3D显示技术

近年来随着一些民用产品的发展，3D显示技术逐渐得到了大家的重视，这是知乎第10篇文章，我们就来介绍下目前主流的3D显示技术。

1、立体显示

立体显示最早由C.Wheatstone于1838年提出。这类显示器是基于立体视觉，观察者的左眼和右眼接收不同的视角，这些视角由观察者佩戴的立体设备分隔开。两个不同的图像被整合成一个单一的三维图像。

立体显示主要有三种类型：立体影片（anaglyph），液晶快门（liquid crystal shutter），偏振镜片（polarization glass），如下图所示。

立体影片通常是把影像分成两种颜色，两种颜色互补，通常是红色和青色，如下图所示。用户佩戴的眼镜左右镜片分别对应红色和青色的滤片，通过左右眼叠合得到3D效果。这种方式的优点是通过很低的成本（片源解析成红色和青色的成本低，眼镜的滤片成本低）就可以获得3D效果，缺点也很明显，影像的色彩细节通过滤片后对丢失，而且两个滤片也会导致左右眼看到的影像亮度不一致，严重的会导致出现画面闪烁。

液晶快门系统，也叫主动快门系统。把左眼的图像发送到左眼，同时眼镜会遮挡右眼图像；然后眼镜遮挡左眼，把右眼的图像发送到右眼。这个过程以一定的频率进行，通过人的视觉处理感知到3D影像。这种系统的优点是可以消除crosstalk，并且显示全光谱影像。Samsung，Sony, Panasonic，Philips，XpanD 3D都有推出相应的设备。但是这种设备要求影像要有比较高的刷新率，并且眼镜硬件比较昂贵，而且需要做到影像显示和眼镜开关时钟要同步。

偏振3D系统，通过把偏振影像分别通过偏振眼镜投入到人的左右眼形成立体影像。该方案市场占有率最高，基本上影院以及高端家庭影院都采用该方案。其中一种方案如下所示，该显示系统采用两个薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD），偏振片以及分光镜来实现，可以提供全彩显示，也不需要和眼镜同步，成本不高。

以上传统的3D显示技术，不能提供自然的视差图像，需要佩戴眼镜，消费者经常抱怨头晕、眼睛疼、佩戴不舒服等问题。并且戴眼镜之后的立体效果也没有做到非常自然。

2、积分成像技术

积分成像是Lippmann在1908年提出来的，这种技术不需要用户佩戴眼镜之类的外设就可以自动获得3D影像体验，它可以提供全彩自动视差，因此近年来该技术吸引了一大票科研工作者和3D显示厂商。

积分成像如下所示，包含两个过程：获取（pickup or acquisition）和显示（display or reconstruction）。在获取过程中，3D的物体发射光线，通过micro lens array构建图像，每个lens都从自身的位置对3D物体进行采样，所有光线信息通过MLA之后被CCD或者CMOS相机接收。每个lens所成的2D像叫做元像（elemental image），CMOS相机会记录所有元像。记录这种图像的相机，也叫做光场相机，lytro进行了消费级市场的尝试，主打先拍照后对焦，无奈没有实质性的突破，8年后黯然离场。在显示过程中，记录的2D元像通过2D显示器显示，每一个元像倍投射到相应的lens上，所有光线通过MLA之后形成3D图像。积分成像的缺陷也是显而易见的，3D可视角度小，且分辨率不够高，像质景深受限。

3、头戴显示

HMD（Head Mounted Display）已经广泛应用于VR和AR中，HMD的光学包含两部分，couple-in和couple-out。couple-in用来把micro display的图像放大，couple-out用来把放大的虚像导入观察者的眼睛。在有限的空间内要布局光学元件，并且要保证佩戴和观感，目前来看波导方案是比较好的解决方案，分为几何波导和衍射波导，不论是几何波导或衍射波导，其制作工艺都比较复杂，成本较高。几何波导的视角难以拓展，因此国际大厂纷纷转战衍射波导，目前衍射波导的smear以及色差问题短期内难以克服。

4、体光场显示

体光场显示有Luzy和Dupuis在1912年提出，用户无需佩戴眼镜，并且可以提供更大的视角。这种显示技术可以很好地模拟现实中的物体，通常分为静态显示和面扫描显示，在军事和医疗中较为常用。

静态体显示，在“关闭”模式下，构成显示体的活动元素是透明的，但是在“开启”状态下，这些活动元素会发光，并且在显示体内出现相应的图案。静态体显示，通常使用激光照明。

面扫描体显示使用快速移动的显示表面来照明，显示的图案依赖于观察者的距离以及角度，通过帧率刷新，把不同大小不同位置的2D图像组合起来，就可以在360度范围看到立体图案。其典型的实现方式如下所示，把在不同的角度投影3D物体不同的表面2D图像，用户在水平方向360可以观看到物体的3D影像。

5、全息显示

全息最早由Gabor在1948年通过波前重建实现。全息图可以重建物体，且重建出来的物体在深度信息上不会和人体感知产生冲突，这是因为全系显示能够提供所有四中视觉机制：双目视差，运动视差，accommodation 和 convergence。研究人员在积极寻求全系材料，希望这种材料上可以对高分辨率的全息图实现毫秒级别的刷新率。现在相机可以非常容易地把动态的3D内容记录为数字全系图。然而对于大尺寸和大视角的全息图，信息量太大，处理过程太耗时，难以做到大规模量产。目前最常见的处理方式，是用多个深度相机分别从多个角度拍摄，降低信息量和分辨率，然后借助计算机生成物体的点云图，来进行后续处理。

3D显示技术如今还远远难以满足用户的体验要求，需要大家一起努力。从技术层面上来看，更多的反而是图形图像处理方面的限制了，光学设计本身已经没有多少限制了。