光场三维显示技术的三大方向

2019-05-22 10:35
文/李海峰

光场三维显示是在重新构建三维物体的发光分布基础上实现的一种三维显示,由于需要的信息量很大,对现有显示器技术提出了新的技术挑战。现在及未来的研究重点集中在两个方面:第一,利用现有的显示元器件,提高现有光场三维显示的质量;第二,构建基于全新原理的光场显示器件,为未来的平板显示产业提供变革性技术方案。

我们生活在一个三维世界里,而人天生具有双眼,因此人自然形成了立体视觉来感知深度。对于显示设备来说,三维显示是为了匹配人眼的立体视觉特性而发展的一种技术,但由于受到现有技术水平的限制,目前三维显示技术并没有尽善尽美,因此该技术在一个相当长的时间内仍是显示技术的一个重要发展方向。

人的立体视觉包含了双目视差、运动视差、单目聚焦、双目辐辏等。所谓双目视差就是左右眼看到的图像由于深度关系而存在一定的差异。运动视差是指人在移动过程中人眼看到的不同深度的物体在画面中的移动量不同。单目聚焦指人眼为了获得更清晰图像而进行晶状体形状的调节,双目辐辏则是对不同的深度物体眼睛光轴进行转动从而使得双目中心同时对准物体中心。目前主流三维显示技术基本都是利用了双目视差,通过左右眼两幅图像实现立体视觉,该技术通常需要佩戴立体眼镜。而运动视差一般通过在一定角度范围内显示一系列视差图像,人眼在移动过程中选取两个对应位置的双目视差图像,从而实现具有运动视差的三维显示,该显示也称为多视点显示。通常这种显示为裸眼立体显示,无需佩戴立体眼镜。

采用上述双目视差实现的立体显示存在的主要问题是显示器离人眼的距离和显示内容离人眼的距离不一致。由于三维图像有一定深度而离开显示器,而单眼的视差图像又是呈现在显示器上的,因此人的晶状体自动调焦到显示器,而由双目视差产生的立体感使人眼双目夹角对准在显示器前方或后方,从而产生聚焦和辐辏的冲突,长时间观看易产生头晕恶心等症状,这和人眼观看现实世界不一致。因此未来的三维显示一定是和现实世界相接近的自然的三维显示,从而更加适应人眼的各种立体视觉特性。能够全部满足该人眼视觉特性要求的为全息显示。全息显示是利用光波的干涉记录来再现三维物体的全部光波信息,理论上和自然物体并无二致。但全息显示的显示分辨率要求奇高,现有的显示器技术还无法满足显示要求,无法实现高质量动态的实时显示。光场显示技术是在全息显示基础上,忽略了光波相位信息,仅再现物体的发光强度分布和发光方向分布。和全息相比该技术可以大大减少信息量,同时保证好的显示质量,是一种比较好的三维显示解决方案。 

图1 光场与光场显示器示意图

光场与光场三维显示

光场的概念在1939年由Gershun提出。所谓光场就是光线在空间中的分布。假如在三维空间中有一个发光点P,我们可以用P点的坐标来表示该点,我们也可以用通过P点的多根发光光线来表示P点的存在,而这些光线就是P的光场,如图1(a)所示。如果要实现光场显示,我们需要构建一种显示器,该显示器可以是一个平面、柱面或任何其他形状,但该显示器需要控制平面或柱面显示屏上每个点的光线强度和方向,如图1(b)所示,这样虽然我们没有直接显示发光点P,但从人眼来看,相当于在空间的某个深度存在一个发光点,这种显示就是光场显示。当显示器发出的多根不同方向的光线同时进入人眼,此时人眼的晶状体会自动调焦到P点,而不会调焦到光场显示器平面上,这样就消除了三维显示中调焦和辐辏的冲突。

要构建光场显示器,我们需要在显示器上集成光线角度控制器件。假如一个空间分辨率为1920x1080的平面显示器,每个像素上再要集成100个角度的方向控制器,这样一个光场显示器真正的控制单元就需要1920x1080x100个,这样的显示器集成度高,信息量比常规显示扩大几个量级,所以目前还没有成熟的解决方案。

为了实现大信息量的光场三维显示,目前常借助两种方法来实现,第一种方法是利用投影阵列构建三维光场。投影机阵列的优点是可以把投影图像在空间中某个位置集成在一起,比如用100个投影单元即可产生诸如上述的1920x1080x100的光线控制。图2为采用投影阵列的光场显示器示意图,图中光场屏上的每一个像素点有多个方向的发光光线,每根光线由后面的对应的投影单元单独控制,这样就构建了一个光场显示器。另一种光场显示是采用时间扫描方式,比如利用高速投影机单元在某个时间间隔中快速扫出100个光线角度信息,也可以产生上述的1920x1080x100的光场显示,图3所示为单个高速投影单元通过高速移动并按时间顺序产生光场扫描的示意图。从图2和图3所示可以看到,投影阵列和投影扫描在显示原理上是一致的,区别在于投影阵列的投影机是有限的,投影机之间空隙使光线分布不连续,存在光线的遗漏。而投影移动扫描从原理上扫描光线分布是连续的,不存在光线遗漏问题,因此扫描具有更好的显示均匀性。

图2 基于投影阵列的光场三维显示

图3 基于时间扫描的光场三维显示

当然小型化的光场显示器是能够控制光线发射角度的平面显示器,目前实现的方法主要有两种:一种是在现有平面显示器的每个像素上固定光线的发射方向,这样如果每个三维像素有100个光线方向就需要100个平面像素来构建,如图4(a)所示,这种结构需要超高分辨的平面显示器;另一种是利用多层平面显示来构建光场,通过前后显示器上的对应像素来控制通过该方向的光线,如图4(b)。

图4 采用平面显示器构建的光场显示


国内外光场三维显示研究发展状况

一、投影阵列光场三维显示

采用投影阵列的光场三维显示系统如图5所示,系统通常由二维分布的投影阵列和光场屏幕构成。为了提高显示分辨率,降低信息量,该光场三维显示通常仅显示水平方向的光场信息,为此投影屏幕采用了水平方向散射角度小、垂直方向散射角大的光场屏。水平方向存在小的散射角度是为了填补投影机之间的光线缺失。


图5 投影阵列光场显示系统构架图


最早实现该光场显示系统的是匈牙利Holografika公司。该公司在2005年提出原型机,以后逐年对显示系统的分辨率和显示的交互性能进行改进,目前的显示分辨率为平面分辨率1280x768,三维分辨率73M像素数(平面分辨率乘以角度分辨率),显示屏幕72英寸。图6为构建的显示系统构架和照片。


图6 Holografika公司的投影阵列光场显示装置


2009年,北京邮电大学、深圳泛彩溢和国防科技大学合作,利用投影机阵列和全息光场屏幕,构建了大尺寸的光场显示装置,并在2009年深圳国际全息显示会议上进行了展示。该系统的屏幕尺寸为1.8米x1.3米,视角为45度。系统提出了光场图像实时拍摄和显示的方案,并显示了实际拍摄得到的人体光场三维图像,如图7所示。


图7 北京邮电大学构建的投影阵列光场显示装置


2010年,浙江大学提出了利用液晶显示器和透镜阵列构建投影阵列,构建了光场显示装置。同年对光场屏幕进行优化修正,利用垂直和水平散射角较小的光场屏幕,构建了具有水平和垂直视差的全视差光场显示。为了进一步增大光场显示视角,浙江大学于2012年提出了采用多液晶屏和弧形光场屏的大视角光场显示装置,如图8所示。



图8 采用多液晶显示和弧形光场屏的三维显示装置和各视角显示效果


2013年,韩国三星公司对投影机阵列的排布等进行了优化,构建了100英寸的光场投影显示系统,如图9所示。


图9三星公司的光场显示系统

同年,美国南加州大学采用72台投影机在一个凸起的光场屏幕上构建了一个视角达到110度的光场显示装置,如图10所示。由于采用的投影单元体积小,密度高,显示屏幕小,所以显示的光场图像质量较高。


图10 南加州大学的投影阵列光场显示装置


为了构建大尺寸360度视角的光场显示装置,2012年,浙江大学提出了采用环形分布的投影阵列和柱形光场屏幕的光场显示装置,并于2016年构建完成。系统的直径为3米,高1.8米,采用了360台投影单元。系统采用4台高性能计算机进行光场绘制和计算,图像刷新率大于30Hz,如图11。同年,国防科大构建了尺寸为3米x4米的平面型光场显示装置,采用了108个投影单元,如图12所示。


图11 浙江大学360度大尺寸光场显示装置


图12 国防科大构建的平面型大尺寸光场显示装置及显示效果

采用投影阵列也可以构建桌面式光场显示器。日本Yoshida等人提出了利用圆锥形光场显示屏幕以及围绕一周的投影单元构建悬浮于桌面的光场显示器。图13为该显示系统原理图和照片,该系统采用了103台微投影机,实现了360度的水平视角,但系统的显示画面较小。


  图13 桌面式光场三维显示系统


二、光场扫描三维显示

按照图3所示光场扫描原理,高速投影单元相对屏幕进行移动扫描可以构建连续的光场分布,但让投影机运动比较困难,因此目前通常采用屏幕转动而投影机静止的方式,如图14所示。图中高速投影单元投影光场图像到一个45度放置的光场反射屏幕上,经屏幕反射后使光线水平射出。当屏幕旋转时,就构建了水平方向分布的光场图像。


图14 光场扫描显示系统光学原理图


该系统最早由南加州大学于2007年实现,系统采用了一台高速DLP投影单元和45度放置的高速旋转光场屏实现了360度的水平光场显示,如图15所示。由于系统没有垂直视差信息,因此采用了人脸跟踪的方式对观察者的垂直观察方向进行实时探测,并同时对显示内容进行修正,从而实现垂直运动视差。系统具有288个水平光场图像,每秒刷新15次。


图15 南加州大学的360度光场扫描显示系统


此外日本Takaki等在2014年提出用视角扫描的方式构建桌面显示装置,如图16。系统采用多个高速投影机,由于每个投影机仅显示一种颜色,因此需要用多个投影机合成彩色。此外,Takaki也提出利用不同高度的投影机产生垂直方向的视差。该系统的扫描屏幕上安置了透镜使光线汇聚到人眼,因此该显示装置严格意义上讲不是光场扫描,而是多视点的扫描,投影的图像是视点图像而不是光场图像。视点扫描方式的缺点是观察者需要在屏幕上方光线汇聚点的位置观看,眼睛离开光线汇聚点过远或过近会引起三维串扰。由于系统并非光场模式,因此尚不具备消除辐辏聚焦冲突的能力。


图16 日本Takaki等提出的桌面多视点扫描三维显示装置


2013年浙江大学构建了基于高速DLP投影单元和水平光场扫描的桌面型光场显示装置,如图17所示。该装置采用了红绿蓝3个DLP芯片,采用背投影方式,实现了可探入式的彩色光场扫描桌面显示。该显示装置和南加州大学的显示装置相比,由于采用了水平光场屏扫描,可以实现图像悬浮式显示,以便于手的探入和交互。2014年在上述系统的基础上,浙江大学提出了360度装置的手势交互方法。2015年实现了计算机到显示系统的实时海量光场数据的生成和传输,系统具有600个水平光场图像,每个光场图像分辨率1024x768,三维场景的实时传输速率为20fps。2016年,提出了通过环带相机进行360度多人人脸跟踪的方法,实现了垂直方向的运动视差。


图17 浙江大学光场扫描桌面三维显示装置及显示效果


三、平板光场显示装置

平板光场显示的研究均是基于现有的平板显示器。2011年麻省理工学院的Gordon等人提出基于多层平面显示器的光场显示概念,如图18 所示。该方法根据三维物体在各个方向上的光场投影数据,优化计算得到相对应的每层平面显示器上的图像,从而构建光场三维图像。为了提高显示效果,该方法最先是将图像打印在五层丙烯胶片上,丙烯胶片厚度为0.3175cm,打印分辨率为300 dot/inch,然后按一定间隔叠放,实现了在水平和垂直方向均为±5°视角的光场显示,光场光线方向的个数为7×7(水平和垂直),如图18。图中(a)为原理图,(b)为各个视角方向的显示效果,(c)为优化得到的每层平面图像。之后团队又提出了压缩光场显示的方法,并使用两层分辨率为1680×1050液晶屏,实现了25×25个方向的光场再现,图像观看视角在水平和垂直方向均为±5°,如图19。


图18 多层光调制的光场显示



图19 采用双层液晶面板的光场三维显示

2013年美国惠普实验室利用光波导和微结构实现了不同方向的光发射,利用该波导作为背光源放在液晶显示面板下方,每个波导微结构和每个液晶面板中的像素对应,实现了像素发光角度的控制,从而实现光场三维显示。图20为采用该方法制作光场三维显示的原理和显示效果。该显示装置分辨率为127像素/英寸,光线方向为200个,视角90度。


图20 采用方向控制背光板的液晶光场三维显示


2016年,苏州大学利用纳米光栅曝光设备,在液晶显示面板上制作微纳光栅来控制每个像素的发光方向,实现了液晶显示器的光场三维显示,装置的分辨率为160 像素/英寸,光线角度方向的数目为64个,视角大小为50度,如图21。


图21 采用纳米光栅方向控制实现的液晶光场三维显示


除了上述的平面光场显示器之外,集成成像技术也通常应用于平面显示器上。集成成像显示以往常作为平板裸眼多视点三维显示的方案,因此不被列入光场显示中。但随着集成成像中显示器的分辨率不断提高,当显示器像素分辨率足够小时,集成成像也可以作为一种光场显示器,集成成像就作为了一种单独的技术手段。这里由于篇幅有限,就不再介绍。

总结与展望

光场三维显示是在重新构建三维物体的发光分布基础上实现的一种三维显示,因此具有连续视角、消除聚焦辐辏冲突等特点。但光场三维显示所需要的信息量相比常规平面显示器信息量增大了数个量级,因此对现有显示器技术提出了新的技术挑战。投影阵列能够在空间上高密度叠加二维图像信息,是现有技术条件下提高显示信息量的一个重要技术手段。但投影阵列由于本身体积较大,投影阵列光场显示比较适合于构建大型的光场显示设备。当然大尺寸的光场三维显示能够满足众人同时观看,并具有较强的沉浸感和强烈的视觉冲击力,也是一种重要的显示设备。

采用光场扫描的三维显示设备可以提供较好的图像质量,与投影阵列相比结构相对简单,成本相对低廉。但目前由于存在机械扫描结构和运动部件,使得显示屏尺寸不能太大,因此比较适合中等尺寸的光场显示。光场扫描中的高速空间光调制器目前国内还缺乏相关研究和开发,尚需要进口。

平板光场显示器可以实现中小尺寸的光场三维设备,具有更好的便携性,适合单人观看,在移动或个人便携式设备上有广阔的应用前景。平板光场显示需要在平板显示器上集成光线方向控制器,这要求现有平板显示具有更高的集成度或分辨率,这对平板显示提出了更高的技术要求。目前在现有平板显示器上进行的原理样机的尝试,由于无法同时兼顾显示分辨率和角度分辨率,显示性能还无法满足应用要求。

总的来看,光场三维显示的近期和未来的研究方向主要集中在两个方面:第一,利用现有的显示元器件,通过光学、电子等技术手段进一步加大信息集成,并针对光场三维显示应用特点对现有显示器件和系统进行优化设计,提高现有光场三维显示的质量。第二,构建基于全新原理的光场显示器件,针对光场平板显示要求,研究高空间分辨率和高速光场角度调控的平板显示器件,为未来的平板显示产业提供变革性技术方案。


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