摘要：本文介绍了3D立体显示技术的起源及分类，然后对其在主动式与被动式成像原理领域的新突破进行介绍，又指出两种新的立体显示技术。
关键词：3D立体显示；主动式；被动式；全息三维空间；四维光场显示；突破
一、绪论
3D显示技术起源于19世纪初，摄影师利用两台并列放置的相机，模拟双眼的排列方式，拍下两张有细微差别的照片，再利用交叉视线法等技术来实现3D效果。
进入新世纪以来，由于3D显示能解决虚拟显示领域的视觉显示问题，给观察者身临其境的真实感觉，因而有了飞速的发展。无论是游戏行业、终端显示行业都投入到3D显示的研究开发中，各种显示设备被开发出来，3D立体显示技术成为下一代显示技术的重要研发方向。
二、3D显示技术的分类
经过多年的发展，3D显示技术种类已经多种多样。图像分离方法和获取方式不同，产生了不同的立体显示技术，广义上可分为眼镜式立体显示技术和裸眼式立体显示技术。
2.1眼镜式立体显示技术
眼镜式立体显示技术可以分为主动式显示技术和被动式显示技术，也可以分为色差式立体显示技术、偏光式立体显示技术和快门式立体显示技术。其中色差式和偏光式属于被动式显示技术，快门式属于主动式显示技术。
1）色差式立体显示技术
色差式立体显示技术是最早最初级的立体显示技术，也称为分色立体成像技术。原理是主要是利用绿光盘的分色作用和镜片的过滤作用，屏幕上面的光谱信息可以用绿光盘进行分色，镜片对图像光的过滤作用使每个镜片的颜色不一样，观察者在观察同一个物体时两个眼睛看到不一样的图像，经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合得到3D立体的效果。
这种眼镜由于装了不同颜色的滤光镜片，因此称作被动式色差立体眼睛，较为常见的主要有红-绿、红-蓝和红-青等。
2）偏光式立体显示技术
偏光式立体显示技术又称为光分式立体显示技术，原理是利用两台偏光角度相互垂直的投影机在一个屏幕上放两幅不同视角图像，屏幕上图像被分解后利用显示屏上的偏光片将其分为垂直方向和水平方向偏振光的图像，再利用不同偏振方向的左右眼镜观察图像，可得到同一个物体的不同视角的两幅图像，经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合后会得到3D立体的效果。
偏光式立体显示技术目前在商业影院及家庭影院等场合应用较多，其成像效果比色差式立体显示效果好，而且成本不高，在可控制的范围之内。
3）快门式立体显示技术
快门式立体技术又称为主动快门式立体显示技术，同前两种显示技术不一样，需要借助主动快门式设备相互配合才能实现3D效果。原理是将一帧图像拆分为两帧图像，每一帧图像分别对应着左眼和右眼，将两帧图像分别在屏幕上连续交替的显示，立体显示器发射的红外线信号控制着快门式眼镜镜片的开关，通过左眼与右眼的交替，在合适的时间看到合适的图像，左眼与右眼看到的是同一个物体在不同视角的两幅图像，经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合后会得到3D立体的效果。
播放画面时候保持一个高的刷新率，刷新频率应该最少在120HZ，也就是左眼与右眼的接收到在60HZ以上频率的图像，人眼视觉系统可以用积分效果对这些图像进行融合，能使观察者看到连续的、不闪烁的3D图像。这项技术由于具有立体感出众、全高清效果、不会损失亮度的优点，因而得到广泛的应用。
4）主动式与被动式的技术突破
通过上面对三种立体显示技术的介绍，我们对主动式与被动式立体成像技术有了初步认识，从结果看，虽然都能达到成像目的，主动式成像效果好，光损失小，性价比高，是以后研究的重点。
2.2裸眼式立体显示技术
随着3D技术的发展，裸眼式3D技术的产品越来越多，裸眼式3D技术利用人双眼的视差特性，不用辅助设备的情况下就可获得3D效果。最大特点是不用佩戴眼镜，广泛应用于商用公共显示领域。裸眼式立体显示技术主要有光屏障式立体显示技术、柱状透镜式立体显示技术和指向光源式立体显示技术。
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1）光屏障式立体显示技术
光屏障式立体显示技术也称为视差屏障式立体显示技术，这项技术的原理跟偏振式立体显示技术比较相似，但是不需要眼镜来实现3D立体效果。主要利用偏振膜、高分子液晶层和开关液压屏，使成像过程中出现细条纹，在3D模式下，用左眼看到图像时候，细条纹会挡住右眼的视线，保证右眼看不到左眼的图像。同理，在右眼看到图像时候，细条纹又会挡住左眼的视线，保证左眼看不到右眼的图像。经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合后会得到3D立体的效果。
虽然光屏障式立体显示技术在量产和成本方面具有优势，但是因为遮挡光线的原因，亮度会有损失，分辨率也会有一定程度的削弱，因此很难使得到全高清立体显示效果。
2）柱状透镜式立体显示技术
柱状透镜式立体显示技术又称为微柱透镜，这项技术的原理是在液晶屏表面上加一层垂直的圆柱状透镜，圆柱透镜会使平面跟柱状透镜的焦平面平行，这样就使每个柱状透镜的像素被分为很多像素，透镜可以向不同方向发射不同像素，这样观察者左眼和右眼看到的像素就是不一样的，左眼与右眼看到的图像就会不同，经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合后会得到3D立体的效果。
柱状透镜式立体显示技术的显示效果好，而且没有亮度损失，广泛应用与平面印刷与屏幕显示器等方面，但是成像原理的原因会导致分辨率下降，这个问题需要进一步的技术革新。
3）指向光源式立体显示技术
指向光源式立体显示技术原理是利用了两块LED背光源，在液面晶板驱动方式作用下，影像透过背光膜依次进入观察者的左眼和右眼，左侧背光灯亮时候，右眼接收到画面，右侧背光灯亮时，左眼接收到画面，通过互换影像的误差作用，左眼与右眼接收到的图像经过眼球调节后大脑对两幅图像进行综合后会得到3D立体的效果。
指向光源式立体显示技术可以获得出色的立体显示效果，使观察者得到真正的高清立体体验，这个技术还可以应用与移动设备，如手机、平板等。但是这项技术还处于初级研发阶段，到真正量产还有一段距离。
三、3D立体显示技术的突破
3D立体显示技术经过近些年的发展，在已有研究基础上陆续发展起来一系列的新技术，比较典型的有两种，即全息三维空间显示技术和四维光场显示技术。
3.1全息三维空间显示技术
全息三维空间显示技术中的“全息”就是三维物体表面的全部图像信息，全息技术的基础和核心就是全息摄影，全息摄影是用光的干涉得到物体的形状、大小、亮度等全息图像信息，然后再重现原来的三维立体图像。全息三维空间显示技术就是利用全息摄影将物体的全部信息保存下来，使观察者通过围绕成像介质的立体显示方式得到物体任意的侧面，图像的清晰度和逼真度达到较高的水平，优势明显，因此到目前为止，单色、宽视角、静态的全息三维显示技术已经系统产生。但是全息三维空间显示技术为了满足多个观察者的观察需求，所需要的全息图数量太大，对于实现高分辨率的彩色的全息三维空间图像来说难度太大。另外，全息显示每一帧都要经过包括傅里叶变化在内的复杂的运算，因此实时的全息三维图像显示很难达到，综合以上各种因素，全息三维空间显示技术还有很多路要走，面临诸多挑战。
3.2四维光场显示技术
四维光场显示技术是美国创业公司Magic Leap公司耗费巨资研究出来的新型3D立体显示技术。四维光场显示技术是通过技术处理让光线产生的3D图案跟我们在生活中用眼睛看到的物体一样，这项技术可以使人的眼睛能够自己调整3D场景的不同焦距深度，能够让虚拟的物体像现实中物体一样显示出来，使我们看到非常真实的图像，这就跟我们平常看到的3D场景不同了，具有灵活多变的特性。现在这项技术还在积极的研发实验当中，如果成功面世，人类的现实体验将会达到一个非常高的地步。
四、结束语
3D立体显示技术在视频成像领域的应用非常广泛，具有非常光明的前景，本文对3D立体显示技术的原理、分类以及研究情况进行了介绍，其偏光式立体显示技术在商业影院及家庭影院等场合都具有非常广泛的应用，Magic Leap公司的四维光场显示技术由于具有的令人震撼的视觉体验，在日后必将给人们带来视觉盛宴。
参考文献：
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[5]赵崇.交互控制的主动式与被动式立体显示系统的研究[D]2009.3
[6]基于双目立体视觉3D显示检测系统的研究[D]2016.1
论文作者:丁伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/6
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