刘旭:空间三维是显示技术终极方向

浙江大学光电系长江特聘教授、国家现代光学仪器重点实验室主任 刘 旭

显示技术的发展经历了静态到动态图像显示，黑白到彩色显示，模拟到数字，低清晰度到高清电视的发展过程，目前又逐步从平板显示发展到视差立体显示，由于人类是天然的三维世界的感知者，因此显示技术的终极目标———真实空间三维显示一直是人们孜孜以求的目标。

视差型立体显示是当前广泛应用的三维显示技术，它通过特定分离方式使显示器显示的左、右视图分别提供给观众的左、右眼观察，利用人们的双眼视觉融像而产生立体感知。视差型立体显示分成两大类：一类人们需要借助于特殊眼镜(或其它器具)才能获得立体感知，主要有互补色、时序和偏振三种方式;另一类是裸眼即可观看的自体视立体显示。随着平板显示技术的发展，高分辨像素式显示器成为可能，出现了基于平板显示器LCD、PDP与光学视差生成元件斜排布的柱面镜阵列相结合的自体视立体显示器[1]，这种自体视显示可以实现裸眼有限视点数的立体三维显示。另外将LCD与可控线状LED照明技术相结合实现人眼跟踪的体视显示，也是当前单人视差立体显示的主要方向。应该指出的是视差型三维显示依靠双眼的视觉融像而产生立体感知，虽然能给观看者一种深度空间虚拟立体感，但它仅提供分立的视区和有限个数的视点，而且非自然的深度感的三维显示对这种靠大脑融像产生的立体显示而言都会导致观看者在长时间观看时出现头痛、恶心等反应。

因此如何建立完全与人们观看实际景物这样真实空间三维显示就成为未来显示的终极发展方向。全息显示与全景空间三维显示就是两种基本的真实空间三维显示技术。

全息三维显示利用全息图像对再现景物光波的振幅和位相信息的全记录的特点，能提供一种与观察原物时相同的三维视觉效果。因此全息三维显示需要一个极高分辨的信息存储媒介(高分辨的空间光调制器)，尤其是动态显示时更需要动态高分辨的空间光调制器。就目前技术而言，全息三维显示信息量之大，对空间光调制器，计算机的处理速度、存储容量和传输带宽的要求之高，都是软、硬件技术所无法实现的。但人们还在不断的研究与探索新的存储介质，2008年Tay[2]在Nature上发表的聚合物光折变薄膜可以实现秒级的全息记录与回放，使得动态全息显示成为可能。

全景空间三维显示是一种能够在一个真正具有宽度、高度和深度的真实三维空间内进行图像信息再现的技术，是近年来蓬勃兴起的一种新型显示技术，它能够使众多观看者以其习惯的观看方式同时观看到真实空间的三维景象，即从显示景物的3600各个侧面均可观看。全景空间三维显示有体三维显示与全景视角三维显示两大类。空间三维显示是通过适当方式来在一个三维显示空间内，利用可见辐射的产生、吸收或散射而形成体素;或者将要显示三维场景的各个侧面的图像准确地成像到相应的方位。就像是一个现实空间三维物体一样，在空间实现三维显示，不仅能自动满足几乎所有的生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同时、裸眼观察，无需任何助视仪器，符合人类在视觉观察及深度感知方面的自然生理习惯。

体三维显示是在三个可测量维度的显示空间中再现三维场景，位置各异的用户将看到与自身位置相对应的信息，可以围绕显示场景实现3600的全景观看，特别适合于需要进行三维科学分析、情境仿真和协同操控等团队任务的显示，但是它对各个显示点的发光光束的方向并未控制，因此不具有真实空间场景的空间遮拦特性。至今，国际上研制出样机的体三维显示系统主要有：1996年Downing[3]采用三对高功率红外激光二极束来激励掺杂了镨、铒和铥的氟化物玻璃，在小体积范围内实现了多色原型点阵三维显示。1996年德国基于螺旋屏加激光扫描的FELIX 3D[4]体三维显示;2002年美国Actuality Systems公司研究的Perspecta™ 3D系统利用高速DLP投影仪，将二维截面序列投射到一个快速旋转的散射屏上，利用视觉暂留而融合到空间三维图像[5]。2009年浙江大学基于LED高速寻址的体空间三维显示系统[6]，实现了直径800 mm、高度650 mm的圆柱状空间范围内三维场景再现，体素总数1.26亿，图像刷新率30 Hz。

图1 浙江大学研制的LED彩色体三维显示原理样机

全景视场空间显示是近几年出现的新型空间三维显示技术，顾名思义就是在全空间的各个方向形成再现物体相应方位的图像。这样三维显示的空间场景三维位置精度精确，同时很好再现空间景物的三维光场，具有空间遮拦效应。周围的观看者就可以像观看自然的三维景物一样裸眼看到空间三维景物的显示。要实现全景视场空间三维显示，不仅需要在三维空间位置上显示景物，而且需要控制这些三维位置上的显示的发光光场。

2008年美国南加州大学提出的高速投影系统的全景视场三维显示，采用9000帧/秒显示频率的DMD显示器配合全息扫描屏幕，实现全景视场三维显示[7]。2010年浙江大学在国家973计划的支持下采用TI discovery 4000DMD空间光调制器，32000帧/秒的帧频，配合定向反射与定向散射组合镜扫描，实现了高清晰彩色的全景视场空间显示[8]。2011年我们利用100台投影仪结合三维空间光场控制技术，研制出了国内首台无运动部件的全景视角空间三维显示样机，实现了全景视场具有空间消隐功能的3600可周视空间三维全景视场显示。

图2 浙大研制的扫描型彩色全景视场空间三维显示的福娃的各个侧面

图3 浙江大学研制的无运动全景彩色空间三维显示样机系统(图中插图为投影仪阵列)

空间三维显示技术还处于研究与发展阶段，大量的工作等待进行，如：空间三维图像的畸变矫正技术，三维显示空间的像素表征，在当前可具备的发光器与空间光调制器条件下，全彩色空间三维显示的实现，视频动态空间三维显示技术的实现，空间三维显示的数据获取技术，压缩与编解码技术等等都等待着我们的努力，特别是快速可控光源技术，光速方向性可控屏幕技术等等都对光电子技术与光学技术提出了极高的要求与挑战。

作为一种新型的三维再现技术，空间三维显示技术是显示技术的终极发展方向，该技术的研究将为医疗成像、科研教育、国防安全和广告资讯等领域提供一种全新的显示手段，甚至成为未来真三维电视提供最佳显示技术，是一种即将为人类广泛应用的新技术与新工具。可以预见，空间三维显示将是最早实现大空间尺度真三维显示的基本技术，并将为社会支柱产业的显示产业提供新的活力与新空间。