立体显示的原理-几种显示方式

    人们对视觉听觉的追求总是趋向于真实再现，二维画面对一般显示应用而言可以很好的表达所需的中心思想，但在一些特定行业和领域，以及追求感官震撼的娱乐场所等地方，平面图像就完全无用武之地，所以三维立体投影成为这些领域的必备系统。需要立体投影应用的环境通常包括：航天/航海/汽车等行业的模拟系统，地质探测，药品，建筑，工程，制造，博物馆，科研机构，影院，娱乐等等。以往并不常见的3D显示方案演示，今年则逐渐开始了热起来的趋势。3D立体或沉浸环境影像的应用从高端到民用，应用可以说无处不在。高端包括为工业及研究机构提供的基于虚拟现实、模拟防真技术的可视化解决方案，我们日常可接触到的包括如科普场馆等寓教于乐的三维立体显示。

     成像技术不断发展，像素越来越高，我们能够在更大的屏幕上看到更清晰明亮、色彩丰富、的视频和图形，但它们始终有一个限制，即它们是二维的。我们眼睛所看到的真实世界不只是简单的平面图像，而是具有景深的立体3维，这种感知3维的能力是视网膜不一致（或称为左右眼看一个物体位置的轻微偏移）的一个副功能。因此如果要设计一个立体投影系统，它必须要模拟人类在观看物体时视网膜成像的这种视差。这种感觉暗示我们，看到的就是真实的（或几乎是真实的），而不是平面的2维的。


立体的技术原理 

由于人眼有4-6cm的距离，所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图像是有差别的。两幅不同的图像输送到大脑后，我们看到的是有景深的图像。只要符合常规的观察角度，即产生合适的图像偏移，形成立体图像并不困难，这就是计算机和投影系统的立体成像原理。依据这个原理，结合不同的技术水平有不同的立体技术手段。从计算机和投影系统角度看，根本问题是图像的显示刷新率问题，即立体带宽指标问题。如果立体带宽足够，任何计算机、显示器和投影机显示立体图像都没有问题。

投影显示系统可以分为三类：

主动显示系统

被动显示系统

光谱分割立体显示系统

1）主动立体系统

主动立体投影系统的构成：

1.主动立体眼镜 - 两个交替开关的LCD镜片

2.同步信号红外发射器

3.正常工作时需要投影机的输出刷新频率范围为96-144Hz(左右眼交替显示)

4.高分辨率高刷新率信号源

5.标准屏幕

    用一台输出刷新频率范围为96-144Hz的投影机将左右眼画面交替显示，实际画面的刷新频率为48-72Hz普通银幕，配置外部同步装置和主动立体眼镜，靠同步切换主动立体眼镜来实现左、右眼的影像分离，立体效果很好。但是带来的问题之一就是立体眼镜的频繁开关闪烁带来眼睛的不适。

    主动立体投影的光损很大，投影机输出光线的利用率一定低于16%，因为：投影机做立体图象显示时，输出的左右图像的实际亮度为标称立体亮度值（投影机说明书标称）的45%（理想值为50%），光线通过液晶立体眼镜片后亮度至少要减少65%，因此剩余的亮度为45%*35% < 16%）。 如果亮度因素特别重要，用低亮度的投影机做主动立体显示时效果不能令人满意，例如亮度为4000流明的投影机，实际主动立体亮度只有为640流明。加之眼镜成本比较高，因此这种显示技术比较适合中等或中等以下的放映厅使用。


2) 被动立体系统

     被动立体投影是基于偏振光原理的投影方式，其原理如下：根据光的波动学说，普通光的振动是全方位的。只有一个振动方向的光叫做偏振光。用特殊材料制成的偏振光透镜，相当于一个由一组平行的细长缝组成的光栅。这个光栅只允许振动方向与细缝一致的偏振光通过。其他振动方向的偏振光则不能通过。用振动方向相互垂直的两束偏振光把两幅图像投射到银幕上，再用透光方向相互垂直的两个偏振光透镜观看，两只眼睛就会看到不同的图像，左眼只看到左边的图像，右眼看到右边的图像，从而得到立体影象。

     基于以上的原理，在具体应用中是通过两个投影仪生成一组具有双目视差的图像，此两幅图像重叠地投影在同一块屏幕上。此时用人的肉眼观察屏幕，看到的是带有重影的三维实体。为了能够让人的左右眼分别看到立体图像组中的对应图像，采用偏振片作为启偏器和检偏器，使两个投影仪投出的光束经过偏振后偏振方向相互正交，经屏幕反射后由检偏器分别接收左右眼光束。检偏器是一组相互正交且分别与启偏偏振片偏振方向一致的偏振片，在观察立体图像时以眼镜的形式被观察者佩戴。光在传播中，经过2片极化方向相同的偏振镜片时，可以透光；在经过2片极化方向相反的偏振镜片时，就不能透光。我们将2台投影机叠加显示，镜头前方分别安装极化方向相反的偏振镜片；而偏振眼镜的镜片也同样是极化方向相反的。这样，我们的左右眼只能分别看到某一台投影机投射的画面。这样，我们的左右眼只能分别看到某一台投影机投射的画面。立体图像经过偏振眼镜检偏后分别投影在两个眼睛的视网膜上，使人的左右眼分别观察到两幅具有视差的图像。影像播放部分的处理是将左右眼不同的视角画面分别给到2台投影机中，这就是双机叠加的被动立体显示。


单通道的被动立体显示系统构成：

1.片源：被动立体片源；

2.两台投影机：两台投影机分别对应左右眼的图象；

3.两片偏振片：将两台投影机的极化方向与立体眼镜对应的镜片一致；

4.要求使用高增益金属屏幕；

5.被动立体眼镜 - 左右眼镜片采用不同的极化方向。


     偏振眼镜的原理：光线传播时，垂直传播方向的360度都有光波震荡传输。光的偏振实际上是利用某一特定方向的光波进行显示的原理。 以前的线性偏振的原理是偏振片方向不动，光只能以固定的角度传输，此方法的缺点是头部不能偏移，因此现在已被淘汰。 

      圆周偏振技术的原理是光的偏振方向可旋转变化，左右眼看到的光线的旋转方向相反。基于圆周偏振技术，观察者的头部可以自由活动，因为光线的方向变化不影响显示。所以现在的被动立体显示中通常选用基于圆周偏振技术的偏振眼镜作为检偏器。

   基于偏振原理的立体投影技术对屏幕的要求：

    立体投影除了对屏幕的偏振性要求很高外，对屏幕的增益也提出了要求。立体投影过程中存在着严重的光损问题，由于技术的不同，光损程度从立体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。立体投影程中存在着重的光，由于技术的不同，光程度从50%到80%不等。说到高增益，很多人很自然的就想到了金属幕。虽然金属幕的增益达到了立体投影的需求，但是金属幕本身存在着严重的太阳效应和金属眩光问题，这也会严重影响立体投影的显示效果，无法达到满意的效果。所以在选择投影幕的时候要注意全面考虑幕的尺寸，弧度，增益以及视角等指标。

3) 光谱分割立体显示系统        

    光谱分离立体成像技术是目前世界上最先进的立体投影显示技术，完美的分离, 独特的，舒适的，轻松的立体解决方案,特别是在被动式多通道立体投影显示系统或被动式背投影立体显示系统中，该技术的作用和价值尤为特出。

    光谱分割立体显示系统利用光谱分割方法将左、右眼影像分离开，可以使用普通银幕，配置专用眼镜，成本不高，因此比较适合于银幕较大的放映厅使用。

    光谱分离立体成像技术这些先进的技术特性解决了目前多通道立体投影显示领域两个非常棘手的技术难题：一是基于偏振立体成像技术的通道间图像之间存在的亮度和色彩差异；而且图像的显示质量、立体感和人的舒适性也得到空前的提高。光谱分离立体成像技术与传统的偏振立体成像技术最大的区别在于它采用光谱分离的方法实现左右眼立体像的高度分离，根据不同色光的波长不同将图像进行分离，没有任何的信号转换处理过程，因此也被称为被动立体成像。信号源本身未经过处理，也就不存在信号不同步问题。它不依赖于具有高增益指数的金属投影屏幕，在漫反射的普通幕布上即可实现立体成像，而经漫反射幕反射后的光线方向是杂乱无章的，整个屏幕的光线反射不具有固定的方向性，这样就和漫反射投影显示系统一样，无论观察者的视点为屏幕前的任何位置，均不会出现通道间图像的亮度和色彩差异。也因此可以避免主动立体成像技术中因屏幕太大或多通道系统存在的“太阳效应”问题。

    光谱分离光学过滤器还可将传统的主动立体信号转换成同样刷新率的、感觉更舒适的光谱立体图像输出，观众通过使用光谱分离立体眼镜可舒适地享受高质量的立体图像效果。