21.立体显示技术

课次21.立体显示技术1.立体显示技术简介立体显示技术的种类非常多，大部分还在实验室中，目前投入应用比较多的是：分色技术分光技术分时技术光栅技术360度全息显示技术1.立体显示技术简介实现基于双眼视觉的立体显示需要经过两大步骤。首先，要准备好两套分别供左眼和右眼观看的画面。目前，这种画面的来源有三种途径：双机拍摄从3D场景中提取用软件智能模拟（效果略差）1.立体显示技术简介片源准备好以后，第二个步骤就是将它们输送给双眼，并且要点是给左眼观看的画面只能让左眼看到。在输送时其实并不需要刻意的调节两套画面的差距，只要能将上述途径获得的片源按要求输送给双眼，那么人眼就会自动产生与画面对应的立体感了。为了实现这一步，各种立体显示技术采用了不同的方式，4种技术的区别也就在于此。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.立体显示技术简介分色技术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。1.立体显示技术简介分光技术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。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。1.立体显示技术简介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。1.立体显示技术简介1.立体显示技术简介分时技术的实现3D画面首先要经过装载了NVIDIA能够支持3D画面显卡的电脑，然后通过再安装相搭配的驱动软件，然后这些画面通过VGA或者DVI数据线传送到优派PJD6210-3D投影机中。由于优派PJD6210-3D投影机能够支持高达120Hz的刷新率。所以左右眼可以同时看到60Hz频帧画面，然后再结合NVIDIA的3D眼镜从发射器接收信号，用以同步左右眼镜的快门信号，从而实现3D效果的立体影像。1.立体显示技术简介分时技术的实现NVIDIA3DStereo采用的是画面交换(PageFlipping)的方式在2D环境下来实现3D效果的。画面交换的工作原理：将左右眼图像交互显示在屏幕上的方式，使用专用的立体眼镜来进行搭配，将垂直同步讯号作为快门切换同步讯号即可达成立体显像的目的。通过显示设备（投影机或者液晶显示器）将左右眼图像（以垂直同步讯号分隔的画面）分别传输到左、右眼显示设备上，这样我们就能够看到完整的3D立体画面了。1.立体显示技术简介分时技术的实现将优派PJD6210-3D投影机和装载了图形芯片为NVIDIA显卡的电脑，还有眼镜和红外发射器之后，并不代表着就能看到3D画面效果了，还需要经过手动的调节。第一步：安装连接各种设备。将优派PJD6210-3D投影机和装载了NVIDIA图像芯片显卡的电脑连接，并且装载IR发射器以及3D立体眼镜，还要安装想配套的驱动程序。另外，电脑也需为装载微软Vista系统。1.立体显示技术简介分时技术的实现第二步：设置投影机。将投影机开机后，进入优派PJD6210-3D投影机的OSD菜单，选择“画面”选项中的“3DSync”中的120Hz，然后将“3DSyncInvert”设置为开。第三步：对显卡进行设置。进入到NVIDIA控制面板中，在controlpanel选项中，手动添加一个1024×768@120Hz的分辨率，并选定以这个分辨率显示画面。在OSD菜单中选择120Hz1.立体显示技术简介分时技术的实现这时电脑已经为3D显示了，但是如果想看到3D效果还需要观看采用3D显示技术的电影或者游戏，否则用肉眼看到的画面和常见的画面基本上无异。1.立体显示技术简介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。1.立体显示技术简介1.立体显示技术简介光栅技术视差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。1.立体显示技术简介应用范围方面：这4种技术可应用的范围还是比较广的，值得一提的就是分时技术还不能应用于液晶显示器，主要是因为液晶显示器的响应时间太长，响应特性也非常怪异。舒适性方面：前三种技术使用时必须要配戴专用的眼镜，好在观看的位置不限；光栅技术虽然不需要配戴眼镜，但有一部分产品要在头上配戴定位设备，同时观众必须在特定的范围内才能正常观看。1.立体显示技术简介画面质量方面：4种技术普遍存在亮度损失的问题。分色技术使用颜色较深的滤色镜，亮度损失理所当然，同时它还会损失一部分颜色信息；分光技术要用到偏光片，它会吸收特定角度偏振光以外的所有光，亮度损失很严重；分时技术之所以损失亮度，是因为液晶快门眼镜中也包含偏光片，所以它和分光技术是一样的；光栅技术，视差障碍使每只眼睛只能接收到原来一半的光线，因此亮度损失一半，同时水平分辨率也只有原来的一半。1.立体显示技术简介保护视力方面：分光和光栅两种技术对视力是没有损害的。分色技术是无药可救的，因为观看时，双眼接收到的颜色信息严重不平衡，虽然大脑可以将它们完美的组合在一起，但是会造成视神经疲劳，不能长时间使用。分时技术必须配合高的刷新频率，否则对眼睛有损害。1.立体显示技术简介全息显示技术全息影像技术包括：全息摄影、全息影像显示两个重要环节。我们知道，要想表现物体的立体感，除了需要记录物体表面光强度信息外，物体反射光的信息也很重要，二者信息叠加即实现了平面物体加物体阴影的立体感。1.立体显示技术简介全息显示技术全息摄影就是在摄影的同时将物体表面光强度信息和物体反射光的信息同时记录来实现的。采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。1.立体显示技术简介全息显示技术全息影像的显示，则是通过光源照射在全息图上，这束光源的频率和传输方向与参考光束完全一样，就可以再现物体的立体图像。观众从不同角度看，就可以看到物体的多个侧面，只不过看得见摸不到，因为记录的只是影像。目前最常用的光源是投影机，因为一来光源亮度相对稳定，二来，投影机还具有放大影像的作用，作为全息展示非常实用。1.立体显示技术简介全息显示技术使用投影机实现全息投影成像1.立体显示技术简介全息显示技术名模KateMoss的全息影像视频中，在影像的周围有一个支架，事实上那些是玻璃体（透明度高的介质均可）构成的多棱锥，全息影像经由电脑传输到投影机中投射到玻璃体上，再通过不同角度光线的衍射从而实现立体影像。1.立体显示技术简介全息显示技术由于全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。因此，一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，依然可以重现全部景物。另外，由于全息摄影技术能够记录物体本身的全部信息，存储容量足够大，因此，作为存储的载体，全息存储技术也可以应用于图书馆、学校等机构的文档资料保存。1.立体显示技术简介全息显示技术与传统的3D显示技术相比，全息影像技术无需戴专门的偏光眼镜，不仅给观众带来了方便，同时也降低了成本。而且立体显示方式能够将展品以多视角的方式介绍给观众，更加直观。全息摄影可应用于工业上进行无损探伤，超声全息，全息显微镜，全息摄影存储器，全息电影和电视等许多方面。2.体三维显示体三维显示与前述立体显示技术不同，它是真正能够实现动态效果的3D技术，它可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为扫描体显示(Swept-VolumeDisplay)和固态体显示(Solid-VolumeDisplay)两种。其中，前者的代表作是Felix3D和Perspecta，而后者的代表作则名为DepthCube。2.体三维显示Felix3D拥有一个很直观的结构框架，它是一个基于螺旋面的旋转结构，一个马达带动一个螺旋面高速旋转，然后由R/G/B三束激光会聚成一束色度光线经过光学定位系统打在螺旋面上，产生一个彩色亮点，当旋转速度足够快时，螺旋面看上去变得透明了，而这个亮点则仿佛是悬浮在空中一样，成为了一个体象素(空间象素，Voxel)，多个这样的voxel便能构成一个体直线、体面，直到构成一个3D物体。2.体三维显示Felix3D技术2.体三维显示Perspecta可能是扫描体3D显示领域最令人瞩目的成就了，它采用的是一种柱面轴心旋转外加空间投影的结构，与Felix3D不同，它的旋转结构更简单，就一个由马达带动的直立投影屏，这个屏的旋转频率可高达730rpm，它由很薄的半透明塑料做成。当需要显示一个3D物体时，Perspecta将首先通过软件生成这个物体的198张剖面图(沿Z轴旋转，平均每旋转近2°截取一张垂直于X-Y平面的纵向剖面)，每张剖面分辨率为798×798象素，投影屏平均每旋转近2°，Perspecta便换一张剖面图投影在屏上，当投影屏高速旋转、多个剖面被轮流高速投影到屏上时，我们便会发现，一个可以全方位观察的自然的3D物体出现了！2.体三维显示Perspecta技术2.体三维显示DepthCube系统则代表了目前固态体显示技术的最高成就，它采用了一种很特别的方式：层叠液晶屏幕方式来实现三维体显示，DepthCube的显示介质由20个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1024×748，屏与屏之间间隔约为5mm。由于DepthCube的观察角度比较单一，主要是在显示器的正面，因此并不需要像Perspecta一样高的帧频，其每秒钟仅需显示1200个截面即可产生足够的体显示效果。2.体三维显示DepthCube系统3.立体显示技术的发展史及展望早在五千多年前的古埃及，人们就已经有了对三维成像技术的追求。当时对人物形象的画法造型，大部分都把脸表达成侧面的姿态，而眼睛和躯体的位置都是正面的，整个人物从头到脚有两次90°的转向。真人或站或坐都无法保持这种姿势，但这种奇特的造型却可使人物具有立体感和厚重感。3.立体显示技术的发展史及展望到了15世纪初的欧洲的文艺复兴时期，意大利建筑师Bruneselleschi对“绘画透视”进行了首次论证。达芬奇也曾在他的著作“TrattatodellaPittura”中引用了“透视框”的概念作为他研究远景透视的依据。另外，达芬奇还创造了一套名为“空气透视”的理论，描述的是由于空气薄雾对视觉的影响，使得场景的色彩逐渐消失在远景之中。作为素描和油画这些平面(2D)画布中唯一能表现立体感效应的手法,透视画法就这样一直延续下来了。3.立体显示技术的发展史及展望绘画透视和雕塑艺术研究和实践就表明：只有给两只眼睛分别提供相对独立的图像，在恢复了双眼视差的情况下，才可能获得真实的立体视觉。（早期