-
-
手机阅读
立体三维显示的临场感是使人具有“身临其境”逼真感之根本。为要逼真地模拟视觉功能，在很大程度上是依赖于立体三维显示技术的图像处理及理解能力，图像处理的质量愈高，图像处理的速度愈快，图像识别的能力愈强，系统的理解能力愈完善，系统的视觉临场感便愈佳。视觉是提高临场感的重要因素，但并非是唯一的因素。人们曾预言，听觉可能是立体三维显示技术中最先达到逼真程度的领域，触觉是一个刚起步研究与试验的领域，采用数据手套来提供触觉反馈信息。这种由微处理器和传感器构成的数据手套，与视觉、听觉相配合，极大地增强了立体三维显示系统的临场逼真感。而嗅觉与味觉还属于一个尚未实质性开展研究的领域。故提高立体三维显示系统的临场感，尚需进行大量艰苦的工作。
人们对记录和再现客观世界的立体三维图像显示向往已久，除雕塑外，这方面一直缺乏行之有效的手段。印刷术及照相术的问世使得视觉信息可借助价廉的大批量复制而广为传播，从而标志着一个崭新的信息时代的到来。但传统的图画及照片仅能显示出平面二维的图像。如何利用平面二维记录介质来产生出三维信息即立体三维图像，是现代科技的一个重要的研究课题。
光学式立体三维显示技术大致可分为非全息显示和全息显示两大类。图1示出其分类状况，本文将对其逐一加以扼要的介绍。
一、非全息显示
1、构成图像深度感的机理
人体生理学的研究表明，人眼对客观世界的深度感主要来自如下四种效应：
（1）调节效应
调节效应是指人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸来调节眼球晶状体的焦距。显然，即使用单眼观看物体时，这种调节效应也是存在的，故它属于一种单眼深度感心理暗示。但这种心理暗示只有在与双眼心理暗示共同配合下，且物体距人眼较近时才会起作用。
（2）会聚效应
会聚效应系指当用双眼观看物体上的一点时，两眼视轴所构成的角度称为会聚角。显然，当纤毛体肌肉的拉伸使眼球稍微转向内侧，以便对着一点观看时便能给出了一种深度感的心理暗示，这种双眼心理暗示便称为会聚效应。通常，调节效应与会聚效应相互关联，会聚效应亦仅在物距较近时才较为明显。
（3）双眼视差
人的双眼具有一定的空间距离，瞳孔间距约为6.5㎝，当双眼观看同一立体三维物体时，双眼是从略微不同的角度注视的，从而双眼视象会稍有差异，这种差异称为双眼视差。对于中等视距的物体，人们公认双眼视差信息是深度感最重要的心理暗示。当人眼观看物体上的一点时，从该点发出的光便聚焦于双眼视网膜的中心斑点。故可以说，一双眼内的两个中心斑点在视网膜上给出了“对应位置”，从而依据“对应位置”来确定会聚的大小。而来自注视点以外各点的光线并不总是聚焦在两视网膜的对应位置，这种效应称为双眼视差效应。现代发展起来的各种由平面二维图象产生出立体三维图象的技术也正是利用这一基本机理。
（4）单眼移动视差
当用单眼观看物体时，若眼睛位置不动，调节效应便是对深度感的唯一心理暗示，若允许观看位置移动的话，便可利用双眼视差这种效应从各个方向来观看物体，从而产生出深度感，这个效应便称为单眼移动视差。显然，单眼移动视差对静态物体就不起作用。
综上所述，人眼观看一个全息再现图象宛如观看一个实际的三维物体一样，上述四种效应全部同时存在，故人眼处于自然观看的状态。而人眼观看一个立体图象时，仅仅存在双眼视差这一效应。尽管它是对物体深度感至关重要的一种生理学上的心理暗示，但因不是全部的心理暗示而使人眼处于一种不十分自然的紧张状态。这种状态在短时间内观看静态的立体图象时并不明显，但当观看立体电视时，由于人眼长时间处于这种不十分自然的观看状态便会感到极不舒适及非常疲劳。
2、眼镜式立体三维图像
（1）互补色立体三维图像
当人们观看两个由互补色绘制成的体视对图像时，需配戴上一副为互补色镜片的眼镜，如左眼借助红色镜片观看到红色的图片，右眼通过蓝色的镜片观看到蓝色的图片。由于每只眼睛仅能观看到相应色彩的图片而观看不到另一个的图片，从而实现了双像的分离；双像在人的意识中的叠合则形成了立体感。该显示方法的显著优点是其简易性，对视场和景深并无严格的限制。但这种不同色像的观看与复合容易引起人眼的疲劳，而且还无法将其应用于彩色的图像。
（2）偏振式立体三维图像
1938
年，在纽约举行的世界博览会上，展示出首座大型立体电影院，其机理即为偏振式立体三维图像。该显示方法的基本思路是用正交偏振的两束光同时将一体视对图像投影至同一屏幕上，同时让观看者配戴上用一对正交偏振片制成的眼镜，即可实现双像的分离。这种显示方法可制成宽视域和大景深，成像质量优异，画面栩栩如生，且还可将其应用于彩色的图像，故在日后迅速发展的立体电视中得到了广泛的应用。迄今，它仍是实现大屏幕立体显示最具实用价值和最便于普及推广的一种立体三维显示技术。
（3）棱镜式立体三维图像
近年来，有人提出利用棱镜的色散作用实现立体三维彩色图像。其机理如图2所示。图2中R，B分别表示一幅彩色图像，R(Red)表示为红色图像，B(Blue)则表示为蓝色图像。左右双眼分别借助一枚棱镜观看物体时，因棱镜对蓝光的偏转角较对红光的大，故经棱镜折射后的表观位置分别移至R’和B’，即蓝色物象移至红色物像的前方，从而使图像产生出深度感；R’和B’的纵向距离则为物像的景深。显然，若将图2中两枚棱镜的方向反转，将楔角向外，则可使R’和B’移至其真实位置R和B的后部，而
B’位于R’
的后方，即与原棱镜方向相比，表观像发生了深度的反转。再进一步的话，亦可将每一枚棱镜换成一枚高折射率棱镜与另一方向倒转的低折射率棱镜相组合，从而实现随意调节物像的位置与深度之目的。
（4）光栅式立体三维图像
最近提出了另一种需配戴眼镜观看并可将彩色图像的色彩变化转为呈现深度变化的立体三维图像，称为光栅式立体三维图像。其基本机理如图3所示。图3（a）中OB为蓝色圆片，OR为圆片中心的一个红色圆斑。观看时左眼L和右眼R分别配戴镜片GL和GR。GL为透明相位光栅，GR为普通透光膜片。通过GR的右眼视像中OR和OB的位置仍然重合；但由于光栅对红光的色散角较对蓝光的大，通过GL的左眼视像中OR的像O’R已移至OB的像O’B的右方。这样，最终像的视觉效果等效于图3（b）的状况，即红色的物体相对于蓝色物体位置前移，从而产生出深度感。若用这种方法观看一幅红绿蓝三基色平面图片，则会观看到红色物体距离人眼最近、绿色物体居中、蓝色物体距人眼最远。该显示方法可应用于大屏幕（屏幕对角线1m以上）及景深较大的显示。但光栅通常具有多个折射级，虽可采用一些特殊的技术使某一级折射光光强达到最强，但其他级的折射光干扰通常不易被全部消除。
（a）蓝色和红色物体的真实及表观位置
GL—左眼镜片：光栅；GR—右眼镜片：中性衰减片
OB，OR—蓝色、红色物体真实位置及右眼视像；
O’B，O’R—蓝色、红色物体表观位置及左眼视像
（b）等效的观看状况
3.非眼镜式立体三维图像
（1）视差挡板式立体三维图像
视差挡板式立体三维图像的基本机理如图4所示。平面A上交替地排列着分为细条的左眼视像（白色部分）和右眼视像（黑色部分），在双眼L，R和平面A间置放一狭缝挡板B，使得左眼L仅能观看到左眼视像，右眼R仅能观看到右眼视像。记录图片A时可用单部相机法，亦可用多部相机法。单部相机法中或采用大孔径镜头（直径大于瞳距）一次曝光，或让相机在两次曝光间位置水平移动，上述两种工作方式中，照相底片前皆置放狭缝板。多部相机法中先用多部相机从不同的角度拍摄同一物体的视像，然后让其在相应的位置上同时将各自的视像投射至前面有狭缝板的照相底板上。后者还可发展成投影式显示屏。
尽管视差挡板式立体三维图像目前仍存在一些明显的缺陷，如挡板的使用会降低图像的亮度并产生衍射效应等，但有关该项技术的研究及改进仍一直在进行之中。最近日本Sanyo公司制成的4英寸、6英寸及10英寸液晶彩色立体电视中便采用了该项技术。
(2)微透镜阵列式立体三维图像
20世纪60年代后，利用微透镜阵列记录三维物体的空间像又重新倍受人们的重视。该显示方法亦称集成照相术（IP）。其记录方式如图5所示。图5中
O表示三维物体，A为蝇眼透镜屏，即在一块玻璃或塑料屏面上制出数量巨大（如一万个）的二维微凸透镜阵列。照相胶片置于A的后焦面上。可以看出，各微凸透镜分别从不同的角度将物体O成像于B平面上。假如将显影后的胶片B置于原位，并从B的右侧照射B，则原物位置O处将再现该物体的立体三维图像。
从图5可看出，即当人眼从左向右观看再现的物像O时，会观看到一个深度反转的图像，称为反视立体像(pseudoscopic
image)，它给人一种很不自然的感觉。这种缺陷可采用两步法照相术来解决。前苏联M.G.Valyus等人利用针孔屏替代蝇眼透镜屏的简化法，以及美国贝尔电话研究所的C.B.Burckhardt和E.D.Doherty利用珠面胶片作为透镜屏的试验等为集成照相术提供又一重大发展。微透镜屏在制造工艺上要求较高，其简化模型柱状透镜屏在20世纪60年代后得到了更为广泛的应用。
（3）柱状透镜屏式立体三维图像
柱状透镜屏式立体三维图像可视为微透镜阵列式立体三维图象的一种简化，即将微透镜阵列用一系列竖条形柱状透镜替代。这样虽影响了垂直视差，但制造工艺得到简化。该显示方法的基本机理如图6所示。图6中（a）表示拍摄过程，这里用两部相机拍摄物体不同角度的视像；图6(b)中，分别用两部放映机从不同角度将相应的图像投射至装有柱状透镜屏的感光屏上；图6(c)表示观看过程。显影后的图片置于原位。由于柱状透镜的折射作用，使得左、右眼分别仅能观看到A，B放映机的相应图像，从而产生出立体感。
20世纪60年代后，随着精密加工、塑料材料、照相及印刷工艺等技术的发展，使得柱状透镜屏式立体三维图像技术达到实用化程度。此种立体三维图像对屏面大小并无限制，画面明亮，观看简便，但对屏面与柱状透镜的配准位置要求较高，图像的清晰度亦受到柱状透镜屏密度的限制。
除偏振式立体三维图像外，柱状透镜屏式立体三维图像是目前非全息光学式立体三维显示中一种颇为有效的方法，近年来倍受众多研究者的重视，而且在立体电视等方面得到了广泛的应用。如1995年，日本Sanyo公司推出的40英寸立体三维投影系统便采用了经改进过的双柱镜屏技术，其机理如图7所示。投影机A和B分别将左、右眼视像投射至双柱镜屏上。由于双柱镜屏的作用，使得两种视像分别到达人的左眼L和右眼R。此种立体三维投影系统的图像达到颇为清晰及自然逼真的程度。
（4）自动式立体三维图像
自动式立体三维图像包括随机点（Random-dot）立体三维图像及计算机产生的立体三维图像，它是由众多在水平方向上重复周期稍有差异或视角略有变化的基元图像在该方向上重复排列而形成的。这种由水平方向的周期性产生深度感的现象称为“壁纸效应”(Wallpaper
effect)，即注视周期性排列的壁纸图案时会出现图像“沉入”或“浮出”纸面的感觉。20世纪60年代，B.Julesz等人据此制作了左、右眼分视的双图案随机点立体三维图像。20世纪70年代后，C.W.Tyler等人将其发展为双眼观看同一幅图案的立体三维图像，并称为“自动式立体三维图像”
(Autostereo image)。近年来在国内外颇为流行并被称为“画中画”和“魔画”等。
自动式立体三维图像作为一种艺术品绕有趣味。但它离不开水平方向重复排列的周期性背景，难以实现纯净无背景的立体三维图像画面。另外，注视这种画面直至产生出立体感的“响应时间”对不少人而言也显得相当长（可达数分钟或更长的时间），使其难以用于动态画面的显示。
二、全息显示
全息显示技术的问世给真正的立体三维电视带来了希望之光。全息电视与立体电视相比，其优越之处不仅仅在于立体三维图像更接近于物体自身，而且还要从人眼对物体深度感在生理上的心理暗示来加以考虑。
1、全息显示的基本机理
全息学（Holography）自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速的发展。其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位。由于全息再现象光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，故再现象与原物有着完全相同的三维特性。换句话说，人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包括各种位置视差，这即是全息三维显示的理论依据。从这种意义上来说，全息才是真正的三维图像，而上述的各种由体视对合成的图像充其量仅是准三维图像（并无垂直视差的感觉）。20世纪80年代后，激光全息技术的迅速发展，成为一种异军突起的高新技术产业。在激光全息技术中，全息显示技术由于更接近于人们的日常生活而倍受关注。它不仅可制出惟妙惟肖的立体三维图片美化人们的生活，还可将其用于证券、商品防伪、商品广告、促销、艺术图片、展览、图书插图与美术装潢、包装、室内装潢、医学、**刑侦、物证照相与鉴别、建筑三维成像、科研、教学、信息交流、人像三维摄影及三维立体影视等众多领域，近年来还发展成为宽幅全息包装材料而得到了广泛的应用。由于白光再现全息技术可在白昼自然环境中或在普通白光照射条件下观看物体的三维图像，使得全息显示技术得到了迅速的发展。
2、主要的全息显示
（1）透射式全息显示图像
透射式全息显示图像属于一种最基本的全息显示图像。记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后形成物光波；同时引入另一束参考光波（平面光波或球面光波）照射记录干板。对记录干板曝光后便可获得干涉图形，即全息显示图像。再现时，利用与参考光波相同的光波照射记录干板，人眼在透射光中观看全息板，便可在板后原物处观看到与原物完全相同的再现像，此时该像属于虚像。假如利用与参考光波的共轭光波相同的光波照射记录干板，即从记录干板右方射向记录干板而会聚一点的球面光波，则经记录干板衍射后会聚而形成原物的实像。
透射式全息显示图像清晰逼真，景深较大（仅受光波相干长度的限制），观看效果颇佳。但为确保光的相干性，需用激光记录与再现。采用激光也会带来其特有的散斑效应的弊病，即再现像面上附有微小而随机分布的颗粒状结构。
（2）反射式全息显示图像
为克服透射式全息显示图像无法利用普通白光（非相干光）再现的缺陷，人们又发展了反射式全息显示图像。将物体置于全息板的右侧，相干点光源从左方照射全息板。将直接照射至全息板平面上的光作为参考光；而将透过全息板（未经处理过的全息板是透明的）的光射向物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，两束光干涉后便形成全息显示图像。由于记录时物光与参考光分别从全息板两侧入射，故全息板上的干涉条纹层大致与全息板平面平行。再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板中的各条纹层宛如镜面一样对再现光产生出反射，在反射光中观看全息板便可在原物处观看到再现的图像。
制作反射式全息显示图像时，通常采用较普通透射式全息显示图像更厚的记录介质（厚约15μm的感光乳胶层）。因干涉条纹层基本上与全息板平面平行，介质层内形成多层干涉条纹层，即反射层，故全息板的衍射相当于三维光栅的衍射，必须满足布拉格（Bragg）衍射条件，即仅有某些具有特定波长及角度的光才能形成极大的衍射角。由于具有这种选择性，反射式全息显示图象便可用普通白光扩展光源再现。这是其一大优点，同时亦消除了激光的散斑效应。近年来，该类全息显示图像已广泛应用于小型装饰物的三维显示，并已实现商品化，市面上将其称为“激光宝石”。反射式全息显示图象还可用作壁挂式显示，但制作屏幕较大的反射式全息显示图像技术难度较大；另一缺陷是其景深不太大，距记录介质平面较远处的图像有点模糊不清。
(3) 像面式全息显示图像
根据全息学的理论，对于普通透射式全息显示图像而言，当再现光波长与记录时的光波长不同，或再现光源为非理想点光源而有一定的空间扩展时，再现像点将会发生弥散而变得模糊，由上述两种因素造成的像点模糊量皆与象点和全息板的距离成正比。因此，假如记录时让物点落在全息板上或很靠近于全息板，则用普通白光扩展光源再现时，像点的模糊量仍小至可接受的程度。因实际物体难以直接“嵌入”全息板，故人们采用将物体通过透镜成像于全息板的附近，同时引入参考光波与其干涉的办法来记录全息显示图像，这样记录的全息显示图像称为像面全息显示图像，它可用普通白光扩展光源再现。显然，这种全息显示图像的景深也是有限的，距全息板平面愈远的像点愈模糊不清。
（4）彩虹式全息显示图象
20世纪70年代末，一种新型全息显示图像即彩虹式全息显示图像（Rainbow
Hologram）问世，它可采用白光再现，图像清晰明亮，尤其适用于立体三维显示，倍受人们的重视。彩虹式全息显示图像是采用激光记录全息显示图像，用白光照射再现单色图像的一种全息显示技术。其基本特点是在记录系统中适当的位置加入一个狭缝，其作用是限制再现光波，以降低图像的色模糊，从而实现白光再现单色图像。有人曾系统地分析过彩虹式全息显示图像的成像过程。其基本记录方式以一步法为例，物体通过透镜成像于全息板附近，同时光路中设置一个狭缝来限制成像光的孔径。利用白光点光源以共轭方式照射全息板，便会同时再现物像与缝隙的实像。由于全息显示图像的基本作用相当于光栅，在白光照射下具有色散的作用，故不同颜色的狭缝像分布于不同的方位。当人眼从缝隙像左方观看全息板时，通过不同颜色的缝隙像便可观看到该种颜色的物像。当人眼上下移动时，物象会产生出宛如彩虹一样的颜色变化，这也是此种全息显示图像名称的由来。
彩虹式全息显示图像技术的问世给全息显示注入了新的活力，众多研究者对其进行了不断的改进与发展，并在众多领域得到了应用。如将记录时的单缝变为多缝，可使同一角度观看的再现像具有与实物一样的彩色，或对黑白图像进行假彩色编码。因人们对色彩的分辨能力远远超过对灰度级的分辨能力，此种假彩色化法可极大提高对图像的判读能力。近年来还提出并实现了新型的双孔径彩虹式全息显示图像和大角度环形孔径彩虹式全息显示图像。前一种可在普通白光扩展光源下，将再现象的分辨率大大提高，并能由一体视对平面图像合成无需配戴眼镜观看的立体三维图像。后一种则将单缝孔径变为大直径的环形孔径，从而可实现360°环视的再现像，即在白光照射下，可绕全息板转一周以观看物体所有侧面的再现像。
（5）合成式全息显示图像
合成式全息显示图像是指将一系列由普通拍摄物体的二维底片借助全息方法记录在一块全息软片（或干板）上，再现时实现原物体的准立体三维显示的一种技术。实现再现物体360°环视像的另一种有效方法便是合成式全息显示图像。它可制成圆筒式，亦可制成平面式。这里以旋转物体为例说明合成式全息显示图像的制作技术。显然，假若将物体变为实际场景，则可制作立体电视；假若将转动物体变为一系列连续变化的二维图片，则可制成活动的动画。
这种合成式全息显示图像实际上是彩虹式全息显示图像与合成技术的有机结合。利用这种方法在平面全息板上再现环视或立体活动图像，是极其诱人的。其缺陷是记录过程较为复杂，但随着计算机技术的发展与普及，这一缺陷已不再成为严重的问题。近年来，研制出一套由计算机控制的合成式全息显示图像自动记录系统，并成功地由它制出像质颇佳的360°环视合成式全息显示图像。
在合成式全息显示技术中，有一种可显示被拍摄物体动态过程的角度多路合成式全息显示技术，它是一种电影拍摄与全息拍摄完美结合的技术。它使用电影摄影机进行第一步记录，再在激光照射下用“全自动合成全息拍摄系统”将记录的二维电影片制成全息显示图像，它是一种实现了白光记录和白光再现被记录物动态过程的高层次全息显示技术。纵向多路合成的全息显示图像，由于采用了不同角度的视像进行合成，故称为角度多路合成式全息显示图像。它是一项集电影特技摄影、激光全息、光机电一体化、微机控制及纳米感光材料等高新技术于一体的最新技术。还有另一类纵向多路合成的全息显示图像，它是由对客体不同深度的一系列平面层拍摄的底片合成的。如医学中用X射线断层摄影（CT）或超声波断层摄影，可得到垂直于人体轴线方向的一系列平面图片。利用全息显示技术将其按原顺序、原间隔制成合成式全息显示图象，再现时则可观看到一系列纵向平行排列的透明平面图像。当这些像的纵向间隔小到一定程度时，观看者便如同观看原物的透明立体三维图像一样。纵向多路合成的全息图像亦可利用计算机技术进行制作。
角度多路合成式全息显示技术具有发展前景的潜力。它可将计算机图像信息处理、光学图像信息处理、纳米感光化学信息处理、影视技术多年来积累的视觉心理学及生理学深度感等方面的经验融合一体，对采集的图像信息进行处理，从而获得优质的三维空间立体影像。观看这种角度多路合成式全息显示立体影象时，无需配戴眼镜等附加装置。它是目前记录并显示伴有活动图象的三维立体影像的最佳方法。随着液晶显示技术及纳米级实时记录介质材料的研制开发，角度多路合成式全息显示技术将会发展成为新一代具有可持续发展的科研项目及值得巨大投入的研究课题。
（6）模压式全息显示图像
上述各种全息显示图像的共同缺陷是复制较为烦琐，通常需采用激光源及光学器件，而且每复制一次皆需曝光、显影和定影等过程。为解决这一问题，20世纪80年代开发出一种可象印书一样大批量快速复制的模压式全息显示图像。其制作工艺过程可分为如下三步：（1）记录原版全息显示图像，这种全息显示图像的记录过程类似于彩虹式全息显示图像，但它属于浮雕型，即与光强分布相应的干涉条纹已转变为凹凸型沟槽状分布；（2）制作金属压模，即由原版全息显示图像经电镀和铸模等工序转为金属模板；（3）压印复制，通常是在透明塑料片上利用金属模板进行热压以得到复制的全息显示图像。这种模压式全息显示图像既可制成透射式，亦可将其表面镀以高反射率金属膜，使其变成反射式。模压复制技术涉及到光刻胶母版制作、电铸及全息模压技术，是全息显示技术中难度最大的一种技术，它属于高层次的全息显示技术。
模压式全息显示图像的最大优点是可大批量生产。一个优质的模板可连续压印一百万次以上，故全息显示图像的成本大为降低。这种全息显示图像的制作现已成为一个颇具规模的产业，其产品广泛应用于防伪商标、各种证卡及艺术性显示等。常见的各种防伪标志便是一种反射式模压彩虹全息显示图像，从不同的角度观看时，其色彩会发生一些变化。拟将合成式全息显示技术与模压技术有机结合一起，制成一种可360°环视或动画式模压全息显示图像。
（7）计算机全息显示图像
最后简单介绍一下近年来发展颇为迅速的计算机全息显示图像（Computer Generated
Hologram），简称为CGH。既然全息显示图像属于一种干涉图样，假如能利用计算机直接产生出这种图样，则无需再采用光学设备实地记录了。这种方法既可完全节省光源及要求相当精密的光路设置，又能模拟实际上并不存在的各种物体，故具有明显的简易性与灵活性。
计算机全息显示图像目前已在图像处理和干涉计量等领域内获得了广泛的应用。它同样亦可应用于立体三维图像显示，仅是成像质量仍需作进一步的改进。值得指出的是将光学与电子学技术有机结合一起，发挥其各自的优势，将是实现立体三维显示的一种有效途径。