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重現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的三維世界，實(shí)現(xiàn)類似于《阿凡達(dá)》電影所展示的全息顯示，是人類長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。如果能采集并投射出全光函數(shù)中7個(gè)維度的光線，將能使環(huán)境中所有人同時(shí)獲得身臨其境的全息視覺(jué)體驗(yàn)。光場(chǎng)作為理想的3D顯示技術(shù)與傳統(tǒng)2D顯示有著明顯的區(qū)別：傳統(tǒng)的2D顯示器只能提供仿射、遮擋、光照陰影、紋理、先驗(yàn)知識(shí)五方面心理視覺(jué)信息。光場(chǎng)顯示除了能產(chǎn)生傳統(tǒng)2D顯示器的所有信息外，還能提供雙目視差、移動(dòng)視差、聚焦模糊三方面的生理視覺(jué)信息。在光場(chǎng)顯示技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了多種光場(chǎng)顯示技術(shù)方案，引起廣泛關(guān)注和研究的主要有五種技術(shù)：（1）體三維顯示（Volumetric 3D Display）；（2）多視投影陣列（Multi-view Projector Array）；（3）集成成像（Integral Imaging）；（4）數(shù)字全息；（5）多層液晶張量顯示。關(guān)于三維顯示的詳細(xì)發(fā)展歷史及其應(yīng)用可以參見(jiàn)[1-11]。  一 體三維顯示  Langhans 從90年代開始研發(fā)體三維顯示，并陸續(xù)推出了名為“Felix”的體三維顯示樣機(jī)。Langhans 在1996年發(fā)表了基于激光掃描的體三維顯示技術(shù)[15]，在1998年將體積進(jìn)一步縮小形成便攜式的體三維顯示[16]，后于2002年實(shí)現(xiàn)了可交互的體三維顯示[17]。  美國(guó)南加州大學(xué)Andrew Jones于2007年研制了360°體顯示系統(tǒng)[18]，如圖4所示。該系統(tǒng)通過(guò)高速投影儀將圖像投到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的反射鏡上。當(dāng)鏡子旋轉(zhuǎn)到不同的位置，投影儀投出對(duì)應(yīng)視點(diǎn)的圖像，從而實(shí)現(xiàn)360°環(huán)視光場(chǎng)顯示。Jones在2009年進(jìn)一步將人臉實(shí)時(shí)重建技術(shù)加入到光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程裸眼3D視頻會(huì)議[19]。  體三維顯示技術(shù)在我國(guó)起步較晚，中科院自動(dòng)化研究所于2007研制出基于DMD高速投影儀的體三維顯示系統(tǒng)Helix[20]，如圖5所示，其視點(diǎn)分辨率為1024*768*170，每個(gè)體素的大小為0.23*0.23*1mm3，對(duì)比度為800:1，3D圖像的亮度為100Lux，3D圖像刷新率為15fps。實(shí)現(xiàn)體三維顯示的核心思路是分時(shí)復(fù)用地在空間中投射不同的圖像，犧牲反射場(chǎng)函數(shù)中時(shí)間t維度換取深度z維度，這就要求投影儀具有非常高的顯示幀率。該系統(tǒng)投影170層圖像并保持15fps的刷新率，則要求投影儀每秒投影2550幅圖像。為了達(dá)到如此高的幀率，投影儀只能工作在單色模式下。  體三維顯示技術(shù)原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了有限的空間內(nèi)反射場(chǎng)函數(shù)中的5個(gè)維度(x, y, z, λ, t)，但體三維顯示技術(shù)存在多方面缺陷：1）體三維顯示技術(shù)的顯示器件不是一個(gè)平面，而是一個(gè)立體空間，因此占地面積大。2）螺旋面的成型精度要求高，因此加工成本高，不利于量產(chǎn)化。3）單位時(shí)間內(nèi)形成的體素?cái)?shù)量有限，視點(diǎn)分辨率有限。4）體三維顯示系統(tǒng)需要加入旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，投影與運(yùn)動(dòng)同步控制困難。 二 多視投影陣列光場(chǎng)顯示   南加州大學(xué)Graphic Lab在2014年提出了一種具有垂直視差的投影儀陣列光場(chǎng)顯示方案[27]，如圖8所示。所提出的方案通過(guò)人眼跟蹤來(lái)判斷人眼相對(duì)于屏幕的高低位置，并根據(jù)人眼位置實(shí)時(shí)渲染對(duì)應(yīng)視點(diǎn)圖像。該技術(shù)沿用水平排列的投影儀陣列同時(shí)獲得了水平視差和垂直視差，但是當(dāng)同一水平位置上出現(xiàn)高度不同的兩個(gè)（及以上）觀眾時(shí)，只有其中一個(gè)觀眾能觀看到正確視點(diǎn)圖像。  南加州大學(xué)Graphic Lab于2016年提出了與真人1:1的多視投影光場(chǎng)顯示系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)話，如圖9所示，該系統(tǒng)包括216個(gè)投影儀、6臺(tái)PC主機(jī)。  之前外界猜測(cè)Magic Leap可能使用的光纖掃描投影技術(shù)，其實(shí)就是基于投影陣列的光場(chǎng)顯示。如果投影儀真的能做到1毫米直徑，那么Magic Leap的光場(chǎng)顯示方案是可行的。但最新上市的Magic Leap One并沒(méi)有采用這種方案，顯然是投影儀的微型化還不能在工程上大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。 三 集成成像光場(chǎng)顯示  柱面透鏡光柵的主要作用是將不同像素的光線投射到不同的方向。如圖11所示，柱面透鏡下所覆蓋的8個(gè)像素分別產(chǎn)生不同的顏色，從而向不同方向投射出不同顏色的光線。然而單個(gè)柱面透鏡的寬度一般并不等于整數(shù)個(gè)像素的寬度，因此會(huì)存在某個(gè)像素橫跨兩個(gè)柱面透鏡的情況，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生光線串?dāng)_。在商業(yè)化的產(chǎn)品中普遍采用的技術(shù)方案為：將柱面透鏡光柵相對(duì)屏幕傾斜，然后通過(guò)軟件算法來(lái)減輕光線的串?dāng)_。  圖 11. 柱面透鏡光柵光學(xué)特性示意圖基于柱面透鏡光柵的光場(chǎng)顯示存在一個(gè)明顯的缺陷：視點(diǎn)圖像分辨率損失嚴(yán)重。柱面透鏡光柵的尺寸由LPI（Lens Per Inch）決定。當(dāng)LPI較大時(shí)，每個(gè)柱面透鏡覆蓋的像素就越少，從而產(chǎn)生的視點(diǎn)數(shù)量較少，在觀看時(shí)會(huì)產(chǎn)生視點(diǎn)不連續(xù)的情況。當(dāng)LPI較小時(shí)，每個(gè)柱面透鏡覆蓋的像素就越多，產(chǎn)生的視點(diǎn)數(shù)量也較多，但每個(gè)視點(diǎn)的圖像分辨率損失嚴(yán)重。由于整體可控的像素?cái)?shù)量是一定的，當(dāng)柱面透鏡覆蓋更多的像素時(shí)，單個(gè)視點(diǎn)的圖像分辨率損失嚴(yán)重。例如采用4K顯示屏（4096x2160），一般商業(yè)化的裸眼3D顯示器在水平方向產(chǎn)生16（或32）個(gè)視點(diǎn)，則每個(gè)視點(diǎn)的分辨率降低到256x2160。雖然存在分辨率損失的問(wèn)題，但基于柱面透鏡光柵的光場(chǎng)顯示方案成本低廉，成為了目前唯一大面積商業(yè)化應(yīng)用的裸眼3D顯示方案。而且顯示器面板的分辨率正在逐步提高，視點(diǎn)圖像分辨率損失的問(wèn)題將會(huì)逐步得到解決。 四 全息顯示 五 多層液晶張量光場(chǎng)顯示 5.1 液晶工作原理 5.2 多層液晶偏振特性 由上述分析可知，直接將多層液晶顯示面板平行堆疊起來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)顯示。為了使得多層液晶能夠按照光場(chǎng)4D模型來(lái)工作，需要重新排列偏振膜。有兩種偏振片排列方式，分別稱之為乘法模型和加法模型。乘法模型的偏振片排列方式如圖16所示，如果有N層液晶則需要（N+1）塊偏振片，在任意兩塊偏振片之間放入一塊液晶，且任意兩塊相鄰的偏振片的偏振極性互相垂直。圖16中P1偏振片為正45度偏振極性，對(duì)背光進(jìn)行起偏，所以進(jìn)入LCD#1的為正45度偏振光。P2偏振片為負(fù)45度偏振極性，對(duì)LCD#1的偏振光進(jìn)行阻偏，從而調(diào)節(jié)從LCD#1出來(lái)的光線的亮度，同時(shí)保證進(jìn)入LCD#2的光線都為負(fù)45度偏振極性。同理，P3偏振片為正45度偏振極性，對(duì)LCD#2的偏振光進(jìn)行阻偏，從而調(diào)節(jié)從LCD#2出來(lái)的光線的亮度，同時(shí)保證進(jìn)入LCD#3的光線都為正45度偏振極。以此類推，每一層液晶都對(duì)進(jìn)入的光線起到了亮度調(diào)制的功能，從而實(shí)現(xiàn)了多層液晶聯(lián)合調(diào)制光線。光線從背光板發(fā)出穿過(guò)多層液晶，每穿過(guò)一層液晶，液晶就會(huì)對(duì)上一層液晶的偏振光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，且上一層液晶的偏振角度不會(huì)累加到當(dāng)前層液晶的偏轉(zhuǎn)，所以調(diào)制關(guān)系為乘法運(yùn)算，可表示為式(1)。當(dāng)然，我們也可以將乘法運(yùn)算通過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算，如式(2)。 加法模型的偏振片排列方式如圖17所示，如果有N層液晶，不論N為多少，則都只需要兩塊偏振片，分別位于第一層液晶的起偏位置和第N層液晶的阻偏位置，且兩塊偏振片的偏振極性互相垂直。圖17中P1偏振片為正45度偏振極性，對(duì)背光進(jìn)行起偏，所以進(jìn)入LCD#1的為正45度偏振光。LCD#1對(duì)進(jìn)入的光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入LCD#2。LCD#2在LCD#1偏轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的光線進(jìn)入LCD#3。同理，LCD#3在LCD#1和LCD#2偏轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。P2 偏振片為負(fù)45度偏振極性，對(duì)經(jīng)過(guò)LCD#3偏轉(zhuǎn)后的光線進(jìn)行阻偏，從而調(diào)制光線亮度。光線從背光板發(fā)出穿過(guò)多層液晶，每穿過(guò)一層液晶，液晶就會(huì)對(duì)上一層液晶的偏振光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，且上一層液晶的偏振角度會(huì)累加到當(dāng)前層液晶的偏轉(zhuǎn)，最后進(jìn)入人眼的光線亮度由多層液晶偏振角度之和來(lái)決定，所以多層液晶的調(diào)制關(guān)系為加法運(yùn)算，可表示為式(3)。 l = [a, b, c] = a+b+c （3） 其中，a, b, c分別為目標(biāo)光線與LCD#1，LCD#2和LCD#3交點(diǎn)上的像素值；為多層液晶聯(lián)合調(diào)制后光線的亮度。 產(chǎn)生各向異性的光線是光場(chǎng)顯示的關(guān)鍵。將傳統(tǒng)的液晶顯示器多層堆疊起來(lái)可以構(gòu)造如圖19中光場(chǎng)4D模型，待顯示的物體向各個(gè)方向發(fā)出的光線都可以被多層液晶重現(xiàn)，從而確保多層液晶前不同位置的觀眾可以接收到不同的光線，不同位置的觀眾可以看見(jiàn)三維物體的不同側(cè)面。 如圖20所示，假設(shè)背光是均勻的，所有從背光發(fā)出并達(dá)到第一層液晶的光線的亮度一致，多層液晶上不同像素的連線就形成了一條不同亮度和顏色的光線。通過(guò)不同像素的組合，多層液晶可以在一定空間范圍內(nèi)的任意位置重建出發(fā)光點(diǎn)，例如多層液晶之間的點(diǎn)F、多層液晶之后的點(diǎn)G、多層液晶之前的點(diǎn)H，且重建的發(fā)光點(diǎn)可以發(fā)出各向異性的光線。 圖20中F點(diǎn)的光線、G點(diǎn)的光線和分別由三層液晶上的不同像素組合產(chǎn)生，表示為式(4)。類似的，其他光線也可以由多層液晶上像素的聯(lián)合調(diào)制產(chǎn)生。為了實(shí)現(xiàn)光線的快速調(diào)制，曹煊于2015年開發(fā)了基于GPU的并行光場(chǎng)分解算法[45,46]]。 張量光場(chǎng)顯示本質(zhì)上是利用多層液晶進(jìn)行空間復(fù)用，形成空間光調(diào)制器。該方案不會(huì)損失視點(diǎn)圖像分辨率，但存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：液晶和偏振膜的透光率較低，當(dāng)背光穿過(guò)多層液晶后光強(qiáng)損失嚴(yán)重；因此基于多層液晶的光場(chǎng)顯示往往亮度比較低。液晶層數(shù)越多，光場(chǎng)顯示亮度損失越嚴(yán)重。 [1] S. Pastoor and M. W?pking, “3-D displays: a review of current technologies,” Displays 17, 100–110 (1997).[2] J. Hong, Y. Kim, H.-J. Choi, J. Hahn, J.-H. Park, H. Kim, S.-W. Min, N. Chen, and B. Lee, “Three-dimensional display technologies of recent interest: principles, status, and issues [Invited],” Appl. Opt. 50, H87–H115 (2011).[3] N. S. Holliman, N. A. Dodgson, G. E. Favalora, and L. Pockett, “Threedimensional displays: a review and applications analysis,” IEEE Trans Broadcast. 57, 362–371 (2011).[4] J. Geng, “Volumetric 3D display for radiation therapy planning,” J. Disp. Technol. 4, 437–450 (2008)[5] B. Javidi and F. Okano, Three Dimensional Television, Video, and Display Technologies (Springer, 2011).[6] N. Dodgson, “Autostereoscopic 3D displays,” Computer 38(8), 31–36 (2005).[7] R. Hainich and O. Bimber, Displays: Fundamentals & Applications (Peters/CRC Press, 2011).[8] B. Lee, “Three-dimensional displays, past and present,” Phys. Today 66(4), 36–41 (2013).[9] H. Urey, K. V. Chellappan, E. Erden, and P. Surman, “State of the art in stereoscopic and autostereoscopic displays,” Proc. IEEE 99, 540–555 (2011).[10] J.-Y. Son, B. Javidi, S. Yano, and K.-H. Choi, “Recent developments in 3-D imaging technologies,” J. Disp. Technol. 6, 394–403 (2010). Advances in Optics and Photonics 5, 456–535 (2013)[11] J.-Y. Son, B. Javidi, and K.-D. Kwack, “Methods for displaying threedimensional images,” Proc. IEEE 94, 502–523 (2006).[12] B. Blundell and A. Schwarz, Volumetric Three Dimensional Display System (Wiley, 2000).[13] D. MacFarlane, “Volumetric three dimensional display,” Appl. Opt. 33, 7453–7457 (1994).[14] 耿征. 真三維高清晰度顯示技術(shù)—信息顯示領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2007, 25(20):21-26.[15] Langhans K, Gerken M. FELIX: a volumetric 3D laser display[J]. Proc Spie, 1996, 2650:265--273.[16] Langhans K, Bezecny D, Homann D, et al. New portable FELIX 3D display[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1998, 3296:204-216.[17] Langhans K, Bahr D, Bezecny D, et al. FELIX 3D display: an interactive tool for volumetric imaging[C]// Electronic Imaging. International Society for Optics and Photonics, Proceedings of SPIE 2002, 4660:176-190.[18] Jones A, Mcdowall I, Yamada H, et al. Rendering for an interactive 360° light field display[J]. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2007, 26(3):40.[19] Jones A, Lang M, Fyffe G, et al. Achieving eye contact in a one-to-many 3D video teleconferencing system[J]. Acm Transactions on Graphics, 2009, 28(3):1-8.[20] Geng J. A volumetric 3D display based on a DLP projection engine[J]. Displays, 2013, 34(1):39-48.[21] Xia X, Zheng Z, Liu X, et al. Omnidirectional-view three-dimensional display system based on cylindrical selective-diffusing screen[J]. Applied Optics, 2010, 49(26):4915-20.[22] Xia X, Wu J, Van C, et al. P-5: A New 360-degree Holo-views Display System with Multi-vertical Views[J]. Sid Symposium Digest of Technical Papers, 2012, 41(1):1241-1244.[23] Xia X, Liu X, Li H, et al. A 360-degree floating 3D display based on light field regeneration.[J]. Optics Express, 2013, 21(9):11237-47.[[24]] Song W, Zhu Q, Liu Y, et al. Omnidirectional-view three-dimensional display based on rotating selective-diffusing screen and multiple mini-projectors[J]. Applied Optics, 2015, 54(13):4154-4160.[25] Xing S, Liu S, Sang X. Multi-projector three-dimensional display for 3D Geographic Information System[J]. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2017.[26] Di Z, Sang X, Peng W, et al. Comparative Visual Tolerance to Vertical Disparity on 3D Projector Versus Lenticular Autostereoscopic TV[J]. Journal of Display Technology, 2016, 12(2):178-184.[27] Jones A V, Bolas M T. Interpolating vertical parallax for an autostereoscopic three-dimensional projector array[J]. Journal of Electronic Imaging, 2014, 23(1):011005.[28] Javidi B, Jang J S, Stern A, et al. Three dimensional image sensing, visualization and processing using integral imaging[J]. Proceedings of the IEEE, 2006, 94(3):591-607.[29] Okano F, Hoshino H, Arai J, et al. Real-time pickup method for a three-dimensional image based on integral photography[J]. Applied Optics, 1997, 36(7):1598-603.[30] Javidi B, Jang J S, Stern A, et al. Three dimensional image sensing, visualization and processing using integral imaging[J]. Proceedings of the IEEE, 2006, 94(3):591-607.[31] Lee B, Jung S, Min S W, et al. Three-dimensional display by use of integral photography with dynamically variable image planes[J]. Optics Letters, 2001, 26(19):1481-2.[32] Arai J, Okano F, Hoshino H, et al. Gradient-index lens-array method based on real-time integral photography for three-dimensional images[J]. Applied Optics, 1998, 37(11):2034-2045.[33] Okano F, Hoshino H, Arai J, et al. Real-time pickup method for a three-dimensional image based on integral photography[J]. Applied Optics, 1997, 36(7):1598-1603.[34] Naemura T, Yoshida T, Harashima H. 3-D computer graphics based on integral photography.[J]. Optics Express, 2001, 8(4):255-62.[35] Tao Y H, Wang Q H, Gu J, et al. Autostereoscopic three-dimensional projector based on two parallax barriers.[J]. Optics Letters, 2009, 34(20):3220.[36] Zhao W X, Wang Q H, Wang A H, et al. Autostereoscopic display based on two-layer lenticular lenses.[J]. Optics letters, 2010, 35(24):4127-4129.[37] 于迅博, 桑新柱, 陳鐸, et al. 3D display with uniform resolution and low crosstalk based on two parallax interleaved barriers[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(12):34-37.[38] Tay S, Blanche P A, Voorakaranam R, et al. An updatable holographic three-dimensional display[J]. Nature, 2008, 451(7179):694.[39] Blanche P A, Bablumian A, Voorakaranam R, et al. Holographic three-dimensional telepresence using large-area photorefractive polymer[J]. Nature, 2010, 468(7320):80.[40] Li X, Liu J, Jia J, et al. 3D dynamic holographic display by modulating complex amplitude experimentally[J]. Optics Express, 2013, 21(18):20577.[41] Xue G, Liu J, Li X, et al. Multiplexing encoding method for full-color dynamic 3D holographic display[J]. Optics Express, 2014, 22(15):18473.[42] Gao C, Liu J, Li X, et al. Accurate compressed look up table method for CGH in 3D holographic display[J]. Optics Express, 2015, 23(26):33194.[43] Wetzstein G, Lanman D, Hirsch M, et al. Tensor displays:compressive light field synthesis using multilayer displays with directional backlighting[J]. ACM Transactions on Graphics, 2012, 31(4):1-11.[44] http://lcd.zol.com.cn/575/5755898.html?keyfrom=front[45] Cao X, Geng Z, Zhang M, et al. Load-balancing multi-LCD light field display[C]. Proceedings of SPIE, The International Society for Optical Engineering, March 17,2015.[46] Cao X, Geng Z, Li T, et al. Accelerating decomposition of light field video for compressive multi-layer display[J]. Optics Express, 2015, 23(26):34007-34022. |
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