不止VR，立体显示探究

我们已经知道，现在铺天盖地的所谓“虚拟现实”（VR）浪潮，其实应该叫做“虚拟显示”大潮，毕竟绝大部分VR设备其实只是虚拟出了一个新的视觉世界，在其他感官方面仍然缺乏实际互动能力。不过即使目前的VR只能算是虚拟显示，也让很多电脑用户有了一种立体显示=VR的感觉，但这一感觉却错得离谱，现在最流行的头戴式VR显示方案虽然相对于眼镜+平面的形式要进步一些，但也只能算是立体显示领域的一个并不完美的实现形式，未来甚至可能是相当边缘化的一种形式。

○立体显示的历史

立体显示就是我们常说的3D显示，而3D是英文三维度（3Dimensional）的缩写，三个维度即表示我们所知的立体空间，相应的，2D就表示两个维度的空间，即平面。对人类来说，两只有一定距离的眼睛接收的视觉画面有一定的角度、距离差，通过大脑的计算会形成立体视觉，这也是立体显示所利用的远离，即给左右眼提供不同角度的画面，就可以让人感觉到立体影像的效果。

进入20世纪30年代，随着经济大萧条，电影这一廉价的消遣方式受到欢迎，赢了了电影的大发展，其中当然也包括立体电影，1936年，米高梅电影公司推出了采用红蓝眼镜的商业电影《Audioscopiks》系列，轰动一时，该片获得了当年奥斯卡最佳短片奖的提名。电影创始人之一路易斯·卢米埃尔（LouisLumière）也将最早的电影《火车进站》重新制作为立体电影（图3）。

反映早期立体电影效果的漫画

○现代立体显示技术

目前的立体显示技术主要是3D眼镜方式、头戴式显示器和裸眼3D显示，使用效果、使用场合、面向用户以及成本、成熟度等各有不同，而且每一种方式又有多种不同的产品甚至不同的技术。

●3D眼镜方式

3D眼镜方式是最传统而成熟的立体显示方式，通过为左右眼配置偏光、红绿、快门、明暗等不同镜片，让左右眼可以从同一块屏幕上接受不同的图像，以构成立体视觉。虽然原理类似，但其用途和具体实现方式还是有一定差异的。

1.偏光眼镜（Polarizationglasses）

→优势：3D效果比较真实，眼镜结构简单，成本较低且轻便。

→劣势：使用显示器时图像分辨率降低，在影院中需要使用两台投影机，且图像叠加对调教要求很高，且亮度有损失

可见光是横波，即振动方向垂直于传播方向的波形，而自然光中，光波的振动方向环绕方向轴做无规律的振动（图5）。偏光眼镜采用的偏光镜片只允许一个振动方向的光线通过，振动方向垂直的光线会被彻底过滤掉。观看3D图像的偏光眼镜左右眼的偏振轴互成90度，在播放3D图像时，屏幕上的图像实际上是对应左右眼的两幅图像叠加而成，两幅图像的光线分别适合偏光眼镜的左右眼偏振轴，这样用户观看同一块屏幕时，左右眼接收的图像却是不同的（图6），这样左右眼画面就可以形成3D视觉。

偏光眼镜结构比较简单，所以眼镜成本较低，家用电视、显示器和影院屏幕等都能使用。不过因为采用滤光方式，所以用户看到的图像亮度会有一定损失，如果使用液晶电视/显示器的话，因为显示器两个偏振方向的图像各使用一半的像素点，3D图像的实际分辨率减半。而投影方式则需要使用两台投影机分别输出两个方向的偏振光图像进行叠加，对精度要求很高，难以应用在家庭环境中。

因为偏光镜片可有效滤除反射光和有害紫外线，具有消除眩光的功能（图7），所以也被应用在太阳镜、滑雪镜等产品上。

2.色差式3D眼镜（Anaglyphic3D）

→优势：总体成本低廉，眼镜成本低至1元左右，对显示系统也没有特殊要求。

→劣势：容易产生偏色；图像彩色信息、亮度、分辨率都有损失；易引起视觉疲劳。

红蓝立体图像，如果手头有红蓝眼镜可以尝试看一下

色差式3D眼镜有不同色色彩方案，红蓝电影需要用红蓝眼镜观看；红绿电影需要红绿眼镜观看；镜片分配也有所不同，有时会出现需要将眼镜反过来戴的情况。NVIDIA推出的成本低廉的3DVisionDiscover（3D立体幻镜体验版）解决方案便采用的是红蓝眼镜技术。

色差式3D眼镜的原理和对显示的要求与偏光眼镜有点像，所以也有亮度和分辨率的损失，而且因为自带颜色的镜片会对影片色彩有影响，滤光能力也不如偏振光镜片，所以容易产生偏色和视觉疲劳。

3.快门眼镜（Shutterglasses）

→优势：3D效果较出色，设备市场占有率正稳步提高。

→劣势：设备成本较高，亮度、帧速损失较大，眼镜重量较大。

快门眼镜采用的是开关式（时分法遮光）技术，它会在屏幕上分帧显示左右眼画面，并通过液晶同步遮挡右眼和左眼，通过视觉暂留来实现3D效果。其具有和偏振光方式一样的色彩准确性。因为双眼只看到被降低为原来一半刷新率的画面，因此感受到整体画面亮度会有较大损失，而且如果刷新率不足，会明显感觉到延迟。

由于实现方式相对简单，特别适合消费级显示设备，所以快门眼镜一度成为个人消费市场上的主导技术，推进了液晶电视、显示器、投影机的刷新率提升，目前高刷新率的电视和显示器已经非常多，价格也比较合理，只是快门眼镜构造比较复杂，所以成本和售价较高（图9）。

带有液晶屏、电池、有线或无线同步器等设备的快门眼镜，结构显然比偏光、色差式眼镜更复杂

由于用户群体的重叠，这一立体显示技术受到目前VR设备的冲击很大，不过它还是具有可支持多人观看，成本相对较低等优势。

4.明暗眼镜（Pulfricheffect）

→优势：可以呈现优异的空间影像，不戴眼镜也能看到清晰的2D画面。

→劣势：主要对运动图像有效，市场普及度低。

明暗眼镜（读写眼镜）是基于普菲立克效应（PulfrichEffect）的产品——根据观察发现，人类对不同波长的光有不同的反应速度，大脑对阴暗刺激的认知比明亮刺激稍微迟缓，所以人们容易认为明亮画面中的物体移动的速度比较快、且速度快的离自己比较近；也会感觉阴暗画面中的物体移动的速度比较慢、且速度慢的离自己比较远。因此，若左右两眼接受到的图像亮度不同，虽然两眼看到的是相同的图像，但大脑对其中的移动速度与距离位置认知却不一样，便可产生视觉误差，构筑出实际上并不存在的空间深度（图10）。

普尔弗里希效应原理

●头戴式显示器

→优势：能让用户最贴身的感受虚拟实境。

→劣势：标准不统一，产品价格偏高。

当然我们经常提到的，直接使用手机的VR盒子也可以算是一种简单的头戴式显示器，这里就不再赘述了。

●裸眼立体显示技术

需要佩戴眼镜观看的立体显示会带来很多不便，而且大都对图像质量有影响，更难以进行多人互动操控，这些恰恰就裸眼立体显示技术的优势。与3D眼镜方式不同，裸眼立体显示的原理差距非常大，常见的技术包括全息式、体积式、多平面式和2D多工式等。

1.全息式（Holographic）

→优势：技术成熟容易取得，是能够进行较好互动和替代真实物品的选择

→劣势：影像大小常受限于设备的大小。

全息式又称为全像式、立体照相术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术（图12）。全息图上的每一部分都记录了物体各个点的信息，所以每一部分都可以再现整个原物的立体图像，甚至可以通过多次曝光在同一张底片上记录多个不同的立体图像。

全息显示技术在各种很多大型场合进行展示使用，如在运动会、舞台上进行物体重现或交互，也可在博物馆中精确地重现展品，人们无需任何额外设备就可以直接观看全息技术重现的立体图像（图13）。

2.体积式（Volumetric）

→优势：真正能够实现动态效果3D图像。

→劣势：影像中央有旋转轴，越靠近轴心的影像旋转速度则越慢，所产生的立体影像也因此较为模糊。

体积式是一种利用激光扫描立体影像的显示器，所以其被称为体积式显示器。它主要是利用一个快速旋转的垂直圆盘，配合由底下投影的激光光源，利用激光光源投射到快速旋转的旋转面时会产生的散射效应，扫描空间中的每一点（图14）。它是真正能够实现动态效果的3D技术，它也可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。它的缺点是影像中央必须有一个旋转轴，靠近轴心的影像旋转速度较慢，立体影像较不清晰。

3.多平面式（Multi-Planar）

→优势：成本容易控制。

→劣势：前后面板的对位困难，对观赏角度有较高要求。

多平面式立体显示主要原理为利用两个面重叠的液晶面板，在两个面板显示大小相同的影响，利用物体和观赏者之间远近不同的距离，会有明度及颜色上的差别，进而重叠前后物体影像，使观赏者在视觉上产生立体感。由于此形态的立体显示是将两个二维影像重叠，因此只有在特定的正视方向观赏，才会有较佳的立体显示效果，其余观赏角度效果不佳。

4.2D多工式（2DMultiplexed）

→优势：目前常见的裸视3D技术。

→劣势：亮度衰减和视角问题仍存在。

2D多工式（2DMultiplexed）是近年来厂商普遍采用的3D成像方式，其基本原理是将两张或数张具有视差的2D画面分别分割成不同的像素组合，再交叉排列起来，用特殊的光学元件形成针对左右眼不同的视域，然后分片或分时显示针对左右眼的画面。这样不需要透过特殊眼镜，就可以让用户的左、右眼看到视角不同的平面影像，可产生立体的感觉。

2D多工式又可再细分为空间多工式、时间多工式、自动观者追迹式。空间多工式把显示画面间隔划分为左、右眼影像显示区域，利用视差屏障或柱状透镜阵列同时把影像分别投向左右眼，以达到立体效果。所谓视差屏障是一种黑色与透明相间的直线条纹，用以进行分光，并置于距离液晶面板一小段距离处，让观赏者的右眼只能接收到液晶面板投给右眼的像素区，左眼则只能接收到液晶面板投给左眼的像素区（图16）。但是当光线通过黑色直线条纹区域时，由于光线被吸收，亮度会减少一半以上，所以对图像总体亮度有影响。

目前较成熟的空间多工式3D成像方法为柱状透镜式（LenticularLens），柱状透镜是利用制作成长条状的凸透镜，将奇数和偶数列像素的光线以不同角度平行射出，因此在一定距离和角度内，左右眼就会看到不同的影像。柱状透镜的优点在于不会牺牲屏幕亮度，不过多视角会造成解析度严重下降的问题。由于透镜的制作精度以及与显示面板对位准度的困难度极高，因此制作成本也较高。

相较于空间多工式，时间多工式是利用特殊设计的分光机制，如显示器前方加上透明与不透明线条交错的光栅，在不同的时间点把左、右眼影像连续投射至观赏者的左、右眼，让左右眼仅能透过光栅看到属于不同视域的像素，以达到立体显示效果。由于此视差光栅可以采用印刷式光学膜设计，因此成本比空间多工式低。并且，只要在显示面板上方再增加一片LCD面板开关，就能做到不固定区域的2D和3D任意切换（图17）。

○总结