1.2 3D顯示技術的類別

3D顯示技術就是利用各種光學方法，使人的左右眼分別接收不同的視差畫面，然后經過大腦合成而感知到立體效果的技術。不同的3D顯示實現方式，形成了不同的3D顯示技術。

1.2.1 3D顯示技術的分類

根據3D顯示實現原理的區別和顯示效果的差異，以及支撐光學元件等的不同，形成了類別眾多的3D顯示技術。

1．根據3D顯示實現原理分類

如表1-1所示，根據3D顯示實現原理的不同，3D顯示技術可以分別歸納為2～3個大類。不同的分類方法之間存在技術方向的重疊。

為使人的左右眼分別接收不同的視差畫面，如果光學處理元件需要佩戴在頭部，則稱為輔助3D顯示技術。輔助3D顯示技術只能提供一個左眼視差圖像和一個右眼視差圖像，是典型的雙目立體顯示技術。如果光學處理元件直接和顯示屏集成在一起，觀看者不需要佩戴任何輔助元件，則稱為無輔助3D顯示技術。自由立體顯示技術是典型的無輔助3D顯示技術。

人的左右眼分別接收到不同的視差畫面后，如果大腦感知到立體效果的深度線索是雙目視差，則稱為雙目視差式3D顯示技術，也叫立體顯示技術。只有雙目視差深度線索的3D顯示技術容易讓人產生視疲勞。如果在雙目視差深度線索的基礎上加上單目聚焦功能，這樣的3D顯示技術就可以改善視疲勞，簡稱為單目聚焦式3D顯示技術。此外，給單只眼睛提供輻輳深度線索，而沒有雙目視差深度線索的單目3D顯示技術，不屬于立體顯示技術的范疇。

3D顯示是用光線空間虛擬現實的物質世界，根據光的波粒二象性原理，如果3D顯示光線空間采用光的直線傳播性能，則稱為光線再現式3D顯示技術。絕大部分3D顯示技術都是光線再現式3D顯示技術。如果3D顯示光線空間采用光的波動傳播性能，則稱為波動再現式3D顯示技術。光的波動信息包括振幅信息和相位信息。全息3D顯示技術是典型的波動再現式3D顯示技術。此外，還可以利用光的波動傳播性能，即利用光的衍射原理，形成指向背光，用于光線再現式3D顯示技術。

3D顯示的光線既有位置依存性，也有方向依存性。根據顯示屏幕上發光點的位置信息與方向信息的不同組合，把3D顯示分為只有3D位置的體3D顯示技術、2D位置與2D方向組合的光場3D顯示技術和全息3D顯示技術、2D位置與2D位置組合的景深融合技術。在2D位置與2D方向組合中，如果只考慮水平視場方向，就是2D位置與1D方向組合的傳統光柵分像技術。

2.3D顯示技術具體分類

綜合以上四種分類方法，3D顯示技術可以細分為圖1-5所示的各種具體實現方式。

3D顯示技術按深度線索分為基于雙目視差的立體顯示技術和不含雙目視差的單目3D顯示技術。視錯覺3D顯示是典型的單目3D顯示技術，立體顯示技術的顯示基礎是左右眼分別接收到“大同小異”的視差圖像。由于視錯覺，3D顯示技術的顯示效果欠佳，目前僅用于靜態3D畫，極少用于動態顯示。所以，3D顯示一般指立體顯示。

立體顯示技術按照是否需要佩戴輔助設備分為輔助立體顯示技術和自由立體顯示技術。佩戴眼鏡或頭盔的雙目立體顯示技術是典型的輔助立體顯示技術。眼鏡式3D顯示技術和早期的頭盔式3D顯示技術只能實現雙視點顯示。目前，基于頭盔式3D顯示技術發展起來的AR/VR技術，一個重要的發展方向就是實現單目聚焦功能。

自由立體顯示技術按照光線的位置方向性分為位置3D的體3D顯示技術、位置2D與方向1D組合的多視點3D顯示技術、位置2D與方向2D組合的光場3D顯示技術和全息3D顯示技術。體3D顯示技術、光場3D顯示技術、全息3D顯示技術都能實現單目聚焦功能，屬于單目聚焦式3D顯示技術。其中，全息3D顯示技術屬于波動再現式3D顯示技術。

多視點3D顯示技術包括傳統的兩視圖雙目立體顯示技術和多視點3D顯示技術，由于光線的密集程度不夠，所以不足以形成單目聚焦功能。傳統雙視點3D顯示技術主要在適合單人觀看的移動設備上使用，觀看時容易看到重影，所以要和人眼（頭部）跟蹤技術結合，擴大觀看視角。傳統多視點3D顯示技術存在3D圖像分辨率低、反轉區重影嚴重、用戶觀看舒適度差等局限性，所以要往密集視點3D顯示技術的方向發展。密集視點指視點數不少于28個的裸眼3D顯示方式；密集視點在分辨率、弱切變無重影、觀看舒適性等方面具有顯著優勢；隨著LCD顯示屏分辨率的增加，更多視點數的超密集視點、連續視點裸眼3D顯示方式將實現產業化。

多視點3D顯示技術可以通過視差光柵等光遮擋型3D顯示技術、柱透鏡等光折射型3D顯示技術或指向背光3D顯示技術實現。

3．本書的3D顯示技術介紹

本書主要根據圖1-5所示的分類方法，詳細介紹各類3D顯示技術。

輔助立體顯示技術中的互補色、偏光式、快門式等眼鏡式3D顯示技術，作為最早實現產業化的3D顯示技術，將在第3章詳細介紹。頭盔式3D顯示技術作為AR/VR中的3D顯示技術，將在第11章詳細介紹。

多視點3D顯示技術是實現自由立體顯示技術的基礎，在第4～6章分別介紹光遮擋型3D顯示技術、光折射型3D顯示技術、指向背光3D顯示技術。第7章的光場3D顯示技術是在多視點3D顯示技術的基礎上增加了一個垂直視場方向，所以緊隨其后加以介紹。接著在第8章和第9章分別介紹體3D顯示技術和全息3D顯示技術兩種自由立體顯示技術。

第10章的視錯覺3D顯示技術作為完整3D顯示技術的一部分，供讀者學習了解。

3D顯示離不開人眼的視覺功能，所以在第2章總體介紹人的立體視覺與3D顯示的關系。3D顯示的效果要順應人眼的視覺機理，所以在第12章總體介紹3D顯示畫質與視疲勞。

1.2.2 各類3D顯示技術的優缺點

不同的3D顯示技術有著各自的優缺點。

1．單目3D顯示技術的優缺點

視錯覺3D顯示是利用心理暗示深度線索，實現簡單的3D顯示效果。視錯覺3D顯示的數據量（信息量）相對較少，所以無法再現復雜的3D場景，3D效果欠佳。

2．雙目立體顯示技術的優缺點

輔助立體顯示屬于雙視點3D顯示，顯示屏上只顯示一幅左眼視差圖像和一幅右眼視差圖像，利用輔助設備分離后，使左右眼分別接收左眼視差圖像和右眼視差圖像，形成3D顯示效果。輔助立體顯示分為波長分割的互補色式、空間（偏振光）分割的偏光式、時間分割的快門式等眼鏡式3D顯示。頭盔式3D顯示屬于微顯示范疇，通過置于左右眼前面的小尺寸顯示屏直接對左右眼提供獨立的左右視差圖像。輔助立體顯示需要佩戴眼鏡等特殊設備，輻輳與焦點調節不一致，不能表現運動視差。

兩視圖3D顯示技術與輔助立體顯示技術一樣，都屬于雙目立體顯示技術，都無法表現運動視差。它們的區別是，前者的分光元件集成在顯示裝置上，后者的分光元件佩戴在頭部。兩視圖3D顯示的觀看視角很窄，傳統的改進對策是增加視點數。采用人眼跟蹤技術，可以實現位置可調的多視點3D顯示效果。通過人眼跟蹤技術跟蹤人的位置變化，從而改變視差圖像光強的空間分布，使得左右眼觀看到相應的視差圖像。人眼跟蹤技術增加了觀看位置的偵測步驟，但減少了數據量的處理工作。

3．多視點3D顯示技術的優缺點

自由立體顯示技術中的多視點3D顯示技術在顯示屏上顯示多個視差圖像，多個視差圖像在空間的一定區域內處于分離狀態，當左右眼視差圖像處于左右眼分別對應的區域內時，可以融合形成3D顯示效果。因為能表現運動視差，人具有一定的觀看自由度。除光衍射型3D顯示技術屬于波動光學范疇外，其他多視點3D顯示技術都屬于幾何光學范疇。

光遮擋型3D顯示是通過阻擋空間中某些位置的光實現對應位置的不同視差圖像分離。光折射型3D顯示是通過光學元件的折射改變光的傳播路徑實現空間中對應位置的不同視差圖像分離。光反射型3D顯示是通過光學元件的反射改變光的傳播路徑實現空間中對應位置的不同視差圖像分離。光衍射型3D顯示是通過光學元件的衍射改變光強的空間分布實現空間中對應位置的不同視差圖像分離。

投影型3D顯示分為時分法和矩陣法。時分法是在人眼的反應時間內，在空間中投影出足夠多的視差圖像，通過定向擴散片使得視差圖像在相應區域內實現空間分離。矩陣法是通過矩陣分布的投影儀投射足夠多的視差圖像到定向擴散片，實現密集視差圖像的合成與分離。投影型多視點3D顯示的視點水平間距小于瞳孔直徑，使人能夠感知到平滑的運動視差。

指向背光3D顯示通過調節背光的光傳播方向來實現空間中不同視差圖像的光強對應分布。

多視點3D顯示可以省去戴眼鏡的麻煩，但依然存在輻輳和焦點調節不一致、分辨率提高困難等問題。采用超多視點3D顯示，可以改善輻輳和焦點調節不一致的問題，但是數據量大，裝置復雜。

4．單目聚焦3D顯示技術的優缺點

體3D顯示、光場3D顯示、全息3D顯示等單目聚焦3D顯示技術的一個共同優點是可以解決輻輳和焦點調節不一致的問題，改善視疲勞。

體3D顯示以體素為單元，通過物理設備在空間中形成3D圖像。在3D空間內，處于相應位置的3D圖像的每個體素都會反射出全方位散射光，從而使得該設備具有多人、多角度觀看特性。體3D顯示接近實物的觀察效果，但遮擋困難、裝置復雜。

光場3D顯示技術通過密集的光線束來近似自然光場，實現3D顯示，除水平視差信息外，還提供了垂直視差信息。再現自然光場需要非常龐大的數據，這對顯示屏的物理像素數量和分光元件的精細度都提出了非常高的要求。如果只是有限的數據量，則光場3D的觀看視角較小。

全息3D顯示通過介質記錄和再現光波所有的特性，即振幅、相位、波長。理論上，再現的全息影像與真實場景的信息是相同的。全息顯示接近實物視覺，能表示垂直視差。但是，動畫顯示困難，數據量太大，并且需要微米級像素的高分辨率顯示屏進行支撐。