《科技传播》
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作者简介：燕展，宋征，陈卓，中国人民解放军陆军装甲兵学院信息通信系。
三维显示技术的分类概述与发展
燕 展，宋 征，陈 卓
摘 要 区别于二维显示技术，三维显示能够提供全视差、大景深、平滑连续的场景变换，使观众具有身临其境、触
手可及的感觉，因此，三维显示技术在诸如医疗、教育、娱乐等国民生活的各个领域具有广阔的应用价值。关键词 三维显示；双目视差；全息；体三维；集成成像
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2021）278-0155-03
1 概述
人类对外部世界的感知信息有70%～80%来源于视觉系统，而人脑有50%左右的功能与视觉图像处理相关[1]，在世界总人口中，有65%的人属于视觉学习者，与处理文字类信息相比，人脑对图像类信息处理的过程更为简单，速度也更快，因此，人
类在视觉和图像的认知方面优势明显[2]
。显示技术的发展使得人类可以通过手机、电脑等设备获取二维的平面图像信息，极大地丰富了人们的生活。然而传统的二维平面图像缺少第三维的深度信息，与真实的三维世界差异明显，限制了我们对客观世界的认识。因此，显示技术从二维到三维的发展是科技进化的必然。三维显示技术在各个领域均有广泛应用，全球范围内的主要国家已经将三维显示技术作为信息产业方面的战略性和基础性产业，我国也将发展三维显示技术列为一项国家战略，在《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006—2020年)》《“十三五”国家科技创新规划》《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》《中国制造2025》中，3D 显示技术均被列入了重点研究方向。
2 三维显示技术的分类
人类能够观察到三维物体，主要是因为来源于物体本身的深度信息进入人眼，然后经过人脑处理产生了三维感知。三维感知的获得途径多种多样，在物理深度信息上，主要因为双目观察到的内容略有差异，进而使人眼肌肉收缩和聚焦功能等发生变化，此外相对运动造成的视差变化也会改变深度信息；
给爸爸的一封信作文在意识上，三维感知则是由于经验所获得的透视、遮挡、阴影、纹理细节等。在这些途径中，以在真实环境中重构原场景的三维空间信息方式的显示技术最能够给观察者带来舒适逼真的观看感受。
对于目前的三维显示技术研究，大体上可以分为4类：
1）双目视差三维显示；2）全息三维显示；3）体三维显示；4）光场三维显示。2.1 双目视差三维显示
主要利用两只眼睛所观看到的视觉内容差异性来提供三维感受，这种差异反应了物体的空间位置关系，经大脑合成产生立体感。在观看过程中，每只眼睛看到的实质上是一幅独立的二维图像，这两幅图像的内容基本相同，而视角略有不同，双眼看到的信息被同时送入大脑，经过大脑的汇总融合处理产生三维立体感受。双目视差三维显示的途径又可进一步分为：色差型、偏光型、时分复用型和头戴型。色差型的三维显示途径是将两幅视差图像通过不同的互补颜色（如青色与红色）进行显示，在观看时，观众佩戴的滤光片具有不同的互补色，图像经过不同的滤光片后分别进入左右眼，此时，经过滤光后的图像具有差异性，经过大脑的处理，观众可以看到立体的三维图像。偏光型的三维显示已经在商业电影中广泛使用，拍摄时利用两部摄影机在不同位置同时对场景进行拍摄，显示时，也是利用两台投影机同时向荧幕投射图像，由于投射的图像经过了相互正交的偏振片，而观众通过配戴眼镜在偏振方向上也具有正交性，因此，荧幕上只有与偏振片偏振方向相同的光线能够进入观众的眼睛，从
而使观众左右眼得到了相应的视差图像。时分型三维显示主要利用的是人类眼睛具有视觉暂留的特性，显示设备通过极快的速度刷新显示图像，左右眼佩戴的设备以相同的频率开合，从而控制观众的左右眼所看到的事具有一定差异性的视差图像。头戴型的三维显示则是利用两台小型投影仪，每台投影仪仅为左眼或右眼提供图像，两台投影仪投出的图像具有一定的差异性，整体的立体效果依然是通过大脑的处理获得。由于原理简单，制造成本低廉，
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这种方式的显示设备在商业影视和娱乐方面应用广泛，然而从实质上来讲，这种方式的三维显示并不能真正恢复场景的三维信息，大脑在长时间处理此类差异信息时会产生晕眩等不适感，并且由于无法提供正确的三维场景交点线索，这种显示方式深受汇聚调节矛盾困扰[3]。2.2 全息三维显示
全息三维显示被认为是最理想的三维显示技术，自1948年Gabor 发明了全息术[4]以后，新的全息技术层出不穷[5-6]。全息三维显示主要的理论基础为波动光学，利用物光和参考光在记录介质上产生干涉，将物体的波前信息记录在介质上，显示时，利用光的衍射再现原理恢复出物体波前，因此观察者
能够看到和真实物体完全相同的立体图像，由于全息技术记录和再现了物体全部的波前信息，因此，具有极为逼真的显示效果。全息三维显示技术又可以进一步分为模拟全息和数字全息两种方式。模拟全息是利用真实存在的物体，通过激光进行照射并形成漫射的物光，而这些漫射的物光与参考光在银盐干板等介质上干涉，物光的相位和振幅等信息全部被转化为记录介质的条纹，这些条纹如同光栅一般包含了原始物体的波前信息，显示时，利用相干激光照射经过显影定影的记录介质，利用光的衍射原理，物体的波前信息被再现，因此，观众可以在不同位置看到不同视角的立体图像。数字全息是结合计算机技术与全息技术的一种新型显示技术，数字全息并不需要对真实存在的物体进行拍摄，而是通过计算机对全息的干涉条纹进行模拟，将计算获得的模拟全息条纹加载到光学显示器件上，当参考光照射全息显示器件时，则可以得到所需场景的三维影像，由于数字全息不需要复杂的实验设备，只利用电脑与显示设备就可以生成全息影像，并且成本低廉、便于储存，因此，受到了广泛的关注。和其他技术相比，全息三维显示技术在记录和恢复物体波前信息上具有非常大的优势，在分辨率、视场角、显示深度等性能上表现优异，然而由于需要记录和恢复的数据量巨大，全息三维显示在实时性和动态性上较难保证，并且制作全息图的设备复杂，成本高昂，因此，全息三维显示在大规模商业应用上仍需要进一步的研究。2.3 体三维显示
利用旋转投影屏幕、等离子体设备等，在真实空间中投射光线形成体素，从而模拟真实物体的发光特性。因此，体三维显示不仅能够提供物理上和意识上的空间深度信息，而且可以营造出逼真、细腻、
悬浮感强的三维场景。体三维显示技术又有静态类型和动态类型之分，静态类的方式主要利用等离子体或晶体的介质，通过高强度的脉冲光源进行照射，激发介质释放光线，因此，介质中大棚养猪
每一个被照射到的部位均可以看作是一个新的光源[7]，例如，哥伦比亚大学的研究人员曾利用激光诱导损伤技术在玻璃、塑料中植入了散射物质，当这些散射物质被特定光束照射时形成发光点，因为介质具有一定的厚度，不同位置的发光点具有三维的立体信息，因此，观众可以看到具有三维效果的立体图像；动态类的方式主要通过动态扫描方式更新显示内容，依靠视觉暂留形成立体感受[8]，例如Actuality Systems 公司设计出的Perspecta 系统，可以将不同的二维图片投射到具有全向散射特性的屏幕上，通过快速旋转屏幕的方式，能提供360°的环视效果，并且，体素能够达到一个亿，结合人眼的视觉暂留特性，快速更新的图像形成连续不间断的视觉，从而使观众感觉到立体真实的三维效果。体三维显示技术虽然可以用来显示动态三维图像，但是其设备复杂，例如一些动态类的体三维显示系统需要配合机械运动装置，这就要求了不同设备之间的高精度配合，此外，无法体现空间遮挡关系、难以大尺寸显示等缺点限制了其广泛应用。
2.4 光场三维显示
光场三维显示是被认为是最有前途的三维显示技术之一[9-10]，光场三维显示通过控制显示光线的方向、强度和角度范围等信息重构出原始场景的光学特性，从而使观众能够在不同的位置观看到场景的
不同视角。光场显示不需要观察者佩戴辅助设备，能够真正实现裸眼观看，并且光场显示实际上是在空间中立体成像，因此能够提供准确的交点线索，有效克服汇聚调节矛盾[11]；相比于全息三维显示，光场显示设备在信息处理的数据量上明显减小，在信息的获取和显示方式上更加灵活简单，所需设备简单，系统复杂度低，成本也更为经济；相比于体三维显示，光场显示不需要复杂的机械传动设备，有效降低了显示系统的复杂度，能够很好地体现三维场景的遮挡关系，给观众生动真实的视觉观看感受，利用大幅面的显示设备辅以大尺寸的透镜阵列，系统的显示尺寸能够大幅度得到提升。
光场三维显示又可以进一步分为超多视点显示[12-13]、计算多层显示[14-15]和集成成像显示[16-17]。从几何光学的角度分析，这些显示方式都可以归结为光线追迹，通过逐条显示光线逼近原始的三维光场。这些显示技术的不同之处在于超多视点显示通常利用显示器（投影仪）阵列或将单显示设备时分复用，每个二维的显示器提供某一特定位置的视角图像，而整体上在不同空间位置形成了不同的视差图像，当左右眼刚好看到两幅不同视差图像时，能够产生强烈的立体感；计算多层显示则利用多层显示器的空间级联，通过不同层面的像素联合确定显
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示光线的相关信息，观看时，观众在不同空间位置上接收到的光线信息也不一样，利用这种空间位置上的光线差异性，观众可以形成真实的立体感受；而集成成像显示则利用单层显示设备（投影仪）配合透镜阵列，利用透镜光心和像素的相对位置确定显示光线的方向。集成成像系统分为采集和显示两个过程，在图像采集阶段，每一个针孔（或透镜）都能记录其对应场景的图像，该图像被称为基元图像或元素图像，大量针孔（或透镜）平整排列形成阵列，将众多基元图像记录到存储设备上；在显示阶段，加载有基元图像阵列的显示装置与针孔（或透镜）阵列对齐，并且在透镜阵列前面对物体进行的空间重构，因此，可以在一定的观察范围内以任意视角观看重构的场景。相对而言，集成成像三维显示结构更为简单，成本更为经济，能够提供全视差和良好的空间悬浮感，具有使用环境广泛、观看舒适度高、能够实现图像动态交互控制等优点，是目前国内外研究的热点。
3 总结
三维显示是极具发展前景的显示技术，能够为观众提供前所未有的观看体验，随着科技的不断进步，不同类型的三维显示技术也都有更为优益的发展，例如利用佩戴设备的AR 显示技术，可以将真实的场景与虚拟物体结合，从而给观众带来更大的影音娱乐空间；利用白光再现技术能够极大简化对全息技术显示条件的要求，利用数字技术的动态全息使得显示场景不在单一；利用新型材料的体三维显示技术可以降低设备复杂度并且提高显示效果，并且具有遮挡关系的体三维显示技术可以克服传统体三维显示的缺陷；而利用投影仪、高清显示设备的集成成像显示技术在显示幅面、视场角、分辨率等方
面都有不同程度的提高。相信在不久的未来，三维显示会像电视、电脑一样普及开来。
均苯四甲酸参考文献海螵蛸
[1]MARIEB E N， HOEHN K. Human anatomy & physiology [M].
Pearson Education， 2007.
汉苑行
[2]李光达.基于认知科学的煤矿安全可视化管理效应研究[D].
中国矿业大学(北京)， 2017.
[3]DENG H， WANG Q-H， LUO C-G， et al. Accommodation
蟑螂的天敌and convergence in integral imaging 3D display [J]. J Soc Inf Disp，2014，22(3): 158-162.
[4]GABOR D. A new microscopic principle [J]. Nature，
1948， 161(4098): 777-778.
[5]赵锴，黄应清，蒋晓瑜，等.深度和波长补偿算法生成彩色
蝙蝠的故事
计算全息图[J].中国激光，2016， 43（6）：0609007.[6]ZHANG H， CAO L， JIN G. Three-dimensional computer-generated hologram with Fourier domain gmentation [J]. Opt Express， 2019， 27(8): 11689-11697.
[7]LANGHANS K， GUILL C， RIEPER E. Solid Felix: A
Static Volume 3D-Lar Display [C]. Stereoscopic D i s p l a y s a n d V i r t u a l R e a l i t y S y s t e m s X. International Society for Optics and Photonics， 2003.
[8]FAVALORA G E. Volumetric 3D Displays and Application
Infrastructure [J]. Computer， 2005，38（8）：37-44.[9]YANG L， DONG H， ALELAIWI A， et al. See in 3D:
state of the art of 3D display technologies [J]. Multimedia Tools and Applications， 2015， 75(24): 17121-17155.
[10]MULLEY J R， HAHLWEG C F， BALOGH T， et al. Light-field capture and display systems: limitations， challenges， and potentials [M]. Novel Optical Systems Design and Optimization XXI. 2018: 1074604.[11]HIURA H， KOMINE K， ARAI J， et al. Experimental
verification of accommodation-convergence conflict in viewing integral photography [J]. Opt Eng， 2018， 57(6): 061622.061621-061622.061627.
[12]LEE J-H， PARK J， NAM D， et al. Optimal projector
configuration design for 300-Mpixel multi-projection 3D display [J]. Opt Express， 2013， 21(22): 26820-26835.
[13]YU X， SANG X， GAO X， et al. Dynamic three-dimensional light-field display with large viewing angle bad on compound lenticular lens array and multi-projectors [J]. Opt Express， 2019， 27(11): 16024-16031.
[14]WETZSTEIN G， LANMAN D， HEIDRICH W， et al.
Layered 3D: tomographic image synthesis for attenuation-bad light field and high dynamic range displays [J]. ACM Trans Graphics， 2011， 30(4): 95.[15]TENG D， LIU L. P-95: Full Resolution 3D Display on
Computer Screen Free from Accommodation-convergence
Conflict [C]. SID Symp Dig Tech Pap. Wiley Online Library， 2017: 1607-1609.
[16]CHOI H-M， CHOI J-G， KIM E-S. Off-axis multi-projection integral imaging with calibrated elemental image arrays bad on pixel-position mapping [J]. ICT Express， 2018， 4(2): 112-117.[17]ZHAO W X， WANG Q H， WANG A H， et al.
Autostereoscopic display bad on two-layer lenticular lens [J]. Opt Lett， 2010， 35(24): 4127-4129.
