一文读懂双眼立体显示技术——眼见也不一定为实(二)

在上一篇文章“一文读懂双眼立体显示技术——眼见也不一定为实(一)”中,我们介绍了四种主流立体显示技术的优缺点。在本文中,我们将介绍有关其它立体显示技术和立体显示设备的内容。

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其它立体显示技术

透镜3D液晶显示技术

该技术不需要佩戴眼镜,它在显示器前面板镶上一块柱透镜板组成裸眼立体显示的光学系统,像素的光线通过柱透镜的折射,把视差图像投射到人的左、右眼,经视觉中枢的立体融合获得立体感。柱透镜板由细长的半圆柱透镜紧密排列构成,下图显示了柱透镜方法的原理。左右眼视图分别位于奇列和偶列像素上,形成视图分区。

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该技术在液晶的最表层添加了数组透镜,并且在这层凸透镜阵列上形成影像。其中每个透镜以液晶像素成一个小的角度摆放,并且对应了7个液晶Cell,每一个液晶像素有3个液晶Cell组成,具备呈现RGB三色的功能,再加上根据特殊的算法,在液晶Cell中形成不同颜色,而最终形成影像,确保让观看者在左、右眼上形成不同的图像,这样就可以看到逼真的三维效果。这种技术的缺点是如果观看液晶的角度不同,会因为Barrier的效果减弱,而无法看到三维效果,而且多焦点影Z瓣像极易造成眼睛疲劳。

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DFD立体显示技术

DFD(Depth-Fused 3D)是根据全新的错视原理开发的景深融合型立体影像技术,其利用两片液晶显示器与half mirror,开发不需特殊眼镜就可以观赏的立体影像的技术,这种立体影像制作原理称为REAL。REAL立体影像的制作过程是先利用一般摄影机、相机、闪光灯摄影等方式拍摄影像,然后取一般摄影与闪光灯摄影拍摄所得影像两者的灰度差分,再与一定峰值比较,从而获得二值化(0与1的数字化)影像,接着抽出所谓的近影像领域,最后再将Relief状景深添加至近影像领域内。被照物景深形状除了球体比较接近真实景深外,其它物体都会出现某种程度的差异,只要近影像与远影像两者前后关系维持正确,且景深为连续性平滑状的话,通常利用纹理描绘(texture)作修正,就可以获得非常协调的立体影像。

微位相差板立体显示技术

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微位相差板法是台湾光电研究院研究成功的一种裸眼立体显示技术。使用微位相差板改变光的偏极态来达到左、右视图的分离。微位相差板立体显示器不需要戴眼镜,但是视角很小,需要和头部跟踪装置配合使用。

特殊照明法立体显示技术

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线光源照明法的立体显示器在LCD的像素层后使用一系列并排的线状光源给像素列提供背光照明,线光源宽度极小并与液晶屏的列像素平行。密集的线光源照明使奇、偶列像素的图像传输路径分离,使左、右眼看到对应的画面。

立体显示设备

头盔显示器

头盔显示器(HMD,Head Mounted Display)的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言,小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉(Hologram)。液晶显示器(早期用小型阴极射线管,最近已有应用有机电致发光显示器件)的影像通过一个偏心自由曲面透镜,使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜,因此在光学上它已不单是透镜功能,基本上已成为自由面棱镜。产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面,再全反射至观视者眼睛对向的侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层,光线反射同时再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面,并在该面补正光线倾斜,达到观看者眼睛。

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头盔显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善,不仅作为个人应用显示器,它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础,可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外,还拓展到民用电子技术中,虚拟现实电子技术系统首先应用了头盔显示器。近期新一代家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现都是头盔显示器的普及推广应用的实例。

头盔式显示器是最早的VR显示器,它利用头盔将人对外界的视觉、听觉封闭起来,引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768,可为用户提供清晰的虚拟场景画面。

众所周知,知视觉影像的分辨率与色彩度取决于显示器件的像素(pixel)与灰度(grey level),然而目前小型高像素、高灰度液晶显示器(LCD)的单价极端昂贵,因此,日本Olympus公司利用OSR元件使18万画素的LCD产生相当于72万画素,水平分辨率500线以上的画质效果。OSR是由偏光控制元件(液晶cell)与复折射板所构成,藉由OSR元件将LCD的黑色矩阵上由像素所产生的光线移位。虽然理论上它是一种可使光学画质提高4倍的技术,但实际上单纯的使光线移位所产生的4像素技术却会造成影像模糊效应。因此OSR将对应各移位的影像信号从原始影像信号中取样,再显示于HMD的自由曲面棱镜,也就是说各个移位的像素都能够正确显示在应该出现的位置,实质像素提高4倍的同时又不会有影像模糊的问题。OSR元件置于LCD与自由曲面棱镜之间,由2片偏光控制元件与3片复折射板构成。当电压ON/OFF施加于2片偏光控制元件时,光线移位成4道。OSR的控制是将原影像信号配合移位像素的位置取样,之后以1/120秒的速度驱动LCD,再同步配合像素移显示影像,利用OSR元件依次使各个像素的光线以4/120秒(=1/30秒:视频信号的结构单位)为一周期。之后一边实时监控LCD,一边倍速驱动LCD,同时根据LCD驱动状况连动控制OSR元件。虽然LCD移位光量(距离)取决于OSR元件的复折射板的厚度,但是由于LCD像素大小只有10μm,像素间的黑色矩阵大小为14μm,因此复折射板的厚度必须具备微米级的加工精度,配合高折射结晶材料才能完成厚度为2.9mm的OSR元件。

随着虚拟现实电子显示系统的推广应用,可预期未来类似于HMD可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统作成全像大银幕的需求将日益增加,自由曲面棱镜的设计乃至加工量产技术将因此更趋完备。除光学技术之外,纳米级(nano)超精密机械加工技术亦将成为本世纪初的热门课题。

3D投影机

目前3D投影机领域的3D显示技术主要有3种,分别是气体成像式投影技术、偏光投影技术以及120Hz投影技术。

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第一种方式是气体成像式投影技术:它采用一台投影机和一个空气屏幕系统,利用海市蜃楼的成像原理,空气屏幕系统可以制造出由水蒸气形成的雾墙,投影机将画面投射在上面,由于空气与雾墙的分子震动不均衡,可以形成立体感很强的图像。由于承载影像的介质是空气而非固体,导致播放的影像并不固定,产生画面随着空气流动而晃动的感觉,此外,播放环境必须很暗,才能获得清晰的图像。这项技术不能全空间任意显示,只能在投影系统上方空间处播放画面,而且由于承载影像的介质是空气而不是固体,所以播放的影像并不是固定位置的,存在画面随着空气流动的同时晃动的感觉。

第二种方式是双投影式投影机:它是通过双头输出的显卡将播放内容同步直接输出到两个投影机中,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,让产生两束偏振光的偏振方向互相垂直。而偏振光投射到专用的投射屏幕上再反射到观众位置时偏振方向不能改变。观众佩戴偏振眼镜观看时,每只眼睛只能看到相应的偏振图像,从而在视觉神经系统中产生立体感觉。该方式必须使用两台投影机,需要特殊的投射屏幕,对屏幕的偏振性以及增益要求都很高。同时,此方式在投射过程中光线损失50%-80%,因此要求投影机亮度必须很高。

第三种方式是120Hz 3D成像投影技术:目前在液晶显示器领域非常受欢迎。其主要技术在眼镜上,它的眼镜片是可以分别控制开关的两扇小窗户,在同一台放映机上交替播放左右眼画面时,通过液晶眼镜的同步开闭功能,在放映左画面时,左眼镜打开右眼镜关闭,观众左眼看到左画面,右眼什么都看不到。同样翻转过来时,右眼看右画面,左眼看不到画面,就这样让左右眼分别看到左右各自的画面,从而产生立体效果。这种技术从原理上来讲是最正统的3D技术,对投影幕、投影机的亮度没有特殊要求,而且效果也非常出色,同时成本的控制也相对简单。最重要的是这种技术对于片源或是游戏没有要求,可以马上实现3D效果。是目前市面上显示效果最好、最便宜的3D解决方案。

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本文转载自:传感器技术(作者:毛富利)
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