一文读懂双眼立体显示技术——眼见也不一定为实

原创 传感器技术 2021-05-25 07:00


在人获得的外界信息中,视觉信息占80%以上。长期以来,表达可视信息的图片、视频等都是二维的。然而,现实世界是三维的,二维图像在和采集和显示的过种中丢掉了实际事物大量、重要的第三维信息。这些二维图像无法满足人类大脑信息处理的习惯,人脑更需要获取与现实事物完全一致的“全部信息”,即三维的信息。



自古以来,人们就一直存在对三维成像技术的追求。15世纪初的欧洲的文艺复兴时期,意大利建筑师Bruneselleschi 对“绘画透视” 进行了首次论证。达芬奇(Leonardo da Vinci)也曾在他的着作"Trattato della Pittura"中引用了"透视框"的概念作为他研究远景透视的依据。如艺术家需要将一张画纸夹在玻璃板上,再通过一个目镜观察画纸上场景的投影画面,然后在画纸上描绘下场景的轮廓,就可以得到一幅具有真实透视的草图。


绘画透视和雕塑艺术研究和实践就表明:只有给两只眼睛分别提供相对独立的图像,在恢复了双眼视差的情况下,才可能获得真实的立体视觉。


透视效果是观看三维世界时的基本规律,是画面产生立体感的基本要求。


人眼在看真实的圆柱体和看屏幕上显示的圆柱体时,视差角有明显的不同,看屏幕时的视差角实际上和看平板玻璃时是一样的,因此不管屏幕上显示的内容如何变化,立体感始终是一个平面,这也是普通显示器无法实现立体显示的原因。


透视效果是观看三维世界时的基本规律,是画面产生立体感的基本要求。


人类的双眼是横向并排,之间大约有 6~7 厘米的间隔,因此左眼所看到的影像与右眼所看到的影像会有些微的差异,这个差异被称为“视差”,大脑会解读双眼的视差并藉以判断物体远近与产生立体视觉。这意味着假如你看着一个物体,两只眼睛是从左右两个视点分别观看的。左眼将看到物体的左侧,而右眼则会看到她的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时,左右两面的印象合起来,就会得到最后的立体感觉。而这种获得立体感的效应就是“视觉位移”。



既然可以人为的控制视差角,我们就可以在显示圆柱体时调节视差角产生圆柱体的立体感,事实上,当今主流的4种立体显示技术都是基于这个原理的。


实现基于双眼视觉的立体显示需要经过两大步骤,首先,要准备好两套分别供左眼和右眼观看的画面。目前,这种画面的来源有三种途径:


一、双机拍摄:拍摄电影或图片时将两台照像机或摄像机并排放置,两机间的角度和距离都模拟人的双眼。


二、从3D场景中提取:由于3D场景本来就被设计用来可供任何角度观看,所以从中提取两套画面自然不难,提取的两套画面相互间的角度要模拟人的双眼。


三、用软件智能模拟:这是利用计算机根据原始画面重新生成两套画面,可用于将现有的普通视频和图片转换为立体显示的片源,但效果略差。


片源准备好以后,第二个步骤就是将它们输送给双眼,并且要点是给左眼观看的画面只能让左眼看到。在输送时其实并不需要刻意的调节两套画面的差距,只要能将上述途径获得的片源按要求输送给双眼,那么人眼就会自动产生与画面对应的立体感了。为了实现这一步,各种立体显示技术采用了不同的方式。


3D显示技术的总体分类



分色技术


分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼,另一部分只进入右眼。我们眼睛中的感光细胞共有4种,其中数量最多的是感觉亮度的细胞,另外三种用于感知颜色,分别可以感知红、绿、蓝三种波长的光,感知其它颜色是根据这三种颜色推理出来的,因此红、绿、蓝被称为光的三原色。要注意这和美术上讲的红、黄、蓝三原色是不同的,后者是颜料的调和,而前者是光的调和。



显示器就是通过组合这三元色来显示上亿种颜色的,计算机内的图像资料也大多是用三原色的方式储存的。分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除,右眼画面中的红色去除,再将处理过的这两套画面叠合起来,但不完全重叠,左眼画面要稍微偏左边一些,这样就完成了第一次过滤。第二次过滤是观众带上专用的滤色眼镜,眼镜的左边镜片为红色,右边的镜片是蓝色或绿色,由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息,因此右边的镜片不管是蓝色还是绿色都是一样的。



分光技术


常见的光源都会随机发出自然光和偏振光,分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光,让0度的偏振光只进入右眼,90度的偏振光只进入左眼(也可用45度和135度的偏振光搭配)。两种偏振光分别搭载着两套画面,观众须带上专用的偏光眼镜,眼镜的两片镜片由偏光滤镜或偏光片制成,分别可以让0度和90度的偏振光通过,这样就完成了第二次过滤。目前,分光技术的应用还主要停留在投影机上,早期必须使用双投影机加偏振光滤镜的方案,现在已经可以用单投影机来实现,不过都必须配合不破坏偏振光的金属投影幕才能使用。



分时技术


分时技术是将两套画面在不同的时间播放,显示器在第一次刷新时播放左眼画面,同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼,下一次刷新时播放右眼画面,并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换,在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。目前,用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板,因此也被称为液晶快门眼镜,早期曾用过机械眼镜。




光栅技术


光栅技术和前三种差别较大,它是将屏幕划分成一条条垂方向上的栅条,栅条交错显示左眼和右眼的画面,如1、3、5…显示左眼画面,2、4、6…显示右眼画面。然后在屏幕和观众之间设一层“视差障碍”,它也是由垂直方向上的栅条组成的,对于液晶这类有背光结构的显示器来说,视察障碍也可设在背光板和液晶板之间。



视察障碍的作用是阻挡视线,如图,它遮住了两眼视线交点以外的部分,使左眼看到的栅条右眼看不到,右眼看到的左眼又看不到。不过,如果观看者的位置改变的话,那么视差障碍位置也要随之改变。为了方便移动视差障碍,小型光栅显示器都是采用液晶板来作为视差障碍的,而检测观看者位置的方法主要有两种,一种是在观看者头上戴一个定位设备,另一种是用两个摄像头像人眼一样的定位。




四种主流立体显示技术的优缺点


应用范围方面

这4种技术可应用的范围还是比较广的,值得一提的就是分时技术还不能应用于液晶显示器,主要是因为液晶显示器的响应时间太长,响应特性也非常怪异。


舒适性方面

前三种技术使用时必须要配戴专用的眼镜,好在观看的位置不限;光栅技术虽然不需要配戴眼镜,但有一部分产品要在头上配戴定位设备,同时观众必须在特定的范围内才能正常观看。


画面质量方面

4种技术普遍存在亮度损失的问题,分色技术使用颜色较深的滤色镜,亮度损失理所当然,同时它还会损失一部分颜色信息,另外显示彩色画面时,如果镜片颜色不够深,很可能导致滤色不彻底,会影响观看效果;分光技术要用到偏光片,它会吸收特定角度偏振光以外的所有光,亮度损失很严重;分时技术虽然在任意一个时刻只有一只眼睛能看到光线,但由于人眼的视觉暂留特性,所以这并不是它损失亮度的主要原因,之所以损失亮度,是因为液晶快门眼镜中也包含偏光片,所以它和分光技术是一样的;至于光栅技术,视差障碍使每只眼睛只能接收到原来一半的光线,因此亮度损失一半,同时水平分辨率也只有原来的一半。


保护视力方面

首先,分光和光栅两种技术对视力是没有损害的,另外两种技术中,分色技术是无药可救的,因为观看时,双眼接收到的颜色信息严重不平衡,虽然大脑可以将它们完美的组合在一起,但是会造成视神经疲劳,不能长时间使用。分时技术必须配合CRT这类的低响应时间的显示器才能使用,CRT一个显著的特点是瞬间发光,必须以非常高的频率重复的扫描,然后在人眼视觉暂留特性的作用下才能呈现连续的画面,为了使画面足够稳定并且不会对视力造成损害,刷新频应该达到85赫兹,普通显示器都可以达到这个指标,但使用分时技术后就不同了,由于单位时间内只有一只眼睛能看到画面,原来的85赫兹现在变成了42.5赫兹,如果还要保护视力的话,显示器的刷新率就要设置为170赫兹了。但是显示器的性能有限,很多显示器即使在最低的分辨率下也只能达到120赫兹,实际只相当于60赫兹,在这样的刷新率下人眼就很容易疲劳了。即使显示器支持170赫兹的高刷新率,液晶快门眼镜也大多不支持。需要注意,这个缺点只是针对CRT而言,如果换用非瞬间发光的显示器就不存在这个问题了,但绝大部分的液晶快门眼镜都是为CRT优化的,可能会不适应其它显示器的响应时间和响应特性。


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。



它利用在液晶的最表层添加了数组透镜,而在这层凸透镜数组上形成影像。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。缺点是如果观看液晶的角度不同,因为Barrier的效果减弱,而无法看到三维效果,而且多焦点影像极易造成眼睛疲劳。



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影像灰色度两者的差分,再与一定峰值比较藉此获得二值化(0与1的数字元元化)的影像,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,通常利用肌理描绘(texture)作补正,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



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



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。当影像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侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层,反射同时光线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,达到观视者眼睛。



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影视系统的出现就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,它利用头盔将人的对外界的视觉、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。


众所知视觉影像的解析度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,水平解析度500条以上的画质效果。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倍之技术,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,也就是说各移位的像素都能够正确显示在该当位置,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。OSR是由2片偏光控制元件与3片复折射板所构成。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,再同步配合像素移位置显示影像利用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)的速度为一周期。之后一边监控LCD的实时一边倍速驱动LCD,同时与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。另外由于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。



第一种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需不改变。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。


第三种是120Hz3D成像投影技术:目前在液晶显示器领域非常受欢迎。这项技术的主要技术在眼镜上,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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制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 
《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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1、一文读懂MEMS传感器

2、一文读懂接近传感器

3、一文读懂磁传感器

4、一文读懂流量传感器

5一文读懂压力传感器的原理及分类

6、一文读懂加速度传感器

7一文读懂超声波传感器

8一文读懂位移传感器

9、一文读懂光电传感器

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40MEMS传感器市场状况及主要厂商

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