3D黑科技的前世今生!最全显示技术原理整理!

发布时间:2018-06-13 16:06:09

3D黑科技的前世今生!最全显示技术原理整理!

  我们生活在一个三维空间里,早在16世纪,人们就已经开始通过绘画的方式来感知3D视觉效果,和现在的3D手绘画相比,那个时候3D视觉的塑造主要靠的是色彩的冲击。

  3D显示由于其存在深度信息,所以能够实现很多2D显示所不具备的功能。但是其实现在很多的电子产品,也还是都停留在2D显示的水平上。

  目前的图像处理硬件实现了微型化、高效化和低发热的特性。同时,各种3D显示的光学方案层出不穷,为3D显示技术的普及奠定了基础。

  回到技术发展的本质,人们对还原真实所见世界的憧憬促使了3D显示的发展。人眼所看到的现实世界是立体的,人脑之所以能感觉到三维立体图像主要是由于外界物体的光从左右两个不同角度进入人的两只眼睛,并且经过大脑对图像的分析与合成才得以实现。因此3D显示的目的是显示出事物的3D信息。例如再现一位女性人体,我们希望3D显示能够再现出她的三围、面部轮廓以及发型厚度等。

  原理:放映时两个不同的放映机放出不同色彩(主要为红蓝色)的从两个角度分别拍摄物体的画面,人眼佩戴具有对应颜色镜片的色差式眼镜。因为相同色彩的镜片只能通过相同色彩,所以可实现两眼呈不同的像,达到在人脑中呈 3D图像的效果。

  优缺点:色差式相比于其他 3D显示技术最大的优点就是成本低廉,这也正是为什么色差式眼镜成为早期家庭 3D体验首选的原因。然而同时色差式技术也有着 3D显示技术最致命的弱点——图像一定程度的缺失,由于只是单纯的滤色使得这种技术更难保证对图像原画的呈现效果。其次,虽然轻便的设计缓解了一点对脸部的压迫感,但红蓝色的配色也会使许多用户出现不适的状况。

  运用只允许通过特定方向横波的偏振片可以代替色差式眼镜中滤色镜片的作用。在拍摄立体图像时就使用偏振片筛选出特定方向的光,如模拟左眼的摄像机前放置横偏振片,另一台摄像机放置垂直方向的偏振片,这样在摄像时便可得到两种不同的图像。让观看者佩戴偏光式眼镜。左眼佩戴与摄像机对应的横偏振片镜片,右眼也佩戴相应镜片。放映时,相应的图像信息只能通过相应的偏振镜片进入相应的人眼,以此实现 3D显示。

  优缺点:偏振光技术的应用不再需要红蓝等互补色的使用,因此偏振式眼镜的色彩损失是很小的,同时偏振片本身接近透明,色彩校正也更为容易。其次,虽然偏振式眼镜成本较色差式的昂贵一点,但相比于其他 3D显示技术成本还算较低,相对于色差式技术其又拥有更良好的影视体验,更优秀的性价比。这也使其成为各大影院播放3D电影时的首选方案。然而早期的偏振技术只能单纯的过滤纵向和横向的偏振光,这对使用者的观看姿势要求很高,每当观众稍稍偏离一定角度,所看到的图像就会异常。所以就有了对偏振式显示技术的改良即圆偏振式技术。

  原理:圆偏振式技术与线偏振式的原理大体上是一致的。不过这里的偏振光分别有规律地左旋和右旋,原先接受线偏振光的镜片也被改造成接受圆偏振光的镜片。本技术与线偏振技术都是利用偏振光的特性以达到在人两眼上呈现不同的像的效果。不同的是由于圆偏振式镜片筛选掉的偏振光只与偏振光旋转方向有关,不存在特定的偏振指向,这就允许观众观看时不必保持头部水平。但是,即使圆偏振技术的应用解决了偏振眼镜的部分问题,偏振技术仍然有分辨率减半、亮度损失等缺点。可见偏振技术想要进一步占领市场还需要许多改进。

  原理:根据人体的视觉暂留现象,通过提高画面的刷新率也可以产生两眼观察到不同影像的效果。

  这项技术需要有一个显示器以一定的速度轮流切换左右眼应看到的图像,观众则需要佩戴特殊的快门式眼镜,这种眼镜也以同样的速度轮流将某一镜片变为黑屏,这样可以让左眼该看到的图像只进入左眼,右眼的只进入右眼,以此达到两眼 “同时”收到不同的图像,从而产生立体效果。当然这里的“同时”指的是时间极短,对于人眼来说视觉暂留可持续 0.1s ~ 0.4s,但要避免抖动感则要求每只眼睛看到的画面刷新率达到 60Hz,整个显示器的刷新率要达到 120Hz,且要保持与 2d图像播放时相同的帧数。

  优缺点:对于显示器要求不高,只需达到 120Hz即可,同时特殊的时分设计使得每一帧图像的分辨率不会受损。然而 120Hz的频率对于如今的液晶面板和驱动装置等要求较高,能耗较大。尤其是快速的闪动对眼镜的要求也很高,这就造成快门式眼镜是几款 3D显示技术眼镜中最重的。且眼镜有一半时间处于黑屏,图像亮度也大打折扣。诸如此类的缺点使得快门式在市场中的地位渐渐下降。

  原理:与其他 3D显示技术不同,裸眼 3D技术主要通过将不同的图像直接投射到人的两眼来实现立体成像。

  显然,这一技术在抛弃了“通过眼镜区别左右眼图像”这一传统概念后无疑对图像定向投射的技术水平要求会更高。

  原理:在拍摄时其利用干涉原理记录物体光波信息:物体在激光辐照下反射的物光束和参考光束叠加产生干涉,并在全息底片上产生干涉条纹,通过独一无二的干涉条纹记录物体的空间信息,形成全息照片。放映时利用衍射原理在相干激光照射下还原全息照片,并在透明成像膜所产生的空间中直接生成立体图像。

  优缺点与应用前景:不同于以上所有的3D显示技术,全息投影技术并没有把技术中心放在让人的两眼看见不同的图像,而是着眼于对 3D物体形状、位置、色彩等要素的还原。正是由于这一特性使得全息投影技术所产生的视觉效果更为逼真,立体感极强。

  对于物体的高还原度也使得这项技术肩负着使 3D显示技术具有互动功能的使命。当然由于其全息图复杂的形成方式,以及许多诸如无法在自由空间中成像等技术问题,全息投影技术短期内难以像其他 3D显示技术一样大规模市场化。

  对比总结以上5种3D显示技术,可以看到我们3D技术不断在完善和发展中。在未来,医疗教育行业也许会广泛使用3D显示技术,但是最终达到一个非常优秀的效果还需要多方的共同努力!