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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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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