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       立体显示技术的分类
        根据立体显示技术的显示效果,可以将其分为传统2D显示、双目视差立体显示以及真三维立体显示。
               传统2D显示
               传统2D显示采用二维的计算机屏幕显示旋转的2D图像,从而产生3D显示效果,即3D效果=2D图像+旋转变换。
               因为这种显示方式基于传统的计算机图形学和图像处理技术,是基于像素的,所以只产生心理景深,而不产生物理景深。具体包括遮挡、透视、相对运动、光照、纹理、阴影。因其易于实现,已被广泛应用在三维造型、动画制作和计算机游戏等领域。如下图所示,这是一张2D平面图像在Photoshop中进行旋转变换处理后得到的一幅让人感觉有3D效果的图像,就好像在看一幅贴在墙上的画,不论从哪个角度观看图像,其效果都是一样的,没有真正的立体感。
               
               传统2D显示例图
               双目视差立体显示
               人具有立体视觉能力,这是由于人有两只眼睛(成人的瞳孔间距平均为65mm),它们从不同的方位获取同一景物的信息,各自得到关于景物的二维图像,左眼看到图像的左侧部分多一些,右眼看到图像的右侧部分多一些。这种在双眼视网膜结像时出现的微小水平像位差称为双眼视差(binocular parallax)或立体视差(stereoscopic vision)。人的大脑通过对左右两幅图像以及两幅图像的视差进行分析和处理,可以得到关于景物的光亮度、形状、色彩、空间分布等信息。
               双目视差立体显示又可以分为沉浸式系统、半沉浸式系统、自由立体显示技术和多视点自由立体显示技术。
               ①沉浸式系统。
               沉浸式系统基于双目视差立体显示技术,需要佩戴偏振眼镜、互补色眼镜或液晶光开关眼镜等辅助工具。通过双目观察将两幅图像投影到两只眼睛,观察者需要戴上特定的立体眼镜,图像处理系统会将两幅图像各自输入到不同的镜片(显示器)上,从而使不同的眼镜观察到不同的图像。同时,观察者的头盔上还配有头部运动跟踪器,通过该跟踪器,系统可以得到观察者头部的运动方向和速度,从而更新镜片上的图像,获得立体效果。
               尽管立体显示效果(深度感)比较优良,解决了视角和位置变化的问题,但其本质上也是基于像素的,人眼被完全占据,除了观看屏幕外无法进行其他工作,在很多场合并不适用,不能满足多人同时观察和及时交互,常用在航空模拟等专用场合。
               ②半沉浸式系统。
               半沉浸式系统将两幅图像投影到一个光滑的平面屏幕上,然后通过特殊眼镜进行观察,且保证每只眼睛只看到它本应看到的图像。正如在沉浸式系统中使用的头部运动跟踪器,半沉浸式系统也允许观察者从模型的不同角度进行观察,虽然在某个角度部分场景会从视野中消失,但是与沉浸式系统不同的是,这些特殊的眼镜允许观察者同时观察环境中的现实物体和模型。
               以上两个系统的共同点是都需要佩戴特定的眼镜,使得观察者的视野被仪器所限制。虽然允许一人或多人同时观察并交互,但也是有人数的限制。观察人数越多,对计算机处理能力的要求也会随之提高。
               ③自由立体显示技术。
               自由立体显示技术也是基于双目视差立体显示的技术,但它不需要佩戴偏振眼镜等辅助工具,解决了佩戴设备所带来的恶心、头晕等不适感。许多投影技术可以使图像仅在一个特定的“空间视窗”中被看见。一组图像会被投影到一串相连的窗口上,观察者站在显示器前,两只眼睛可以接收到不同的景象,从而得到立体的感觉。大多数自由立体显示器都允许水平视差,即允许观察者从左到右地移动观察模型。
               该技术的最大优点是人眼不会被限制,能够应用于更多的场合;其缺点是只能观看有限的景象范围,多人同时观察时不方便。
               ④多视点自由立体显示。
               多视点自由立体显示技术最主要的特点就是其可以提供多个视点,同时供多人观看,除了不能产生具有深度感的图像以外,其能在观察者水平位置变化的同时使图像随之旋转,与人在水平运动中观察真实物体的效果相似,使观众能够在较大角度内的多个位置用裸眼自由、清晰地感受到立体画面所带来的视觉冲击,被认为是多媒体虚拟显示技术的未来,因此成为多媒体领域的研究热点。
               真三维立体显示
               现代的三维显示方式希望能通过3D显示器直接显示三维图像,从而使显示出的三维物体既有心理景深,又有物理景深。而且,多个观察者不需要借助任何辅助设备就可以从多个角度直接观察三维物体,就像人们观赏鱼缸里的金鱼一样,这种技术是基于体素(体积元素)的一门综合性技术。因此,符合人眼观看习惯的真三维显示技术显得尤为重要。于是,真三维显示技术成为当下三维显示领域的研究热点。
               真三维显示技术(True 3D Volumetric Display Technique)是一种立体显示技术,也是计算机立体视觉系统中最新的研究方向。这种显示技术可以直接观察具有物理景深的三维图像,真三维立体显示技术的图像逼真,具有全视景、多角度、多人同时观看和实时交互等众多优点。
               目前比较主流的技术有全息显示技术、体三维显示技术和集成图像三种。
               ①全息显示技术。
               全息显示技术利用干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物体光波的全部信息都存储在记录介质,故其记录的干涉条纹图样被称为全息图。当用光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波,从而形成原物体逼真的三维图像,可以看到立体显示的全部特征,并产生视差效应。在不同的位置上进行观察时,物体会有显著的位移。由于全息地再现光波保留了原有物体光波的全部信息(振幅信息和相位信息),故全息再现影像与原始物体有着完全相同的三维特性,能够提供人眼视觉系统所需的全部深度感知信息。人们在观看全息再现影像时,会得到与观看原物时完全相同的视觉效果。因此,全息技术被广泛认为是最有发展前景的真三维显示技术。
               把全息显示技术用于图像重现通常需要以下两个步骤,如下图所示。
               
               图像重现
               步骤1:波前记录。这一步骤是利用光的干涉原理将物体发出的光波以干涉条纹的形式记录成全息图。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能够互不干扰地分别显示出来。
               步骤2:波前重现。这一步骤利用光波照射全息图,通过光的衍射能够从全息图中再现出原始物体的光波,从而形成原始物体的三维图像。
               传统的全息显示技术基于光学记录材料,主要用来显示静态图像和具有简单动作的动态图像,但是由于三维显示的媒介是一张张全息图,且其制作受到光学记录材料、制造工艺、成本、实验环境等方面的限制,因此这种技术并不适用于视觉信息的传输和共享。目前,传统的全息图主要用于艺术创作、室内装饰、博物馆展示、信用卡、票据和商品防伪等。随着计算机技术和数字传感技术的发展,图像分辨率会逐步提高,特别是电耦合器件等数字光敏元件的出现,全息技术从需要化学介质感光材料进行记录及处理发展到数字记录及数字再现,形成了数字全息显示技术。
               与传统的光全息显示技术相比,计算全息技术避开了传统全息技术记录光路的限制,可对通过其他手段获得的三维数据或人工制作的三维模型利用计算机设备进行全息图计算,其优势包括灵活、可重复性好、可充分利用光能、可显示虚拟和真实物体、可显示三维物体外观或者透视其内部、可让观察者从任意角度观看影像、可实现虚拟现实和增强现实、可令观察者与真实场景和虚拟场景产生互动等。基于此,计算全息术在军事、医疗、工业、商业、教学、科研、影视、娱乐等众多领域都具有十分广阔的应用前景,如下1图和下2图所示。
               
               汽车模型全息三维图
               
               计算机全息三维显示技术
               ②体三维显示技术。
               体三维显示技术是一种基于多种深度暗示的真三维显示技术,其通过特殊方式激励位于透明显示空间内的物质,利用光的产生、吸收或散射形成体素,并由许多分散体素构成三维图像,或采用二维显示屏旋转或层叠而形成三维图像。由此形成的三维图像如同真实的物体,能满足人的几乎所有生理和心理深度暗示,可供多人多角度裸视观看,符合人们在视觉观看及深度感知方面的习惯。如果将真正看见认定为视觉,将非真正看见认定为幻觉,那么体三维显示的不是双目视差技术呈现的幻觉,而是一种客观存在的真实。
               体三维显示主要有三种实现方式:动态屏、上转换发光和层屏显示技术。
               基于动态屏的体三维显示依靠机械装置旋转或移动平面显示屏,利用人眼的视觉暂留效应实现空间立体显示效果。
               基于上转换发光的体三维显示技术使用两束不同波长的不可见光束扫描和激励位于透明体积内的光学活性介质,在光束的交会处取得双频两步上转换效应而产生可见光或荧光,从而实现空间三维图像的显示。
               基于层屏的体三维显示技术使用高速投影机将待显示物体的深度截面连续投射到与显示体相对应的深度位置,且保证在较短时间(如1/24秒)内完成在显示体上的投影成像,其中显示体是由距离观看者远近不同的层屏组成的。利用人眼的视觉暂留效应,观看者可在显示体前方的任意位置观看到三维图像。
               可见,体三维显示技术采用基于重构物体原光点的方式,得到的图像是在相应位置真实存在的图像。图像具备运动视差的特性,适于全视场观看,观察者数量也不受限制。因此,这种方式的三维显示效果较好,缺点是所有的显示点都能被看到,不具备空间遮挡关系,无法显示物体的表面纹理,难以实现大尺度、高分辨率的三维显示。
               ③集成图像。
               集成图像技术是一种真三维立体显示技术,是利用微透镜阵列对空间场景进行记录并再现出空间场景的3D图像技术,如下图所示。
               
               集成图像原理
               集成图像包括元素图像阵列的记录和三维图像的再现两个过程。记录过程利用记录微透镜阵列对物体空间场景进行记录,并把记录的立体信息记录到位于微透镜阵列焦平面的胶片上。由于构成微透镜阵列的每个透镜元会从不同方向记录一部分场景信息,因此,每个透镜元都会对应生成不同方位视角的微小图片,即图像元。根据这一过程,空间信息通过图像元记录于胶片上,胶片上所记录的像称为图像阵列。再现过程则利用与记录微透镜具有相同参数的再现微透镜阵列通过光路可逆原理将微透镜透射出来的许多图像元的光线聚集,从而再现物体的空间场景。
               集成图像技术较之其他三维显示技术具有以下优点。观看者无须佩戴任何特制眼镜、头盔等助视设备;拍摄和显示过程比较简单,无需相关光源,对记录环境没有特殊要求,系统结构紧凑,易于实现;可以产生全真的彩色图像;在一定视角范围内可供多人自由观看;既适用于静态的3D场景记录和再现,也适用于3D视频的拍摄和显示。
               目前,集成图像存在的问题包括:3D图像会发生深度翻转现象;观看视角较窄,只有几度到几十度;3D图像的深度范围非常小、分辨率较低。
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