智能裸眼3D显示技术与产业刍议

2019-04-15 10:23
文/李焜阳 梁浩文 范杭 郑民 周建英

3D显示称之为新一代显示平台技术;随着显示原理、工艺及智能控制等核心技术迅速发展以及大量3D显示资源出现,自由立体裸眼3D显示产业已逐渐走向成熟。预测在未来3年时间内,有望在大健康、虚拟教学、商业展示、工业应用等领域取得广泛的市场推广成果,并在数年内渗透到消费市场,从而兼容并逐渐取代2D显示,成为新的主流显示技术。

在无处不显示的信息时代,各种显示产品(手机、平板、电脑、电视等)作为信息输出终端,在人民日常生活和和国家经济建设中起到不可或缺的作用。然而,常规平面显示技术的发展速度目前已经逐步放缓;另一方面,微软、Facebook,HTC,英特尔、三星等国内外大型公司在3D显示、VR/AR技术,以及3D操作平台方面的努力,为新型裸眼3D显示提供了良好的软硬件基础及应用生态环境。

国务院发布的“十三五”规划中提出“加快裸眼3D等核心技术创新发展”,明确表明了裸眼3D显示是重要的创新基础与技术竞争高地。鉴于裸眼3D显示已有20余年的研发历史,其商业与消费应用仍然未达预期效果,为了解裸眼3D显示技术的发展瓶颈,加速裸眼3D显示产业与应用发展进程,本文对裸眼3D技术产业化现状予以分析,对其推广路径进行探究分析,并对未来产业发展方向予以展望。

裸眼3D显示技术概述

(一)基本原理

3D显示的生理基础是立体视觉,其中主要因素是双目视差。由于人的双目存在约为65毫米瞳距的空间差异,所见图像不完全一致,通过大脑融像能看到3D效果,并产生深度感知。当双眼看到的画面差异较大,图像融合不完美,将引起双眼竞争或模糊重影,从而影响3D效果。如果图像的串扰、畸变、延迟、颜色偏差超过阈值,或分辨率太低,用户会感受到不适甚至眩晕。对于相同的图像,视疲劳取决于用户的立体视能力,裸眼3D显示中由调焦-辐辏矛盾引起的视觉不适可经过一定视觉训练得到较大改善。

(二)技术发展情况

辅助式3D技术需要佩戴辅具(色分眼镜、偏光眼镜、时分眼镜等)观看3D显示屏幕;头戴式VR技术需要佩戴类似头盔的近眼显示设备。这两种技术虽已大规模推向市场,但其使用不便,尚未受到用户的广泛认可和接受。全息和光场显示等技术,可以通过特制片源及其显示还原物体的三维信息,但由于片源资源限制以及显示品质等原因,短期内尚难以达到广泛推广的程度。

兼顾显示需求及研发现况,自由立体裸眼3D显示技术是目前离产业化发展最近的裸眼3D显示技术,也是本文讨论的重点。自由立体裸眼3D显示技术一般以LCD或OLED显示面板为图像源,配合空间分光部件,将具有视差信息的左右图像在空间中分离投影,无需辅助器具而形成立体视觉。

(三)实现路径

自由立体裸眼3D显示技术对光场照明设计有很高要求,需要控制串扰率、逆视、延迟、闪烁与莫尔条纹等问题。

根据实现图像空分传输特性的分光方案划分,目前自由立体裸眼3D显示技术主要包括光屏障式3D显示技术、柱状透镜3D显示技术和指向光源3D显示技术。

1、光屏障式与柱状透镜3D显示技术

光屏障式3D显示技术依靠狭缝光栅的遮蔽效果,由光栅精密贴合在显示面板上形成,如图1(a)所示,代表技术有夏普、任天堂等。柱状透镜3D显示技术依靠凸透镜单元的聚光效果,用柱透镜阵列替代光栅,贴合在显示面板形成,如图1(b)所示,代表技术包括Alioscopy,飞利浦等。

一般情况下,柱透镜光效(亮度)优于光屏障。两者均需要将显示面板交替划分给左右眼,既作为左右图像源,也作为分光照明光源。左右眼图像交替排布,以牺牲分辨率为代价实现左右眼图像分离,即实现图像空分传输。

随着视点数增加,显示分辨率将进一步下降。分辨率下降将同时影响3D与2D效果,而2D分辨率下降是限制用户接受产品的重要因素之一。商家标定分辨率一般为原面板分辨率,而不是人眼真实的视觉感受。例如,标定面板分辨率为4K或8K,实际观看3D效果将退化一半以上,未能达到人眼视网膜分辨需求;另一方面,当系统采取高分辨面板时,需要透镜或光栅在子像素级严格对准,容易产生图像错位与莫尔条纹。此外,光屏障式及柱状透镜3D显示技术视区固定,在多视点模式下容易出现逆视,串扰率较高,难以达到用户接受的水准。


图1. (a) 光屏障式3D显示技术;(b) 柱状透镜3D显示技术;


2、指向光源3D显示技术

指向光源3D显示技术在拥有图像空分传输特性的同时,还具有类似快门眼镜的时分复用特性。如图2所示,显示面板仅作为图像源,通过采取时分刷新式可控背光阵列作为光源,利用透镜阵列(如菲涅耳透镜阵列)进行分光。光源、透镜阵列与人眼形成一个独立于显示面板的光路空分成像系统。这种技术能够实现光源与图像源的有效分离,增加系统优化自由度,从而实现低串扰与高品质自由立体显示效果。如果光源可控子模块足够密集,配合人眼跟踪,背光在特定时刻对人眼位置进行指向照明,可实现多人同时观看裸眼3D显示,在实现高亮度、低串扰的同时,其光效远高于2D显示。

指向光源3D显示技术的时分复用特性保证了单目分辨率达到面板分辨率的水准。事实上,由于左右眼观看不同图像,大脑融合后的视觉感受甚至可以超过面板分辨率。目前高精度薄膜加工工艺可以保证透镜阵列的光学质量,而LCD、LED、OLED成熟工艺提供了丰富的背光选择。时分复用在Nvidia 3D、AMD HD3D等成熟技术的基础上具有良好的2D与3D兼容性。透镜阵列只需要对背光矩阵进行匹配,对准难度大幅降低,良率也可以大幅提升。


图2. 指向光源3D显示技术

裸眼3D显示技术要求

裸眼3D显示需要在摆脱穿戴设备的束缚同时,更好地兼容2D、3D、VR内容,故而能呈现良好的显示内容兼容性。此外,还需具备必要的立体感知、人机交互功能,以满足刚需应用的若干需求。

(一)兼容性

裸眼3D显示作为新一代显示共性平台,必须保持2D显示的一切技术特色,分辨率、色彩、图像延迟等显示品质不能出现退化。现有柱状透镜与光屏障式自由立体显示技术的2D显示品质出现退化是用户难以接受的主要原因之一,而指向光源显示技术能保留平面显示的所有技术优势。

多年的3D显示技术与市场发展积累了大量的3D显示资源。一些主流视频网站可以提供众多优质的节目与片源,大中小学教育具有大量的3D教育资源,2D转3D的质量近期也得以大幅提升。基于双视点的播放方式高度兼容以上显示资源,而多视点自由立体显示技术与以上片源的兼容度还存在一定差异。指向光源3D与快门式3D显示技术驱动方式一样,能完全兼容以上所有资源。

(二)显示品质

显示品质不佳将影响双眼融像。出屏距离过大的3D场景容易引起用户不适,严重时将引起眩晕。影响显示品质最重要的因素是左右图像的融合与图像的全局串扰控制,常规主流显示技术将显示屏上的每一个像素作为图像源的同时也作为光源,优化与调节自由度较小,难以有效降低屏幕的全局串扰。指向光源3D显示技术实现了图像源与光源的有效分离,能最大限度优化显示品质,将串扰控制在辅助式3D显示水准。

(三)立体感知与人机交互

智能显示是目前另一个重要研究热点。笔者认为,智能显示技术不应仅仅局限于网络接入功能、一般手势识别以及语音交互,而应该具有更高级的感知与交互要求。智能交互技术与3D显示结合,可衍生出不同于平面显示的技术特色与应用场景,在提升显示体验的同时,成为刚需应用的技术基础。

例如,智能交互技术能实现体感控制和多用户人眼/人脸的快速识别、跟踪。加载智能感知功能的裸眼3D系统可根据用户位置与运动状态,自动调整显示设置至最优状态,从而提升裸眼3D显示效果。进一步,通过对用户进行实时的跟踪和识别,系统可将最佳的3D显示画面定向投送给用户眼睛,避免对用户所在位置以外的区域进行无效照明,可以大大降低能耗,并实现保护隐私。结合立体感知和人机交互的智能3D显示将是未来发展个性化显示技术的重要方向。

裸眼3D显示技术的刚需应用

裸眼3D显示产业经过近20年发展仍然未被消费者接受,其原因除了显示品质未如用户理想之外,更重要的一个原因是一直将3D显示作为2D显示附加功能,未充分注重并发掘人类双目视觉本能的立体显示功能。

鉴于显示技术的不断改进和提升,配合智能感知与交互,在满足兼容、优质显示性能的基础上,裸眼3D显示技术在专业市场具有广泛的发展潜力。具体应用场景包括医疗大健康、虚拟教学、商业显示、工业应用等。在未来3年时间若能集中力量以具体细分市场为切入口,可望满足若干刚性需求,从而引领裸眼3D显示逐步由附加功能转变为主流显示技术。

(一)大健康领域

随着国民生活水平的日渐提高与技术的不断创新,健康日渐成为社会主要关注点,智能医疗具有突出的研究价值与产业发展潜力。结合大数据和人工智能技术,智能裸眼3D显示可以在视觉、康复、心理、外科等重要国民健康领域发挥2D显示器难以替代的作用。

1、眼科诊疗

我国近视患者数量近7亿,已成为重要社会问题。以裸眼3D显示技术为平台,配合人机交互、大数据、以及人工智能技术,可以实现青少年视力状况自助跟踪筛查,并依此建立视觉健康大数据库。这种多学科融合将为视力保健和视觉康复提供十分重要的指导性作用。基于裸眼显示的视力筛查具有特殊优势,如免遮盖、快速及多指标(近视、散光、立体视、色盲等)。进一步,针对视觉特点,采用裸眼3D技术,可排除约束感与不自然感,并充分发挥虚拟环境沉浸感、交互性、多感知性带来的感官体验,营造自然舒适的户外场景,从而建立个性化、智能化、精确化视觉训练方法,形成视觉健康重塑体系,完成临床评价及推广。这种努力有望实现视力衰减迟滞,甚至部分视功能恢复。


图3. 裸眼3D技术在眼科诊疗方面的应用

2、脑卒中康复

随着我国迈入老年化社会,脑卒中等脑疾患者数量不断增加。例如,目前已知的国内脑卒中患者数量近7000万。脑卒中需要持续、个性化与精细的康复治疗。智能裸眼交互可以大幅降低人力物力消耗,改进治疗效果。通过裸眼3D显示提供的强烈出屏刺激,结合感知技术,配合云计算和人工智能,患者能在更短时间获得更好的康复。


图4. 裸眼3D显示在脑卒中康复应用


3、心理治疗

抑郁症患者、高压人群以及具有睡眠障碍群体是现代社会的一个普遍现象。裸眼3D虚拟场景技术结合情绪、心跳、脑电等信息,通过视、听、运动一体化的人机交互技术以及康复个性化设置,以制定相应的康复评价和训练虚拟现实技术应用规范,可以为临床应用提供新手段,从而为上述患者开辟新的诊疗途径。

4、外科手术

结合内窥、立体显微等技术,微创手术已经成为常规的外科手术手段,广泛用于口腔、胸腔或其他治疗需要。如图5所示为基于裸眼3D显示的外科手术平台,医生可以在更自由的环境下进行手术操作,提高操作及判断的准确度与工作效率。


图5. 裸眼3D立体显微外科手术操作

(二)虚拟教学

虚拟教学是一种新型教育理念。配合裸眼3D显示,可将临场操作在云端进行真实重现,如制作虚拟临床手术现场并让学生直接参与操作。对于稀缺资源或具有一定危险性项目,此方案可降低器材及样本成本,学习过程更安全、更卫生。在增加学习参与机会的同时,提升学生学习兴趣及对教学内容的认识,提高教学质量,缩短学习曲线。

在教师端,教师在操作台实时直播/录制3D实验内容,或直接建立三维模型,完成虚拟仿真教学课件,同时开放接口添加讲解或说明;而学生端则通过3D显示观看教师的操作内容或模型,对虚拟实验对象开展独立操作。


图6. 裸眼3D虚拟教室效果图

(三)商业展示与文化娱乐

在辅助3D及VR产业的基础上,无论是基于多摄像头拍摄、3D扫描还是3D引擎开发,3D内容或电影拍摄技术已经非常成熟。调用双通道信息,即可兼容3D模式展示。事实上大多数游戏或娱乐应用都支持3D显示而无需重新开发。同时,依靠2D转3D技术也能满足特定场合的3D显示需求。利用裸眼3D显示进行商业展示,内容开发成本低,在显示效果、观赏便利以及应用场合等方面优势明显。

裸眼3D显示,特别是指向光源式立体显示,具备画质优势。其舒适度可以满足长时间观看或使用要求,具有视觉冲击力的体验短片更可以给潜在客户带来实物般的深刻印象,配合体感技术更可直接操控虚拟展品。无需佩戴任何辅具及无需接触控制的技术优点,使得此技术可在机场、铁路、商场、博物馆等公共场合作为广告投放平台,或进行文物、珠宝、新品虚拟影像的展示与鉴定。此商业应用不仅可以大幅降低人力成本,还能避免展品损毁、遗失,减小公共卫生隐患。


图7. 裸眼3D展览

(四)工业应用

裸眼3D平台既是一个优秀的操作及展示平台,也是一个优秀的工业设计及检测平台。设计者可以一边对设计对象的局部进行显微精操作,一边对全貌实时观察,操作方式更舒适、更便捷。对于高强度密集型工业检测和加工,此方案可提高效率,降低人力及培训成本。同时,配合多镜头摄像或立体显微平台,不仅可以对虚拟影像进行互动和解析,更可直接实时操控器件本身。


图8. 裸眼3D显微应用图


裸眼3D有望成为未来主流显示技术

裸眼3D显示无疑将成为未来的显示平台技术。一旦裸眼3D显示刚需逐步确立,应用范围将不断扩展,尤其是结合云技术和大数据技术的大健康服务,将为广大用户提供一个更健康、功能更丰富的智能终端与前所未有的个性化服务。裸眼3D显示在保留所有良好2D功能的同时,能够与现有的产业基础高度兼容,这使得该技术可以提供具有竞争力的终端价格。大量的2D、3D和VR片源可兼容到裸眼3D显示上,为人们提供更加丰富的、新颖的体验,极大丰富人们的文化生活。突出裸眼3D显示优势,结合智能交互技术,以刚需市场为切入口,在性能、规格、成本等方面不断改进,终将提升消费者的认同感,从而形成裸眼3D显示不可逆转的发展趋势。

图9. 智能裸眼3D显示发展路径

除此之外,指向显示技术还可以形成一屏双视(多视)、个人隐私显示、无干扰他人显示等多种显示功能。针对不同的用户需求、应用场景与用户习惯等,发展个性化与智能化显示,传统2D显示技术也将面临全方位升级。例如,对于车载显示,一屏双视可满足驾驶员的导航指引以及副驾或后排乘客的娱乐需求;这种一屏双视或一屏多视还可以满足家庭多用户同时观看不同节目的需求。对于高铁车厢、飞机机舱等场合,部分乘客需要无干扰的暗环境,而利用指向光源定向传播特性,可以避免临近用户观看节目所引起的不必要干扰。

展望未来,裸眼3D显示技术将在3年左右时间逐步走向成熟,刚需应用也将逐步确立。随着3D显示技术水平的不断提升与应用领域的不断推广,技术变革将不断引领相应的产业与应用变革,裸眼3D平台将为大健康、云端服务、教育以及娱乐等领域带来全新的发展机遇,最终使人类全面回归双目视觉,接受并适应裸眼3D显示主导下的生活方式。


c3dservice@126.com
———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
工作时间:09:00—18:00
联系电话:010-68234468
北京市海淀区复兴路49号