立体显示技术

3D立体显示技术
虚拟现实是一种新兴的、极有应用前景的计算机综合性技术。

采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。

立体显示是虚拟现实的关键技术之一，它使人在虚拟世界里具有更强的沉浸感，立体显示的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。

研究立体成像技术并利用现有的微机平台，结合相应的软硬件系统在平面显示器上显示立体视景。

一、立体显示原理
由于人眼有 4 - 6cm的距离，所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图象是有差别的。

两幅不同的图象输送到大脑后，我们看到的是有景深的图象。

这就是计算机和投影系统的立体成像原理。

依据这个原理，结合不同的技术水平有不同的立体技术手段。

只要符合常规的观察角度，即产生合适的图象偏移，形成立体图象并不困难。

从计算机和投影系统角度看，根本问题是图象的显示刷新率问题，即立体带宽指标问题。

如果立体带宽足够，任何计算机、显示器和投影机显示立体图象都没有问题。

二、四种立体显示技术
下面就介绍4种技术如何将片源输送给双眼，其中前三种，分色、分光、分时技术的流程很相似，都是需要经过两次过滤，第一次是在显示器端，第二次是在眼睛端：
1)分色技术：
分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。

我们眼睛中的感光细胞共有4种，其中数量最多的是感觉亮度的细胞，另外三种用于感知颜色，分别可以感知红、绿、蓝三种波长的光，感知其它颜色是根据这三种颜色推理出来的，因此红、绿、蓝被称为光的三原色。

要注意这和美术上讲的红、黄、蓝三原色是不同的，后者是颜料的调和，而前者是光的调和。

显示器就是通过组合这三元色来显示上亿种颜色的，计算机内的图像资料也大多是用三原色的方式储存的。

分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的这两套画面叠合起来，但
不完全重叠，左眼画面要稍微偏左边一些，这样就完成了第一次过滤。

第二次过滤是观众带上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边的镜片是蓝色或绿色，由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息，因此右边的镜片不管是蓝色还是绿色都是一样的。

注意，也有一些眼镜是右边为红色，这样第一次过滤时也要对调过来，购买产品时一般都会附赠配套的滤色眼镜，因此标准不统一也不用在意。

以红、绿眼镜为例，红、绿两色互补，红色镜片会削弱画面中的绿色，绿色镜片削弱画面中的红色，这样就确保了两套画面只被相应的眼睛看到。

其实准确的说是红、青两色互补，青介于绿和蓝之间，因此戴红、蓝眼镜也是一样的道理。

目前，分色技术的第一次滤色已经开始用计算机来完成了，按上述方法滤色后的片源可直接制作成DVD等音像制品，在任何彩色显示器上都可以播放。

2)分光技术：
常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让0度的偏振光只进入右眼，90度的偏振光只进入左眼（也可用45度和135度的偏振光搭配）。

两种偏振光分别搭载着两套画面，观众须带上专用的偏光眼镜，眼镜的两片镜片由偏光滤镜或偏光片制成，分别可以让0度和90度的偏振光通过，这样就完成了第二次过滤。

目前，分光技术的应用还主要停留在投影机上，早期必须使用双投影机加偏振光滤镜的方案，现在已经可以用单投影机来实现，不过都必须配合不破坏偏振光的金属投影幕才能使用。

3)分时技术：
分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。

按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。

目前，用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板，因此也被称为液晶快门眼镜，早期曾用过机械眼镜。

4)光栅技术：
光栅技术和前三种差别较大，它是将屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，栅条交错显示左眼和右眼的画面，如1、3、5…显示左眼画面，2、4、6…显示右眼画面。

然后在屏幕和观众之间设一层“视差障碍”，它也是由垂直方向上的
栅条组成的，对于液晶这类有背光结构的显示器来说，视察障碍也可设在背光板和液晶板之间。

视察障碍的作用是阻挡视线，如图，它遮住了两眼视线交点以外的部分，使左眼看到的栅条右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。

不过，如果观看者的位置改变的话，那么视差障碍位置也要随之改变。

为了方便移动视差障碍，小型光栅显示器都是采用液晶板来作为视差障碍的，而检测观看者位置的方法主要有两种，一种是在观看者头上戴一个定位设备，另一种是用两个摄像头像人眼一样的定位。

三、立体显示方式：
立体显示主要有以下几种方式：
1)双色眼镜
这种模式下，在屏幕上显示的图像将先由驱动程序进行颜色过滤。

渲染给左眼的场景会被过滤掉红色光，渲染给右眼的场景将被过滤掉青色光（红色光的补色光，绿光加蓝光）。

然后观看者使用一个双色眼镜，这样左眼只能看见左眼的图像，右眼只能看见右眼的图像，物体正确的色彩将由大脑合成。

这是成本最低的方案，但一般只适合于观看无色线框的场景，对于其它的显示场景，由于丢失了颜色的信息可能会造成观看者的不适。

2)主动立体显示
这种模式下，驱动程序将交替的渲染左右眼的图像，例如第一帧为左眼的图像，那么下一帧就为右眼的图像，再下一帧再渲染左眼的图像，依次交替渲染。

然后观测者将使用一幅快门眼镜。

快门眼镜通过有线或无线的方式与显卡和显示器同步，当显示器上显示左眼图像时，眼镜打开左镜片的快门同时闭右镜片的快门，当显示器上显示右眼图像时，眼镜打开右镜片的快门同时关闭左镜片的快门。

看不见的某只眼的图像将由大脑根据视觉暂存效应保留为刚才画面的影响，只要在此范围内的任何人戴上我们的立体眼镜都能观看到立体影像。

象Elsa 3D Revelator 或X3D Technologies X3D-Glasses都是这种类型的快门眼镜。

这种方法将降低图像的一半的亮度，并且要求显示器和眼镜快门的刷新速度都达到一定的频率，否则也会造成观看者的不适。

3)被动同步的立体投影设备
这种模式下，驱动程序将同时渲染左右眼的图像，并通过特殊的硬件输出和同步。

一般是使用具有双头输出的显卡。

输出的左右眼图像将分别使用两台投影
机投射，在投射左眼的投影机前加上偏正镜，然后在投射右眼图像的投影机前也加偏正镜但角度旋转90 度，观测者也将佩戴眼镜，左右眼的偏振镜也实现做了相应的旋转。

根据偏振原理，左右眼都只能看见各自的图像。

这是最佳的模式，但显卡和投影机硬件上的成本将会翻倍。

4)立体显示器
虽然被动同步的立体投影能达到很好的效果，但是还是需要戴偏振眼镜观看。

很多公司正在开发不需眼镜的立体显示器，例如在液晶中精确配置用来遮挡光线行进的“视差屏障（Barrier）”。

视差屏障通过准确控制每一个像素遮住透过液晶的光线，只让右眼或左眼看到。

由于右眼和左眼观看液晶的角度不同，利用这一角度差遮住光线就可将图像分配给右眼或左眼。

这样无须戴上专用的眼镜便可以看到立体图像。

5)真三维立体显示
真三维显示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内进行图像信息再现的技术，因此又被称为空间加载显示(space-filling display)。

真三维显示装置通过适当方式激励位于透明显示体积内的物质，利用可见辐射的产生、吸收或散射形成体素。

四、总结
如今，立体显示技术在日常生活中已经比较普及了，3D电影成为了当今最热门的电影方式，立体电视的诞生也必将改变人们习惯的收视习惯，总之立体显示技术已不再是十年前说的那么渴望不可及了，相信在不久的将来我们会掌握更好的立体显示技术，我们会将这些技术运用到日常生活中，进一步改善我们的学习生活条件。