掃描顯示單元，圖5.6 (a)～圖1(d)表示4個單位時間間隔內(nèi)屏幕運動的過程，圖中每個時刻，都有一個二維切

97、片投影在屏幕上，黑點表示發(fā)光的體素。由于屏幕的運動速度，人眼的視覺暫留使觀察者感知的不是上述圖5.6(a)～圖5.6(d)的離散二維圖像序列，而是一幅復合后的空間整體圖像，如圖5.6(e)所示。</p><p>　　圖5.6 平移掃描體三維顯示系統(tǒng)結構示意圖</p><p>　　(2)存在的問題及發(fā)展方向</p><p>　　和旋轉(zhuǎn)體掃描方式相比，平移運動掃描可以避

98、免中顯示死區(qū)以及由于不同點體像素線速度不同所導致的密度的差異；但是也存在著其固有的缺陷和問題。為了保證體像素密度的均勻性，屏幕應做勻速平移運動。但在屏幕換向時會造成速度的急劇變化，從而導致系統(tǒng)震動噪音等問題，為了減輕這些問題只能通過減小運動速度，縮小顯示范圍等方法。南京航天航空大學的姜盈等提出屏幕按正弦曲線做平移運動的方法，并通過對屏幕運動進行分段化線性近似，并在在不同分段內(nèi)恒速輸出圖像來實現(xiàn)三維顯示。由于正弦曲線速度運動中速度的變化比

99、較緩和，所以需要的機械驅(qū)動器結構簡單，體積和能量損耗比較小，屏幕所受的阻力和沖擊也相對較小。這種方法雖然很大程度上改善了顯示效果，但由近似殘差導致的體像素非均勻性仍會導致顯示圖像的畸變。因此如何進一步解決此問題是平移運動掃描的一個發(fā)展方向。</p><p>　　5.2 靜態(tài)體三維顯示技術</p><p>　　5.2.1 基于頻率上轉(zhuǎn)換三維顯示技術</p><p>　

100、　(1) 基于頻率上轉(zhuǎn)換三維立體顯示的原理</p><p>　　美國Stanford大學的三位教授在1994年的SID會議上報道他們利用Pr3+離子摻ZBLAN玻璃的頻率上轉(zhuǎn)換發(fā)光得到三維立體顯示，并認為此方法是很有前途的三維立體顯示方法[33]。他們利用兩束相交的紅外激光交叉作用于頻率上轉(zhuǎn)換材料，經(jīng)過兩束不同波長激光的兩級泵浦作用，將發(fā)光中心電子從基態(tài)激發(fā)到高激發(fā)能級，電子向下能級躍遷產(chǎn)生可見光發(fā)射。兩束激光的

101、交叉點根據(jù)顯示的立體圖形的幾何形狀，在上轉(zhuǎn)換材料中做空間三維尋址掃描，即可以顯示各種三維立體圖象。</p><p>　　圖5.7(a)是頻率上轉(zhuǎn)換三維立體顯示的原理示意圖。在兩束激光交叉點，發(fā)光中心的電子經(jīng)過兩級泵浦激發(fā)，被從基態(tài)能級激發(fā)到較高激發(fā)能級。當這些電子向下能級躍遷時產(chǎn)生可見光發(fā)射。 兩束激光的交叉點按所顯示立體圖形在上轉(zhuǎn)換材料中做相應的空間三維尋址掃描，即可以顯示各種三維立體圖像。由于每個體素點自身具

102、有物理景深，因此整個圖像也就具有真正的物理景深。</p><p>　　(a) 雙光束頻率上轉(zhuǎn)換體三維顯示 (b) Pr3+和Yb3+的能級示意圖</p><p>　　系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　圖5.7雙光束頻率上轉(zhuǎn)換體三維顯示系統(tǒng)</p><p>　　頻率上轉(zhuǎn)換三維立體顯示

103、材料的選取原則是其兩級泵浦激光的波長都在紅外，同時還要求相對這兩級泵浦激光的單頻雙光子或單頻多光子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的效率很低，這樣才能避免產(chǎn)生非尋址點的暗亮線。目前常使用ZBLAN ..Pr, Yb玻璃作為頻率上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。圖5.7(b)是Pr3+ 離子和Yb3+ 離子的能級示意圖和主要上轉(zhuǎn)換過程。</p><p><b>　?。?）發(fā)展方向</b></p><p>　

104、　基于目前頻率上轉(zhuǎn)換的三維立體顯示系統(tǒng)在實際應用中的主要問題是：(a)如何控制兩束泵浦激光交點的掃描軌跡；(b)如何使兩束泵浦激光的交點最小。在研制初期，人們通過擺鏡來控制兩束泵浦光的交點，從而完成了最初的實驗。但是這種方法存在著很大的弊端，首先，擺鏡的響應頻率限制了顯示速度的提高；其次，由于兩束泵浦光在不同交點的夾角不同，會導致交點的大小有差異從而影響體像素體積的均勻性；第三，需要復雜精密的擺鏡控制系統(tǒng)，難以實現(xiàn)。最后，由于體像素點與

105、被顯示物體的復雜程度有關，因此只能顯示外形簡單的物體。</p><p>　　這幾年來， Hesselink等和北京師范大學的陳曉波教授又提出了單光束上轉(zhuǎn)換三維立體顯示，這為提高立體顯示亮度的有效方法[34]。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)摻鉺的FOG材料內(nèi)，單頻泵浦光所產(chǎn)生的熒光強度與泵浦光強成正比。再次系統(tǒng)中將泵浦光經(jīng)擴束為準直光后，再利用鏡片陣列將其匯聚于轉(zhuǎn)換材料內(nèi)的一點，使其發(fā)生上轉(zhuǎn)換熒光，從而點亮體像素。其關鍵點在于如何使熒