畢業(yè)設(shè)計(jì)--三維立體顯示技術(shù)

1、<p><b>　　三維立體顯示技術(shù)</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(jué)形成的機(jī)理，并分別介紹了五種主要的三維顯示技術(shù)的原理發(fā)展過(guò)程、典型結(jié)構(gòu)及國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展，并分析了存在的不足及未來(lái)的發(fā)展方向。最后針對(duì)三維立體顯示系統(tǒng)存在的問(wèn)題和發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)近期和遠(yuǎn)期的三維顯示系統(tǒng)研究進(jìn)行了展望。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞：</b></p><p

3、>　　立體顯示、自動(dòng)立體顯示、集成顯示(II)、計(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)(CGII)、體三維顯示(V3D)、三維全息顯示、計(jì)算機(jī)生成全息三維顯示(CGH)、空間光調(diào)制器(SLM)、雙目視差、運(yùn)動(dòng)視差、適應(yīng)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(shù)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(shù)6</p><p>　　2.3 立體顯示最新發(fā)展7</p><p>　　三．自動(dòng)立體顯示技術(shù)發(fā)展10

9、</p><p>　　3.1自動(dòng)立體顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀10</p><p>　　3.2 自動(dòng)立體顯示技術(shù)最新進(jìn)展12</p><p>　　3.3 自動(dòng)立體顯示技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向15</p><p>　　四．集成顯示技術(shù)18</p><p>　　4.1 集成顯示技術(shù)的原理18</p>&l

10、t;p>　　4.2 集成顯示技術(shù)（II）的發(fā)展及現(xiàn)狀18</p><p>　　4.3集成顯示技術(shù)的存在的問(wèn)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(shù)發(fā)展現(xiàn)狀25</p><p>　　5.2 靜態(tài)體三維顯示技術(shù)29</p><p>　　5.3體三

11、維顯示技術(shù)最新進(jìn)展及發(fā)展方向32</p><p>　　六．計(jì)算全息三維顯示36</p><p>　　6.1全息顯示的發(fā)展過(guò)程36</p><p>　　6.2計(jì)算全息三維顯示的發(fā)展現(xiàn)狀36</p><p>　　6.3 三維計(jì)算全息顯示的關(guān)鍵技術(shù)40</p><p>　　6.4 三維計(jì)算全息顯示技術(shù)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(xiàn)：48</b></p><p><b>　　一．引言</b></p><p>　　真實(shí)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(shí)3D場(chǎng)景的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)三維顯示技術(shù)做了不懈的努力，1830年Wheatstone發(fā)明了最早的立體顯示設(shè)備，隨后各種形式的三維立體顯示設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)。進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)三維顯示技術(shù)，由于其在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、娛樂(lè)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，因此各國(guó)都對(duì)該領(lǐng)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(shù)迅速發(fā)展。</p><p>　　目前，實(shí)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(shù)(Stereoscopic)和自動(dòng)立體顯示技術(shù)(Autostereoscopic)、利用透鏡陣列記錄和再現(xiàn)三維物體的集成顯示技術(shù)( Integral Image) ，利用三維空間上體像素來(lái)顯示的體三維顯示技術(shù)（Volumetric 3D display) 以及基于全息顯示技術(shù)的方法(Holographic display) 。</p><p>　　由于這幾種

15、三維顯示技術(shù)自成體系，原理也各不相同，因此本文對(duì)這種技術(shù)進(jìn)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(shù)的發(fā)展過(guò)程及分支以及目前現(xiàn)狀。分析比較了各種方法的優(yōu)點(diǎn)及存在的不足，并介紹了未來(lái)的發(fā)展方向。文中第二章主要介紹立體顯示技術(shù)，第三章主要介紹自動(dòng)立體顯示技術(shù)，第四章介紹了集成顯示技術(shù)，第五章介紹了體三維顯示技術(shù)，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(lái)的研究方向。</p><p&

16、gt;<b>　　二．立體顯示技術(shù)</b></p><p>　　與二維顯示相比，立體顯示技術(shù)的誕生解決了虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的視覺(jué)顯示問(wèn)題，能在一定程度上給觀察者以身臨其境的感受，可以真實(shí)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(shí)性，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如醫(yī)學(xué)、建筑、科學(xué)計(jì)算可視化、影視娛樂(lè)、軍事訓(xùn)練、視頻通信等。立體顯示技術(shù)經(jīng)過(guò)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(jué))來(lái)傳達(dá)三維景物的深度感覺(jué)，稱為深度模擬。人在觀察空間一個(gè)物體時(shí)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(gè)角度進(jìn)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(xué)圖像有細(xì)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(dāng)這兩幅光學(xué)圖像同時(shí)傳向大腦視覺(jué)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(shù)</p><p>　　根據(jù)人的3D視覺(jué)原理，想要形成人工的單一3D圖像，必須具備以下兩個(gè)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?cè)陲@示屏上必須有一定的水平位差。這兩幅圖像通常稱為一對(duì)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(duì)應(yīng)點(diǎn)L、R在顯示屏上的位置如圖2所示：當(dāng)R 在L 的左邊時(shí)，則L、R之間的距離為負(fù)位差，這樣通過(guò)雙眼融合，看上去空間點(diǎn)A就在顯示屏之前；當(dāng)L 在R 的左邊時(shí)，則L、R之間的距離為正位差，這樣看上去空間點(diǎn)A 就在顯示屏之后。</p><p>　　圖2.1 正位差與負(fù)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(shí)現(xiàn)“分像”。為了

20、沒(méi)有相互干擾的觀察一對(duì)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(shù)。自從十九世紀(jì)以來(lái)，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(bǔ)色法:基本原理是將左右視圖用紅綠兩種補(bǔ)色同時(shí)顯示出來(lái)，并用相應(yīng)的補(bǔ)色觀察。每個(gè)濾色鏡吸收來(lái)自相反圖像的光線

21、，從而使對(duì)應(yīng)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(chǎng)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(dāng)戴上眼鏡觀看屏幕時(shí)，每個(gè)濾鏡就象快速交替的快門一樣動(dòng)作，同步地阻塞每個(gè)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(guò)。偏振屏上的兩個(gè)視圖分別來(lái)自水平和垂直的偏振片，當(dāng)戴上偏振光眼鏡時(shí)，左右眼只能看到對(duì)應(yīng)的視圖，從而實(shí)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(shù)</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(shù)，它將顯示圖像奇偶幀信號(hào)通過(guò)紅外線傳送給液晶眼鏡，使液晶眼鏡的開(kāi)閉與顯示圖像相同步，從而實(shí)現(xiàn)立體顯示。由于這種立體顯示技術(shù)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(jì)算機(jī)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(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)不可必可避免的會(huì)存在著立體三維系統(tǒng)的缺點(diǎn)，如長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)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(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖2.2所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)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(gè)顯示器所顯示的圖像具有不同的偏振角，通過(guò)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(guò)偏振光眼鏡觀察時(shí)，就可以將左右眼的圖像同時(shí)分開(kāi)，從而達(dá)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(dá)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(diǎn)是單目圖像的刷新率與屏幕顯示刷新率一致，對(duì)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(guò)低而導(dǎo)致的不適感。但該系統(tǒng)存在著體積大，仍需要眼鏡等缺點(diǎn)。</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(guò)低的問(wèn)題，但它的體積過(guò)大，不適合在車輛，便攜式設(shè)備等場(chǎng)合應(yīng)用。為了解決此問(wèn)題，美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈司令部的James C. Kirsch和Brian K. Jones等人開(kāi)發(fā)了一種緊湊型的雙液晶三維顯示器，它的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。</p><p>

28、;　　圖2.3 雙層液晶立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　這種顯示器的原理仍然是基于偏振光法，但結(jié)構(gòu)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(dāng)使用者通過(guò)偏振眼鏡觀察時(shí)，就可以將左右眼圖像分離開(kāi)。圖2.4中(a)(b)為別左右兩眼的視圖，(c)中白色的部分進(jìn)入一只眼睛，黑色的部分進(jìn)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(shí)際試驗(yàn)效果圖</p><p>　　三．自動(dòng)立體顯示技術(shù)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(lái)分離左

30、右眼圖像，這會(huì)給觀察者帶來(lái)不便，也限制了多用戶同時(shí)使用的能力。因此世界各地的廠商及科研機(jī)構(gòu)研制了一種觀察者無(wú)需佩戴眼鏡的立體顯示技術(shù)， 即自動(dòng)立體顯示技術(shù)。自動(dòng)立體顯示技術(shù)可以用于軍事、醫(yī)療、數(shù)據(jù)可視化、工程、娛樂(lè)、虛擬商務(wù)貿(mào)易和教育等領(lǐng)域，成為當(dāng)前世界上顯示技術(shù)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。</p><p>　　3.1自動(dòng)立體顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　3.1.1視差照明技術(shù)[2]<

31、;/p><p>　　視差照明( Parallax Illumination) 技術(shù)是美國(guó)DTI (Dimension Technologies Inc. ) 公司的專利技術(shù)，也是自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域研究較早、當(dāng)前較為成熟的技術(shù)之一。在透射式的顯示屏(如液晶顯示屏) 后形成離散的、極細(xì)的照明亮線， 將這些亮線以一定的間距分開(kāi)， 這樣人的左眼通過(guò)液晶顯示屏的偶像素列能看到亮線，而觀察者的右眼通過(guò)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(duì)， 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(shù)的自動(dòng)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(dòng)立體顯示器實(shí)物</p><p><b>

33、　　3.1.2視障技術(shù)</b></p><p>　　視差障技術(shù)是夏普公司采用的技術(shù)，它與視差照明的原理很相近。實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)開(kāi)關(guān)液晶屏、一個(gè)偏振膜和一個(gè)高分子液晶層，利用一個(gè)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(guò)這些條紋的光就形成了垂直的細(xì)條柵模式。稱之為“視差柵板”。在立體顯示模式時(shí)，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(lái)控

34、制。如果把液晶開(kāi)關(guān)關(guān)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(jué)障礙。在顯示屏的后面形成視覺(jué)障礙的方法與視差照明有相似之處，視差照明技術(shù)中透光的地方是被照明，視差障柵技術(shù)中不透光的地方是被遮擋。目前，夏普公司的將其作為自動(dòng)立體顯示技術(shù)的主攻方向。</p><p>　　3.1.3屏前透鏡技術(shù)</p><p>　　屏前透鏡技術(shù)是主要是飛利浦(Phil

35、ips) 公司采用的技術(shù)，該公司的技術(shù)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(shù)的結(jié)構(gòu)圖及原理示意圖</p>

36、<p>　　如圖3.3(b)所示，經(jīng)過(guò)子像素發(fā)出的光線通過(guò)柱透鏡陣列平行射出，向各個(gè)方向投影子像素，將會(huì)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(huì)看到具有視差的不同的子像素，產(chǎn)生立體感。當(dāng)柱透鏡陣列向各個(gè)方向投影子像素時(shí)，實(shí)際上是將子像素放大，同時(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)現(xiàn)了左右眼圖像的分離。<

37、;/p><p>　　3.1.4微位相差板技術(shù)</p><p>　　微位相差板法是我國(guó)臺(tái)灣光電研究院研究成功的一種裸眼立體顯示技術(shù)。它是使用微位相差板改變光的偏極態(tài)來(lái)達(dá)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(jié)構(gòu)較為復(fù)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(jié)構(gòu)的照明系統(tǒng)

38、相配合。</p><p>　　圖2.4 微位相差板技術(shù)原理示意圖</p><p>　　3.1.5 基于DMD的立體顯示技術(shù)[3]</p><p>　　牛津大學(xué)和麻省理工學(xué)院對(duì)三維顯示技術(shù)都研究得較早，并取得了一些突破性的進(jìn)展。最近兩校聯(lián)手進(jìn)行的視順序立體顯示技術(shù)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(gè)方向上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)視差。

39、該技術(shù)的原理是利用DMD作為高幀頻的顯示器件來(lái)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(guò)一系列光學(xué)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(shí)現(xiàn)多視角運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2 自動(dòng)立體顯示技術(shù)最新進(jìn)展</p>

40、<p>　　3.2.1 階梯柵(Step barrier)技術(shù)</p><p>　　2004年，三洋公司的Ken Mashitani等人開(kāi)發(fā)了“階梯柵”(Step barrier)技術(shù)[3]，該技術(shù)是一種基于視差遮攔的多視圖視差柵板自動(dòng)立體顯示技術(shù)。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(jìn)行立體顯示。多視圖視差柵板自動(dòng)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(lái)視圖的像素列通過(guò)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(shí)位于不同的子視域中，就會(huì)產(chǎn)生立體視覺(jué)。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(huì)形成許多并列的視域，擴(kuò)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(jìn)和顯示亮度為

42、代價(jià)的，成像時(shí)水平分辨率將大幅度下降,而垂直分辨率卻沒(méi)有變化。水平分辨率的巨大損失是目前垂直視差柵的一個(gè)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(shù)，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(shí)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(gè)方向，改善了整體的視覺(jué)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(dòng)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(xué)基于微鏡的自動(dòng)立體顯示系統(tǒng)[4]</p><p>　　辛辛那提大學(xué)的JunYan,Stephen ,T.Kowel等人試制了一臺(tái)基于微鏡的視順序自動(dòng)立體顯示器，與牛津大學(xué)的方案不同，它利用表面鍍

44、有坡莫合金的微鏡陣列來(lái)控制圖像光束偏轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)多視角自動(dòng)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(duì)圖像光束偏轉(zhuǎn)的示意圖，它可以控制光束順次的向16個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)在不同的位置看到不同的圖像，這種結(jié)構(gòu)的顯示系統(tǒng)使用時(shí)分多用的原理，實(shí)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(shè)計(jì)要求長(zhǎng)光路， 因此難以實(shí)現(xiàn)小型化，而其微鏡的一

45、致性也是個(gè)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(shí)分復(fù)用自動(dòng)立體顯示技術(shù)[5]</p><p>　　Metro Laser公司的Vladimir Markov和劍橋大學(xué)的Adrian R. L. Travis等人提出了一種橫向偏移時(shí)分復(fù)用

46、多視角顯示系統(tǒng)，它的原理是向定向擴(kuò)散體上同步地投射高幀頻的三維模型的各個(gè)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(guò)縫隙，將其定位于圖像透鏡的光瞳處。這樣在光瞳處的像會(huì)進(jìn)入觀察區(qū)域。通過(guò)選擇縫隙寬度就可以將相應(yīng)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(jiàn)相應(yīng)的投影圖，從而實(shí)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(shù)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(guān)系到最終的顯示效果。作者通

47、過(guò)將DMD與GPU及高帶寬數(shù)據(jù)傳輸通道等最新技術(shù)相結(jié)合，成功的試制了樣機(jī)。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(shí)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(jié)構(gòu)圖 圖3.11 系統(tǒng)實(shí)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(shù)</p><p>　　自動(dòng)立體顯示技術(shù)還有東京大學(xué)的偏振成像技術(shù)狹縫成像技術(shù)、日立公司的分像素衍射技術(shù)，以及尾正交凸透鏡技術(shù)等，它們也都是基于LCD的自動(dòng)立體顯示技術(shù),并且分別制作出了樣機(jī)。</p><p>　　3.3 自動(dòng)立體顯示技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)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(guó)際光學(xué)工程師協(xié)會(huì)(SPIE)和國(guó)際信息顯示協(xié)會(huì)( SID) 幾乎每年舉行一次專門的會(huì)議，探討有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。英國(guó)劍橋大學(xué)的Neil Dodgson 等人、美國(guó)麻省理工學(xué)院的Stephen. A. Beton等人、美國(guó)紐約大學(xué)、美國(guó)辛辛那提大學(xué)、劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)、日本東京大學(xué)、韓國(guó)的光云大學(xué)、等都分別制造了自動(dòng)立體顯示器的原理樣機(jī)。美國(guó)DTI公司、日本夏普公司和飛利浦

50、公司也制作出自動(dòng)立體顯示器產(chǎn)品，并向市場(chǎng)推廣。</p><p>　　國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)立體顯示器的研究較少，絕大部分研究機(jī)構(gòu)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(xué)院的朱向冰等人利用視差障礙技術(shù)研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自動(dòng)立體顯示器SD1501，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。合肥工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)在2005年制作出了原理樣機(jī)。目前南京大學(xué)已經(jīng)推出了17英寸樣機(jī)。表3.1為近幾年來(lái)幾種商品自動(dòng)立體顯示器產(chǎn)品和

51、樣機(jī)的參數(shù)比較表。</p><p>　　表3.1 液晶自動(dòng)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(jié)構(gòu)都已經(jīng)成熟，目前已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走入到日常應(yīng)用之中，盡管已與需佩戴眼睛的立體顯示技術(shù)相比有了巨大的進(jìn)步，但仍存在著許多缺點(diǎn)和不足：</p><p>　　（1）自動(dòng)立體仍然是基于雙目視差原理的，因此仍然會(huì)存在觀察者雙目聚焦點(diǎn)與深度信息的不匹配，從而

52、導(dǎo)致不適感。</p><p>　?。?）自動(dòng)立體顯示器對(duì)觀察者頭部的位置和觀察角度有較嚴(yán)格的限制，基本上是距離屏幕特定距離的一個(gè)平面，在觀察位置變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)圖像的洞點(diǎn)和雜點(diǎn)，這不僅影響了顯示效果，也同時(shí)制約了多人同時(shí)觀察的能力。</p><p>　?。?）自動(dòng)立體顯示不能顯示或只能顯示很有限的運(yùn)動(dòng)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>　　（4）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(huà)面亮度較低的問(wèn)題。</p><p>　　這些缺點(diǎn)中有些是自動(dòng)立體顯示技術(shù)固有的缺點(diǎn)，有些則可以通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)加以改進(jìn)，因此在今后以下幾方面是研究的熱點(diǎn)：</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(méi)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。可以考慮加入已知條件，如相機(jī)參數(shù)、光源點(diǎn)、景深比例，室內(nèi)、走廊、郊外等各場(chǎng)景，結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，在更多的已知條件下獲得更準(zhǔn)確的場(chǎng)景深度圖；</p><p>　　3) 區(qū)域移動(dòng)補(bǔ)點(diǎn)研究。三維顯示器變形和移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多洞點(diǎn)（即沒(méi)有匹配的點(diǎn)）和雜點(diǎn)（即匹配不正確的點(diǎn)），因此要尋求補(bǔ)償算法使

55、失真降至最低，達(dá)到更立體清晰的顯示效果；</p><p>　　4）運(yùn)動(dòng)視差圖像的研究，目前自動(dòng)立體顯示器只能在水平方向上提供運(yùn)動(dòng)視差圖像，為了實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的顯示效果，需要研究可以在兩個(gè)方向上都產(chǎn)生多幅運(yùn)動(dòng)視差圖像的顯示技術(shù)和結(jié)構(gòu)；</p><p>　　5）新型結(jié)構(gòu)和器件的研究，目前的自動(dòng)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(gè)顯示系統(tǒng)的性能很

56、難再有突破性進(jìn)展，因此基于新型結(jié)構(gòu)及器件如DMD、全息材料的自動(dòng)立體顯示技術(shù)是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一；</p><p>　　6) 對(duì)人的生理影響，研究自動(dòng)立體顯示系統(tǒng)對(duì)人的生理影響。例如長(zhǎng)時(shí)間觀看所帶來(lái)的眼疲勞問(wèn)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(shù)</b></p><p>　　4.1 集成顯示技術(shù)的原理

57、</p><p>　　集成顯示技術(shù)(Integral imaging or Integral Photography)又稱全景顯示，簡(jiǎn)稱II或IP，是一種用微透鏡陣列來(lái)記錄和顯示全真三維場(chǎng)景的三維圖像技術(shù)，由Lippmann在1908年發(fā)明[19]。圖4.1展示了有關(guān)全景圖像的記錄和顯示過(guò)程。圖4.1中的左半側(cè)，由微透鏡陣列和記錄設(shè)備（如膠片或CCD等）組成。每一個(gè)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(diǎn)的視差信息都被擴(kuò)散到整個(gè)記錄設(shè)備上。圖4.1右側(cè)為集成圖像再現(xiàn)過(guò)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(lái)的光線集成一個(gè)三維圖像，即把三維場(chǎng)景再現(xiàn)出來(lái)。</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(shù)（II）的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　集成顯示技術(shù)相對(duì)于其它立體顯示技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)須相干光源。(3) 既適用于靜態(tài)三維場(chǎng)景，又可用于三維視頻通訊領(lǐng)域動(dòng)態(tài)捕獲和顯示(4) 無(wú)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(shù)來(lái)進(jìn)行處理。但目前II系統(tǒng)由于可

60、視范圍，分辨率等問(wèn)題的限制，還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)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(fù)雜，而且光學(xué)設(shè)備越來(lái)越精細(xì)，操作不當(dāng)可能會(huì)帶來(lái)較大誤差及經(jīng)濟(jì)損失。因此隨著計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)模擬三維集成顯示的記錄過(guò)程又(Computer—Generated Integral image,CGII)，產(chǎn)生類似由光學(xué)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(wèn)題，又能提供基于傳統(tǒng)II研究所需要的各種圖像來(lái)源，具

61、有重要的現(xiàn)實(shí)意義及學(xué)術(shù)價(jià)值。下面就分別介紹傳統(tǒng)II以及CGII的發(fā)展過(guò)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(guò)程及現(xiàn)狀</p><p><b>　　(1)兩次記錄法</b></p><p>　　目前各種II技術(shù)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(guò)程。在采用微透鏡陣列直接應(yīng)

62、用于記錄三維場(chǎng)景時(shí)會(huì)存在再現(xiàn)的三維場(chǎng)景相對(duì)于原來(lái)的場(chǎng)景存在空間上深度的反轉(zhuǎn)(pseudoscopic)。這成為了II技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的障礙。為了解決此問(wèn)題，Ives與1931年發(fā)明了兩次記錄過(guò)程，克服了空間上的反轉(zhuǎn)關(guān)系，使II具有了實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。圖4.2(a)為兩次記錄法中第二階段記錄過(guò)程，(b)為再現(xiàn)過(guò)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(guò)兩次記錄過(guò)程可以克服反轉(zhuǎn)問(wèn)題，但是由于衍射、感光乳劑及微透鏡工藝等影響，導(dǎo)致圖像質(zhì)量大大下降和空間信息的丟失。由此英國(guó)的De-Monntfort大學(xué)的三維圖像和醫(yī)學(xué)圖像研究組的N.Davies與M.McCormick設(shè)計(jì)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(gè)輸入宏透鏡陣列、一個(gè)輸出宏透鏡陣列和一個(gè)自校正傳輸屏(ATS)。第一個(gè)宏透

64、鏡陣列將遠(yuǎn)處的物體壓縮到自校正傳輸屏附近，ATS保證把這個(gè)壓縮圖無(wú)損地傳輸?shù)捷敵龊晖哥R附近，同時(shí)反轉(zhuǎn)物空間場(chǎng)景，輸出宏透鏡輸出一個(gè)物空間反轉(zhuǎn)了的幻視圖，這個(gè)圖像經(jīng)過(guò)記錄和顯示微透鏡陣列，一個(gè)位置正確的全真三維圖像就可呈現(xiàn)出來(lái)。該技術(shù)只用了一次記錄過(guò)程，從而不會(huì)引起圖像質(zhì)量的大幅度下降。后來(lái)該系統(tǒng)被稱之為兩層光學(xué)傳輸網(wǎng)絡(luò)。兩層光學(xué)網(wǎng)絡(luò)還可以擴(kuò)大景深和減少信息丟失的作用， 不僅適合靜態(tài)存儲(chǔ)，而且也可用于實(shí)時(shí)動(dòng)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(shù)[22]</p><p>　　集成顯示系統(tǒng)中每個(gè)微透鏡后面都有物空間的一個(gè)子圖，由于每個(gè)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(guò)相鄰微透鏡后有可能交于同一點(diǎn)，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(lái)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(biāo)通過(guò)GRIN lens陣列記錄的是否是一個(gè)正立的像就取決于其長(zhǎng)度H，例如H= 1.5π，也就一個(gè)光學(xué)周期3/4，那么在其輸出平面就有一個(gè)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(shí)時(shí)捕獲。同時(shí)每個(gè)GRIN lens 陣列的光學(xué)路徑是獨(dú)立互不交叉，所以各個(gè)子圖相互獨(dú)立，因此解決了子圖重疊的現(xiàn)象。圖4.5為基于GRIN len技術(shù)的實(shí)時(shí)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(guò)GRIN len的示意圖 圖4.6 實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)生成集成顯示技術(shù)（CGII）的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　傳統(tǒng)II技術(shù)主要通過(guò)光學(xué)方法完成，即整個(gè)圖像的記錄及顯示過(guò)程都通過(guò)光學(xué)儀器完成。而CGII采用

69、計(jì)算機(jī)模擬集成圖像的記錄過(guò)程，產(chǎn)生類似由光學(xué)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(wèn)題，又能對(duì)三維集成顯示圖像技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究，從而加快其實(shí)用化進(jìn)程。計(jì)算機(jī)生成的II圖像一方面可以彌補(bǔ)II光學(xué)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(lái)源，因此是目前集成顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)</p><p>　　(1) Chutjian設(shè)計(jì)的基于膠片的CGII[23]</p&

70、gt;<p>　　Chutjian于1968年設(shè)計(jì)了最早的CGII系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了若干由計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景片斷，這些離散的場(chǎng)景片斷由處于合適位置上的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)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(shí)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(shè)計(jì)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(shí)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(duì)三維集成圖像的實(shí)時(shí)記錄。盡管有如此多的缺陷，但是該方法開(kāi)創(chuàng)了使用計(jì)算機(jī)來(lái)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(jiǎn)單幾何近似方法成功地生成了完全由計(jì)算機(jī)合成的三維全景圖像，并將圖像從CRT投射到一個(gè)微透鏡陣列屏上完成對(duì)圖像的顯示。</p><p>　　(3) 時(shí)分多路復(fù)用集成顯示系統(tǒng)[23]</p><p>　　2004年韓國(guó)漢城國(guó)立大學(xué)電氣工程學(xué)院的Ju-Seog Jang和Bahram

73、 Javidi對(duì)集成顯示系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，并稱之為時(shí)分多路復(fù)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(dòng)，如圖4.5所示。通過(guò)這種方法可以增加對(duì)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(shí)際顯示效果；其中(b)(d)兩圖為使用該技術(shù)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(gè)圖元的

74、振動(dòng)范圍應(yīng)該小于其對(duì)應(yīng)的微透鏡大小，同時(shí)其振動(dòng)周期應(yīng)在人眼視覺(jué)滯留時(shí)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(jìn)一步的提高。由于空間采樣的增加，相應(yīng)的記錄和顯示設(shè)備的幀頻也要增加。另外其振動(dòng)需要響應(yīng)較快的同步時(shí)鐘，這使得系統(tǒng)復(fù)雜化。為了避免機(jī)械振動(dòng)，采用電子合成的微透鏡陣列來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微透鏡陣列，即用一個(gè)LCD 顯示面板用電腦控制其像素的開(kāi)關(guān)順序，實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用全景圖像技術(shù)，目前市場(chǎng)上尚沒(méi)有可滿足該要求的L

75、CD。但以目前的發(fā)展速度，在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)能滿</p><p>　　圖4.5 時(shí)分多路復(fù)用集成顯示系統(tǒng)原理圖 圖4.6 實(shí)際顯示效果圖</p><p>　　由于受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的限制，計(jì)算機(jī)生成圖像的模型非常簡(jiǎn)單并且生成的圖像質(zhì)量也不理想。一直到上世紀(jì)末，CGII并未受到人們的高度重視。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迅速提高以及高質(zhì)量顯示技術(shù)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(shù)的存在的問(wèn)題及發(fā)展方向</p><p>　　目前II技術(shù)中存在許多問(wèn)題，還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化的水平，不少科學(xué)家分別對(duì)II成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化參數(shù)的選取以及分辨率問(wèn)題進(jìn)行討論。當(dāng)前，限制該技術(shù)在發(fā)展的因素主要集中在CCD攝像機(jī)和LCD顯示器的分辨率、記錄場(chǎng)景有限的景深和視角范圍以及定位與速度幾個(gè)問(wèn)題上。</p><

77、;p><b>　　4.3.1視角問(wèn)題</b></p><p>　　目前最受關(guān)注的是分析II成像的光學(xué)過(guò)程及每個(gè)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(shí)際效果。</p><p>　　圖4.7 flipping現(xiàn)象原理圖

78、 圖4.8 flipping現(xiàn)象實(shí)際效果</p><p>　　近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)視角問(wèn)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(xué)系統(tǒng)的情況下提高視覺(jué)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(guò)改變微透鏡的折射率來(lái)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(lái)增大視角，但由于微透鏡相差的問(wèn)題，元素透鏡f-number一般很難達(dá)到人們的希望值。另外，由于較大的元素透鏡尺寸必然導(dǎo)致給定尺寸的顯示平面所能容納的微透鏡個(gè)數(shù)的減少，同時(shí)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(guò)移動(dòng)微透鏡的位置來(lái)增大視角。Adrian Stern和Bahram Javidi首次提出的可計(jì)算合

80、成孔徑II(CompSAII)技術(shù)有效提高了II的視區(qū)及視角。合成孔徑通過(guò)成像系統(tǒng)和處于垂直于光軸的平面上的物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)獲取，掃描時(shí)獲得的II圖像結(jié)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(wèn)題</p><p>　　目前，CGII的生成速度以及定位問(wèn)題也是研究熱點(diǎn)之一。英國(guó)德蒙福特大學(xué)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I(lǐng)I圖像。G. Milnthorpe還繼續(xù)對(duì)其分析研究以期能實(shí)現(xiàn)交互、實(shí)時(shí)操作并提高渲染速度。為了減少處理時(shí)間，該系統(tǒng)僅

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

83、 Time Multiplexed) 技術(shù)和新興的超分辨率技術(shù)有效提高了元素圖像的分辨率。雙圖像平面(Double Image Plane) 方法來(lái)增強(qiáng)景深和視角、采用非球面( Fresnel)透鏡來(lái)增大視角、采用微凸鏡陣列來(lái)增大視角同時(shí)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(dá)方式，它是一種可提供真實(shí)三維物理空間來(lái)再現(xiàn)具有真實(shí)深度信息的三維顯示技術(shù)，具有允許多人自由選擇多視點(diǎn)、裸眼觀察的特點(diǎn)。因此，體三維顯示技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)圖像處理、CAD設(shè)計(jì)、立體廣告?zhèn)髅降阮I(lǐng)域，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)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(shù)、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(guān)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(duì)兩個(gè)類別加以介紹.</p><p>　　5.1體三維顯示技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　掃描體空間技術(shù)數(shù)據(jù)處理量適中、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，是當(dāng)前體三維顯示領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)注焦點(diǎn)。若以運(yùn)動(dòng)形式來(lái)劃分，掃描體空間顯示技術(shù)又可分

86、支為旋轉(zhuǎn)體掃描和平移體掃描兩種，下面就對(duì)兩種技術(shù)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(dòng)發(fā)光以及被動(dòng)發(fā)光兩種結(jié)構(gòu)，主動(dòng)發(fā)光是指顯示過(guò)程中旋轉(zhuǎn)屏本身發(fā)光，形成二維圖像切片，通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成連續(xù)的三維立體圖；而被動(dòng)發(fā)光是指通過(guò)旋轉(zhuǎn)屏對(duì)其上投射的圖像進(jìn)行散射或反射，形成二維圖像切片，進(jìn)而通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成

87、連續(xù)的三維立體圖。</p><p>　　(1) 主動(dòng)發(fā)光旋轉(zhuǎn)屏三維顯示[28]</p><p>　　利用主動(dòng)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(jié)構(gòu)如圖4.1所示，其原理是基于人眼視覺(jué)暫留特性，使對(duì)稱置于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的發(fā)光屏在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，周期性地掃出一個(gè)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(xué)的林遠(yuǎn)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L(zhǎng)ED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(shí)際顯示效果</p><p>　　(2)被動(dòng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)下，以轉(zhuǎn)軸為中心軸高速旋轉(zhuǎn)，周期性地掃描出一個(gè)柱體空間作為成像顯示空間。通過(guò)投影儀將相應(yīng)角度上的三維物體切片圖像投射到屏幕上。當(dāng)掃描周期小于人眼視覺(jué)暫留時(shí)間時(shí)，就會(huì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖。 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)螺旋屏三維顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5.3(a)所示，它是一個(gè)基于螺旋面的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖5.3(a)所示，一個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)螺旋面高速旋轉(zhuǎn)，然后由R/G/B三束激光會(huì)聚成一束色度光線經(jīng)過(guò)光學(xué)定位系統(tǒng)打在螺旋面上，形成一個(gè)體象素(Voxel)，通過(guò)控制光束的方向以及與螺旋屏的相對(duì)位置關(guān)系，就可以激活顯示空間中任意點(diǎn)的體像素。多個(gè)這樣的體像素便能構(gòu)成體直線、體面，

91、直到構(gòu)成一個(gè)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(shí)際顯示效果如圖5.3(b)所示。</p><p>　　(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 實(shí)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(guó)ITT實(shí)驗(yàn)室最先提出的，旋轉(zhuǎn)平面屏三

92、維系統(tǒng)每一個(gè)刷新周期內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)屏位置反饋信號(hào)的觸發(fā)下，投影機(jī)將對(duì)應(yīng)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(jué)滯留效應(yīng)，一系列離散的切片圖像被復(fù)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(jié)構(gòu)平面示意圖 (b) 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　當(dāng)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(gè)能顯示全彩動(dòng)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(gè)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)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(gè)不同

94、視角的分辯率為768×768像素的2維圖像切片，每個(gè)直徑為10英寸的圖像包含由1億個(gè)體像素，并可提供全部深度信息并提供運(yùn)動(dòng)視差。圖5.5為Perspecta 3d顯示器實(shí)際顯示效果圖。Perspecta的投影幀頻達(dá)到了198×730/60=2409fps，每秒鐘需要的數(shù)據(jù)量高達(dá)4.286GB。Felix3D由于普通激光器的激發(fā)時(shí)間受限，無(wú)法達(dá)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(dá)到1萬(wàn)體象素，

95、而Perspecta則能顯示將近10億個(gè)體象素。Perspecta采用三塊的DLP分別負(fù)責(zé)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(xué)系統(tǒng)以及隨馬達(dá)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(shí)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(shù)是用平移運(yùn)動(dòng)構(gòu)造成像空間，具體結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面屏幕沿著垂直它平面的軸做往復(fù)動(dòng)構(gòu)造成像空間。在屏幕運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，把二維切片圖像投影到平移屏幕上。當(dāng)屏幕運(yùn)動(dòng)完一個(gè)周期，整個(gè)三維場(chǎng)景便以很多個(gè)離散切片的形式顯示出來(lái)。如圖5.6所示為平移運(yùn)動(dòng)的體掃描顯示單元，圖5.6 (a)～圖1(d)表示4個(gè)單位時(shí)間間隔內(nèi)屏幕運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，圖中每個(gè)時(shí)刻，都有一個(gè)二維切

97、片投影在屏幕上，黑點(diǎn)表示發(fā)光的體素。由于屏幕的運(yùn)動(dòng)速度，人眼的視覺(jué)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(fù)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(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　(2)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向</p><p>　　和旋轉(zhuǎn)體掃描方式相比，平移運(yùn)動(dòng)掃描可以避

98、免中顯示死區(qū)以及由于不同點(diǎn)體像素線速度不同所導(dǎo)致的密度的差異；但是也存在著其固有的缺陷和問(wèn)題。為了保證體像素密度的均勻性，屏幕應(yīng)做勻速平移運(yùn)動(dòng)。但在屏幕換向時(shí)會(huì)造成速度的急劇變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)震動(dòng)噪音等問(wèn)題，為了減輕這些問(wèn)題只能通過(guò)減小運(yùn)動(dòng)速度，縮小顯示范圍等方法。南京航天航空大學(xué)的姜盈等提出屏幕按正弦曲線做平移運(yùn)動(dòng)的方法，并通過(guò)對(duì)屏幕運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分段化線性近似，并在在不同分段內(nèi)恒速輸出圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)三維顯示。由于正弦曲線速度運(yùn)動(dòng)中速度的變化比

99、較緩和，所以需要的機(jī)械驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積和能量損耗比較小，屏幕所受的阻力和沖擊也相對(duì)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(dǎo)致的體像素非均勻性仍會(huì)導(dǎo)致顯示圖像的畸變。因此如何進(jìn)一步解決此問(wèn)題是平移運(yùn)動(dòng)掃描的一個(gè)發(fā)展方向。</p><p>　　5.2 靜態(tài)體三維顯示技術(shù)</p><p>　　5.2.1 基于頻率上轉(zhuǎn)換三維顯示技術(shù)</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(guó)Stanford大學(xué)的三位教授在1994年的SID會(huì)議上報(bào)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(rèn)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(guò)兩束不同波長(zhǎng)激光的兩級(jí)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(jí)，電子向下能級(jí)躍遷產(chǎn)生可見(jiàn)光發(fā)射。兩束激光的

101、交叉點(diǎn)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(diǎn)，發(fā)光中心的電子經(jīng)過(guò)兩級(jí)泵浦激發(fā)，被從基態(tài)能級(jí)激發(fā)到較高激發(fā)能級(jí)。當(dāng)這些電子向下能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)光發(fā)射。 兩束激光的交叉點(diǎn)按所顯示立體圖形在上轉(zhuǎn)換材料中做相應(yīng)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(gè)體素點(diǎn)自身具

102、有物理景深，因此整個(gè)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(jí)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(jí)泵浦激光的波長(zhǎng)都在紅外，同時(shí)還要求相對(duì)這兩級(jí)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(diǎn)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(jí)示意圖和主要上轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)際應(yīng)用中的主要問(wèn)題是：(a)如何控制兩束泵浦激光交點(diǎn)的掃描軌跡；(b)如何使兩束泵浦激光的交點(diǎn)最小。在研制初期，人們通過(guò)擺鏡來(lái)控制兩束泵浦光的交點(diǎn)，從而完成了最初的實(shí)驗(yàn)。但是這種方法存在著很大的弊端，首先，擺鏡的響應(yīng)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(diǎn)的夾角不同，會(huì)導(dǎo)致交點(diǎn)的大小有差異從而影響體像素體積的均勻性；第三，需要復(fù)雜精密的擺鏡控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)。最后，由于體像素點(diǎn)與

105、被顯示物體的復(fù)雜程度有關(guān)，因此只能顯示外形簡(jiǎn)單的物體。</p><p>　　這幾年來(lái)， Hesselink等和北京師范大學(xué)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(yàn)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(qiáng)度與泵浦光強(qiáng)成正比。再次系統(tǒng)中將泵浦光經(jīng)擴(kuò)束為準(zhǔn)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(diǎn)，使其發(fā)生上轉(zhuǎn)換熒光，從而點(diǎn)亮體像素。其關(guān)鍵點(diǎn)在于如何使熒