立體顯示原理

1     概 述
2     技術(shù)原理
2.1分類

主動立體系統(tǒng)

被動立體系統(tǒng)

光譜分割立體顯示系統(tǒng)

2.2 不同立體顯示方法對比表

1         概 述

人們對視覺聽覺的追求總是趨向于真實再現(xiàn)，二維畫面對一般顯示應(yīng)用而言可以很好的表達所需的中心思想，但在一些特定行業(yè)和領(lǐng)域，以及追求感官震撼的娛樂場所等地方，平面圖像就完全無用武之地，所以三維立體投影成為這些領(lǐng)域的必備系統(tǒng)。需要立體投影應(yīng)用的環(huán)境通常包括：航天/航海/汽車等行業(yè)的模擬系統(tǒng)，地質(zhì)探測，藥品，建筑，工程，制造，博物館，科研機構(gòu)，影院，娛樂等等。以往并不常見的3D顯示方案演示，今年則逐漸開始了熱起來的趨勢。 3D立體或沉浸環(huán)境影像的應(yīng)用從高端到民用，應(yīng)用可以說無處不在。高端包括為工業(yè)及研究機構(gòu)提供的基于虛擬現(xiàn)實、模擬防真技術(shù)的可視化解決方案，我們?nèi)粘？山佑|到的包括如科普場館等寓教于樂的三維立體顯示。

成像技術(shù)不斷發(fā)展，像素越來越高，我們能夠在更大的屏幕上看到更清晰明亮、色彩豐富、的視頻和圖形，但它們始終有一個限制，即它們是二維的。我們眼睛所看到的真實世界不只是簡單的平面圖像，而是具有景深的立體3維，這種感知3維的能力是視網(wǎng)膜不一致（或稱為左右眼看一個物體位置的輕微偏移）的一個副功能。因此如果要設(shè)計一個立體投影系統(tǒng)，它必須要模擬人類在觀看物體時視網(wǎng)膜成像的這種視差。這種感覺暗示我們，看到的就是真實的（或幾乎是真實的），而不是平面的2維的。

由于人眼有4的距離，所以實際上我們看物體時兩只眼睛中的圖像是有差別的。兩幅不同的圖像輸送到大腦后，我們看到的是有景深的圖像。只要符合常規(guī)的觀察角度，即產(chǎn)生合適的圖像偏移，形成立體圖像并不困難，這就是計算機和投影系統(tǒng)的立體成像原理。依據(jù)這個原理，結(jié)合不同的技術(shù)水平有不同的立體技術(shù)手段。從計算機和投影系統(tǒng)角度看，根本問題是圖像的顯示刷新率問題，即立體帶寬指標問題。如果立體帶寬足夠，任何計算機、顯示器和投影機顯示立體圖像都沒有問題。

    投影顯示系統(tǒng)可以分為三類：

·        主動顯示系統(tǒng)

·        被動顯示系統(tǒng)

      光譜分割立體顯示系統(tǒng)

主動立體投影系統(tǒng)的構(gòu)成：

·       主動立體眼鏡 - 兩個交替開關(guān)的LCD鏡片

·       同步信號紅外發(fā)射器

·       正常工作時需要投影機的輸出刷新頻率范圍為96-144Hz(左右眼交替顯示)

·       高分辨率高刷新率信號源

·       標準屏幕

用一臺輸出刷新頻率范圍為96-144Hz的投影機將左右眼畫面交替顯示，實際畫面的刷新頻率為48-72Hz普通銀幕，配置外部同步裝置和主動立體眼鏡，靠同步切換主動立體眼鏡來實現(xiàn)左、右眼的影像分離，立體效果很好。但是帶來的問題之一就是立體眼鏡的頻繁開關(guān)閃爍帶來眼睛的不適。

主動立體投影的光損很大，投影機輸出光線的利用率一定低于16%，因為：投影機做立體圖象顯示時，輸出的左右圖像的實際亮度為標稱立體亮度值（投影機說明書標稱）的45%（理想值為50%），光線通過液晶立體眼鏡片后亮度至少要減少65%，因此剩余的亮度為45%*35% < 16%）。 如果亮度因素特別重要，用低亮度的投影機做主動立體顯示時效果不能令人滿意，例如亮度為4000流明的投影機，實際主動立體亮度只有為640流明。加之眼鏡成本比較高，因此這種顯示技術(shù)比較適合中等或中等以下的放映廳使用。

被動立體投影是基于偏振光原理的投影方式，其原理如下：根據(jù)光的波動學說，普通光的振動是全方位的。只有一個振動方向的光叫做偏振光。用特殊材料制成的偏振光透鏡，相當于一個由一組平行的細長縫組成的光柵。這個光柵只允許振動方向與細縫一致的偏振光通過。其他振動方向的偏振光則不能通過。用振動方向相互垂直的兩束偏振光把兩幅圖像投射到銀幕上，再用透光方向相互垂直的兩個偏振光透鏡觀看，兩只眼睛就會看到不同的圖像，左眼只看到左邊的圖像，右眼看到右邊的圖像，從而得到立體影象。

單通道的被動立體顯示系統(tǒng)構(gòu)成：

·       片源：被動立體片源；

·       兩臺投影機：兩臺投影機分別對應(yīng)左右眼的圖象；

·       兩片偏振片：將兩臺投影機的極化方向與立體眼鏡對應(yīng)的鏡片一致；

·       要求使用高增益金屬屏幕；

被動立體眼鏡 - 左右眼鏡片采用不同的極化方向。

    偏振眼鏡的原理：光線傳播時，垂直傳播方向的360度都有光波震蕩傳輸。光的偏振實際上是利用某一特定方向的光波進行顯示的原理。 以前的線性偏振的原理是偏振片方向不動，光只能以固定的角度傳輸，此方法的缺點是頭部不能偏移，因此現(xiàn)在已被淘汰。

圓周偏振技術(shù)的原理是光的偏振方向可旋轉(zhuǎn)變化，左右眼看到的光線的旋轉(zhuǎn)方向相反?；趫A周偏振技術(shù)，觀察者的頭部可以自由活動，因為光線的方向變化不影響顯示。

所以現(xiàn)在的被動立體顯示中通常選用基于圓周偏振技術(shù)的偏振眼鏡作為檢偏器。

基于偏振原理的立體投影技術(shù)對屏幕的要求：

立體投影除了對屏幕的偏振性要求很高外，對屏幕的增益也提出了要求。立體投影過程中存在著嚴重的光損問題，由于技術(shù)的不同，光損程度從立體投影除了屏幕的偏振性要求很高外，屏幕的增益也提出了要求。立體投影程中存在著重的光，由于技的不同，光程度從50%到80%不等。說到高增益，很多人很自然的就想到了金屬幕。雖然金屬幕的增益達到了立體投影的需求，但是金屬幕本身存在著嚴重的太陽效應(yīng)和金屬眩光問題，這也會嚴重影響立體投影的顯示效果，無法達到滿意的效果。所以在選擇投影幕的時候要注意全面考慮幕的尺寸，弧度，增益以及視角等指標。

光譜分離立體成像技術(shù)是目前世界上最先進的立體投影顯示技術(shù)，完美的分離, 獨特的，舒適的，輕松的立體解決方案,特別是在被動式多通道立體投影顯示系統(tǒng)或被動式背投影立體顯示系統(tǒng)中，該技術(shù)的作用和價值尤為特出。

光譜分割立體顯示系統(tǒng)利用光譜分割方法將左、右眼影像分離開，可以使用普通銀幕，配置專用眼鏡，成本不高，因此比較適合于銀幕較大的放映廳使用。

光譜分離立體成像技術(shù)這些先進的技術(shù)特性解決了目前多通道立體投影顯示領(lǐng)域兩個非常棘手的技術(shù)難題：一是基于偏振立體成像技術(shù)的通道間圖像之間存在的亮度和色彩差異；而且圖像的顯示質(zhì)量、立體感和人的舒適性也得到空前的提高。光譜分離立體成像技術(shù)與傳統(tǒng)的偏振立體成像技術(shù)最大的區(qū)別在于它采用光譜分離的方法實現(xiàn)左右眼立體像的高度分離，根據(jù)不同色光的波長不同將圖像進行分離，沒有任何的信號轉(zhuǎn)換處理過程，因此也被稱為被動立體成像。信號源本身未經(jīng)過處理，也就不存在信號不同步問題。它不依賴于具有高增益指數(shù)的金屬投影屏幕，在漫反射的普通幕布上即可實現(xiàn)立體成像，而經(jīng)漫反射幕反射后的光線方向是雜亂無章的，整個屏幕的光線反射不具有固定的方向性，這樣就和漫反射投影顯示系統(tǒng)一樣，無論觀察者的視點為屏幕前的任何位置，均不會出現(xiàn)通道間圖像的亮度和色彩差異。也因此可以避免主動立體成像技術(shù)中因屏幕太大或多通道系統(tǒng)存在的“太陽效應(yīng)”問題。

光譜分離光學過濾器還可將傳統(tǒng)的主動立體信號轉(zhuǎn)換成同樣刷新率的、感覺更舒適的光譜立體圖像輸出，觀眾通過使用光譜分離立體眼鏡可舒適地享受高質(zhì)量的立體圖像效果。