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距离移动电子设备有多远?裸眼3D显示现状与展望

乔文 周冯斌 陈林森

乔文, 周冯斌, 陈林森. 距离移动电子设备有多远?裸眼3D显示现状与展望[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0303002-0303002-12. doi: 10.3788/IRLA202049.0303002
引用本文: 乔文, 周冯斌, 陈林森. 距离移动电子设备有多远?裸眼3D显示现状与展望[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0303002-0303002-12. doi: 10.3788/IRLA202049.0303002
Qiao Wen, Zhou Fengbin, Chen Linsen. Towards application of mobile devices: the status and future of glasses-free 3D display[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0303002-0303002-12. doi: 10.3788/IRLA202049.0303002
Citation: Qiao Wen, Zhou Fengbin, Chen Linsen. Towards application of mobile devices: the status and future of glasses-free 3D display[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0303002-0303002-12. doi: 10.3788/IRLA202049.0303002

距离移动电子设备有多远?裸眼3D显示现状与展望

doi: 10.3788/IRLA202049.0303002
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(NSFC)(61975140);江苏省高校自然科学研究重大项目(16KJA510002);苏州市重点产业创新前瞻性应用研究项目(SYG201930);江苏高校优势学科建设工程(PAPD)
详细信息
    作者简介:

    乔文(1984-),女,特聘副教授,主要从事微纳光学、微纳制造、微纳传感技术等方面的研究。Email:wqiao@suda.edu.cn

  • 中图分类号: O438.1

Towards application of mobile devices: the status and future of glasses-free 3D display

  • 摘要: 移动电子设备已成为最重要的个人交互平台,具有轻薄型态和低功耗特质的裸眼3D显示亦成为重要研究领域。裸眼3D显示能否应用于移动电子设备,也成为3D显示是否能走进千家万户,影响人类生活习惯的一个重要评判标准。文中主要介绍和比较了与移动电子设备兼容的裸眼三维(3D)显示硬件实现方法和技术,主要包括屏障视差技术、柱透镜阵列技术、时空复用技术、集成成像显示、压缩光场显示和向量光场显示技术。文中进一步分析了现有技术的瓶颈与不足,阐释技术瓶颈的主要产生原因和解决途径,并对裸眼3D显示应用于平板显示的未来发展趋势进行了展望。
  • 图  1  基于视差屏障的裸眼3D显示研究工作

    Figure  1.  Research on glasses-free 3D display based on parallax barrier

    图  2  基于柱透镜阵列的裸眼3D显示研究工作

    Figure  2.  Research on glasses-free 3D display based on lenticular lens

    图  3  基于指向型背光结构3D显示系统

    Figure  3.  Directional backlight 3D display system

    图  4  基于集成成像3D显示研究工作

    Figure  4.  Researches on 3D display based on integrated imaging

    图  5  (a)双液晶显示屏显示原理;(b)、(c)基于衰减原理的多层LCD显示系统结构图;(d)、(e)基于偏振原理的多层LCD显示系统结构图

    Figure  5.  (a) Schematic of dual LCD display; (b),(c) Structure of a multilayer LCD display system based on the attenuation layers; (d),(e) Structure of a multilayer LCD display system based on polarization layers

    图  6  (a) D. Fattal等人提出的3D显示研究;(b)多视角调制方式示意图;(c)实现的3D显示效果图[71];(d)W. Wan等提出的基于像素型纳米光栅的向量光场显示[72];(e) 向量光场显示3D效果图

    Figure  6.  (a) 3D display research proposed by D. Fattal et al; (b) Schematic of multi-view modulation; (c) 3D display effect diagram[71]; (d) Vector light field display based on pixel-based metagrating proposed by Wan et al[72]; (e) 3D images based on vector light field display

    图  7  基于metagratings的向量光场工作原理;(a) 全息图波前重建的示意图;(b)基于周期性结构的多视角3D显示工作原理;(c)基于metagratings的全息采样显示原理;(d) LCD屏,彩色滤光片及metagratings组合全彩色动态3D显示示意图;(e) metagratings将出射的光束合并形成彩色像素的工作示意图

    Figure  7.  Schematic of the vector light field 3D display based on metagratings; (a) Schematic of the wavefront reconstructed by hologram; (b) Schematic of multiview 3D displays based on periodic structures; (c) Schematic of holographic sampling displays based on metagratings; (d) Schematic of the full-color video rate 3D displays by combining a LCD, color filters and the metagratings; (e) Schematic of the metagratings combining emitted beams to form a color pixel

    图  8  (a)辐辏调节矛盾机理;(b)超多视点分布3D显示原理示意图

    Figure  8.  (a) Schematic of vergence and accommodation conflict; (b) Schematic of super multi-view 3D display

    图  9  具有连续3D光场信息的全息采样3D显示;(a)表示利用相机记录3D场景的过程示意图;(b)~(e)表示不同深度下全息采样3D显示

    Figure  9.  Holographic sampling 3D display with a continuous 3D lightfield; (a)Schematic of recording process of a 3D scene by a digital camera; (b)-(e) Captured photos at different depth from a holographic sampling 3D display

    表  1  目前裸眼3D技术存在的优缺点

    Table  1.   Advantages and disadvantages of current autostereoscopic 3D technologies

    Glasses 3D technologiesAdvantagesDisadvantagesViewing angle/(°)Reference
    Parallax barrier 3D display1. Easy to fabricate
    2. Low cost
    1. Low brightness
    2. Limitation of observation area
    3. Small range of motion parallax
    18°-90°[43-45]
    Lenticular lens 3D diaplay1. Low cost1. Severe crosstalk between images
    2. Small range of motion parallax
    56.5°-90°[49][51]
    Integral imaging 3D display1. Full parallax
    2. Easy to fabricate
    1. Limited resolution
    2. Small viewing angle
    3. Limited depth range
    26°-86°[58-62]
    Compressive light field display1. Full parallax
    2. High spatial resolution
    1. Large thickness
    2. Low light utilization
    3. Small viewing angle
    10°×10°-70×60°[67-68][70]
    Vector light field display1. Full parallax
    2. Large viewing angle
    1. Hard to fabricate90°-112°[71-72]
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-03
  • 修回日期:  2020-01-10
  • 网络出版日期:  2020-03-10
  • 刊出日期:  2020-03-01

距离移动电子设备有多远?裸眼3D显示现状与展望

doi: 10.3788/IRLA202049.0303002
    作者简介:

    乔文(1984-),女,特聘副教授,主要从事微纳光学、微纳制造、微纳传感技术等方面的研究。Email:wqiao@suda.edu.cn

基金项目:  国家自然科学基金面上项目(NSFC)(61975140);江苏省高校自然科学研究重大项目(16KJA510002);苏州市重点产业创新前瞻性应用研究项目(SYG201930);江苏高校优势学科建设工程(PAPD)
  • 中图分类号: O438.1

摘要: 移动电子设备已成为最重要的个人交互平台,具有轻薄型态和低功耗特质的裸眼3D显示亦成为重要研究领域。裸眼3D显示能否应用于移动电子设备,也成为3D显示是否能走进千家万户,影响人类生活习惯的一个重要评判标准。文中主要介绍和比较了与移动电子设备兼容的裸眼三维(3D)显示硬件实现方法和技术,主要包括屏障视差技术、柱透镜阵列技术、时空复用技术、集成成像显示、压缩光场显示和向量光场显示技术。文中进一步分析了现有技术的瓶颈与不足,阐释技术瓶颈的主要产生原因和解决途径,并对裸眼3D显示应用于平板显示的未来发展趋势进行了展望。

English Abstract

    • 作为人类获取信息的主要来源之一,视觉在日常生活中显得尤为重要。与自然景物不同,目前传统显示器件只能呈现二维图像。这种缺乏深度的平面信息在一定程度上限制了人类对广阔世界的探索与认知。研究显示,人类的大脑几乎50%的部分均用于参与视觉信息的处理[1],二维图像的呈现方式导致大脑利用率降低。裸眼3D(three dimension)显示在影视、游戏、教育、车载、航空、医疗、军事都有巨大的应用价值。以军事领域为例,从机械制造、战场分析、军队指挥、远程操作等各个环节,都需要3D图像的可视化,对工作效率提升将具有巨大影响。因此,3D显示被誉为“下一代显示技术”,成为重要研究领域和诸多显示公司争相研究的技术之一[2-6]

      1883年C. Wheatstone首次提出利用立体镜实现3D显示[7]。此后的一百多年,利用不同方式实现的3D显示器件如雨后春笋般涌现。基于头戴式设备,如眼镜、头盔等实现的3D显示技术由于便利性和舒适性等问题,尚未得到普及应用[8-13]。裸眼3D显示,无需外戴设备只用肉眼即可获得观察物体的深度信息并形成立体视觉,受到各大主流公司和研究院所的追捧[14-18]。裸眼3D显示主要可分为全息显示、体3D显示和多视角3D等[19-22]。一些体显示技术目前已经成功应用于展厅、博物馆、舞台、广告等领域[23-27],反响强烈。

      裸眼3D显示的一个非常重要应用领域是平板显示。手机、电脑等已成为人们日常生活中获取信息的主要媒介。有调查显示,平均每人每天花在观看手机屏幕上的时间为5 h[28]。因此裸眼3D显示是否走进千家万户,影响人类生活习惯的一个重要评判标准为:裸眼3D显示技术是否进入了平板显示领域[29-34]。目前裸眼3D显示尚不能应用于平板显示领域的主要问题在于硬件的差距和不足。文中主要介绍和比较了与移动电子设备兼容的裸眼3D显示硬件实现方法和技术,分析了现有技术瓶颈与不足的主要产生原因和解决途径,并对裸眼3D显示应用于平板显示的未来发展趋势进行了展望。

    • 自由立体3D显示技术通过将传统平板显示屏幕与“视角调控板”结合,将平板显示屏幕图像分离到若干视角,不同视角的图像进入左右眼睛,通过双目视差获得深度信息。因此也被称为多视角3D显示技术。视角调控板的实现方法主要包括:视差屏障、柱透镜阵列、时空复用、集成光场、压缩光场和向量光场等[35-41]

    • 视差立体图由F. E. Ives于1902年首次提出[42]。基于视差屏障(parallax barrier)3D显示技术在平板显示屏幕前面使用了一个遮光屏幕使出射光线具有方向性,并在特定区域形成视差。如图1所示,屏幕的间隔距离a和像素间距p由硬件和观看条件预先确定,d是双眼分开距离的一半。基于相似三角形可获得适当的势垒间距b和掩模距离c

      $$ {c} = \frac{{p*a}}{{d + p}},{b} = \frac{{2*p\left( {a - c} \right)}}{a} $$

      图  1  基于视差屏障的裸眼3D显示研究工作

      Figure 1.  Research on glasses-free 3D display based on parallax barrier

      针对视差屏障观察范围有限等问题,T. Peterka等人[43]利用LCD屏幕动态调整条状屏障的周期、取向角、占宽比等参数,实现了更大的视场角和2D/3D切换功能。进一步地,双LCD堆叠结构与头部跟踪装置结合,还可实现多人同时观看。然而,基于LCD屏幕实现的动态调制屏障比静态屏障系统在亮度和对比度等方面有明显下降。2016年S. U. Kim等人[44]提出了一种利用偏振片上液晶(Liquid Crystal-on-polarizing Interlayer, LPI)结构,替代传统双LCD叠层结构。如图1(b)所示,一体化的屏幕集成结构缩短了2D显示屏幕和动态视差屏障的距离,进而缩短了观察距离,以用于移动平板显示领域。2016年S. K. Yoon[45]等人提出通过调整视差屏障和显示器之间距离的方法,可改变最佳观察距离和减小串扰。将该方法与人脸追踪技术结合,可将最佳观察距离与观察者位置匹配起来,提高系统的可视范围。

      视差屏障技术由于其制作简单、成本低等优势被率先应用于3D显示系统。然而该方法中光线方向调控能力与视差屏障透光孔径成反比,光利用率较低是其主要应用瓶颈。

      为解决视差屏障3D显示亮度低的问题,柱透镜阵列3D显示技术孕育而生,其显示原理如图2(a)所示。W. Hess[46]于1915年获得了一项基于一维(1D)透镜阵列的3D显示器的专利。由此柱透镜阵列3D显示开始快速发展。为避免莫尔条纹,柱透镜阵列与显示屏幕像素排布方向通常有一个夹角[47-48]。2019年T. Q. Huang[49]等人利用深度相机头部追踪系统和柱透镜阵列组合(见图2(b)2(c)),使双目视差由柱透镜显示系统提供,运动视差由深度相机头部追踪系统提供,视场角扩大至56.5°。

      图  2  基于柱透镜阵列的裸眼3D显示研究工作

      Figure 2.  Research on glasses-free 3D display based on lenticular lens

      基于柱透镜阵列的3D显示技术在部分手机、电视、广告机中已获得应用[50-51],是目前所有与平板显示结合的裸眼3D显示技术中商业应用最为广泛和成熟的技术。HOLOGRAFIKA公司所研发的HOLOVizio,尺寸大小有44、72、140 in(1 in=2.54 cm)等,其中72in的裸眼3D显示装置的视角范围可达70°,显示图像分辨率可达1 280 pixel×768 pixel[52];上海易维视科技有限公司研发了基于柱透镜阵列的3D显示系统,并且已有多款3D显示电视成功商业化,尺寸大小有85、98 in等,其中98 in大尺寸装置最高分辨率为3 840 pixel×2 160 pixel,最佳可视角度达90°[53]

      视场角不足、无运动视差、长时间观看引起眩晕感等问题是目前制约基于柱透镜阵列的3D显示技术进一步发展和普及的主要因素。

    • 时空复用3D显示(spatio-temporal multiplexing multi-view 3D display)技术基于控制光线出射方向的指向型背光结构设计,结合高速刷新新的LCD显示技术,利用时间复用的方法实现全分辨率的3D显示效果。

      时空复用3D显示技术一般局限于单人观看。针对这一问题,台湾交通大学的C. H. Ting等人[54]设计了一种倒梯形微结构,如图3(a)3(b)所示,可实现三人同时观看的3D显示。为降低图像串扰,2017年上海交通大学的Jian-Gang Lu课题组[55]提出了一种可获得高分辨率、低串扰的指向型准直结构。如图3(c)3(d)所示,通过时序切换,可在空间形成多个视角点。J. Zhou课题组[56]利用左右分布的带状光源、透镜阵列和LCD面板,设计了一种分辨率高,且具有较高亮度均匀性的指向型背光显示系统。利用自由曲面的背光系统减小离轴畸变问题,将串扰降低至3%,提高了3D图像的清晰度和对比度。

      图  3  基于指向型背光结构3D显示系统

      Figure 3.  Directional backlight 3D display system

    • 基于柱透镜阵列的3D显示技术只能提供水平视差,而基于球面微透镜阵列的集成显示(integral display)可再现全视差图像。这类技术首先于1908年被G. Lippmann所提出[57]。其原理如图4(a)所示,图像记录时,记录下每个透镜元对应生成的不同视角图像。图像再现时,多视角图像元的出射光线在微透镜阵列前方再现出来,形成完整的3D图像。光场显示的优点是能够再现全视差3D图像,并可提供运动视差信息。其分辨率下降严重、视场角受限等问题一直是学者们重点研究和解决的领域。

      图  4  基于集成成像3D显示研究工作

      Figure 4.  Researches on 3D display based on integrated imaging

      解决分辨率下降问题的一个主要途径是利用时分复用的方法,用时间信息换空间信息。Q. H. Wang等人[58]提出的利用两块偏振方向互相垂直的偏振镜阵列、一个偏振开关和一块液晶面板组成的集成成像系统,通过时序切换的方式实现无分辨率损失的双目视差3D图像。如图4(b)4(c)所示,L. Yang等人[59]提出利用定向时序背光板的方法来实现复合透镜阵列的时分多路拼接,从而产生具有较大发散角的密集点光源阵列,以高帧速率在LCD面板上扫描不同图像元,并与从定向时序背光板生成的特定平行光束进行同步,确保了重建的3D图像具有更高的观看分辨率。解决分辨率下降的另一个方法是利用拼接获取更多信息量和显示幅面。2017年,N. Okaichi等人[60]提出了一种多液晶屏幕放大拼接的方法提高分辨率,与使用单个LCD面板相比,3D显示图像质量明显提升且显示区域提高约5.66倍。2016年M. H. Song等人[61]提出一种由多个平面透镜阵列组成的曲面透镜阵列。通过调整透镜阵列的曲率半径,将视场角扩大为传统平面透镜阵列的2倍。

      除微透镜阵列外,微孔阵列也能实现光场显示。如图4(d)4(e)所示,2018年L. Yang[62]等人提出了一种微孔(pinhole)阵列结构,代替传统的狭缝光栅结构,通过设计特殊的微针孔结构并结合全息功能屏,增加视点密度使得运动视差更加平滑,并且提高了视场角由原始的20°提高至42.8°。

    • 利用多层液晶屏对同一3D场景进行光场调制,可实现压缩3D光场显示(Compressive 3D light field display)。双层液晶屏显示原理如图5(a)所示。

      图  5  (a)双液晶显示屏显示原理;(b)、(c)基于衰减原理的多层LCD显示系统结构图;(d)、(e)基于偏振原理的多层LCD显示系统结构图

      Figure 5.  (a) Schematic of dual LCD display; (b),(c) Structure of a multilayer LCD display system based on the attenuation layers; (d),(e) Structure of a multilayer LCD display system based on polarization layers

      确定空间中P点位置的两条光线ηLηR可用两个显示屏上的像素αLβLαRβR来实现。令背光源的光强为IBG,各个像素的透过率分别为T(αL)、T(βL)、T(αR)、T(βR),那么人眼看到的两条光线的光强分别为:

      $$ {I_L} = {I_{BG}} \cdot T(\alpha_L) \cdot T (\beta_L), $$ (1)
      $$ {I_R}=I_{BG} \cdot T(\alpha_R)\cdot T(\beta_R). $$ (2)

      因此,空间中的P点就可以被构造出来,同理另一位置的Q点也可以被构造出来[63]。根据实际三维场景的光场强度分布,利用迭代算法控制每个像素的透过率,不断切换左右眼的视差图像,就可以通过层叠光线来实现三维场景的再现。

      2010年D. Lanman等人[64]提出了一种基于自适应视差屏障的压缩光场显示,与传统视差屏障法不同,堆叠的LCD面板均可视为空间光调制器,利用时分复用的方式高速刷新LCD面板,实现了视差屏障能够根据显示内容的不同达到自适应的效果,较于传统视察屏障空间分辨率和显示亮度得到提高,视场角为10°×10°。次年,G. Wetzstein[65]提出利用层析法的原理,将3D物体进行层切,利用堆叠的LCD面板,其作用类似于多层光强衰减器,通过显示不同景深下的3D物体,重建3D的光场信息。由于基于光强衰减原理的多层液晶显示技术光利用率较低,D. Lanman[66]还提出了基于偏振原理的压缩光场显示器概念,如图5(c)5(e)所示,与基于衰减原理的多层光场显示不同,该装置中的多层LCD功能为电压控制的偏振器。如图5(c)所示,中间的LCD面板对光线进行偏振调制,最后一块偏振层对光线出射方向进行精准调制,重建3D图像。

      无论是基于光强衰减原理或是偏振原理的多层液晶显示系统分辨率高,但视场角有限。通过增加显示器的层数或提高刷新率可以扩大视角。但是这两种方法都有局限性:增加显示器层数将增加硬件和计算复杂度,光学效率也会以指数形式降低。此外,目前LCD屏幕刷新频率上限大约为240 Hz,考虑到人眼响应时间决定了图像最低刷新频率为60 Hz,通过时分复用方法,信息量也只能增加4倍。这对于追求高品质的裸眼3D显示是不够的。

      2012年,G. Wetzstein等人[67]在原先提出的基于光强衰减原理和偏振原理的多层液晶显示系统基础上,通过在多层LCD后部添加一块指向型背光板,提出了一项新的“张量”显示技术(tensor display)。这种结构通过多层LCD屏幕和多帧率的光场分解,达到了扩大视场角的目的,视场角由原先的10°×10°提高为50°×20°。

      此外,计算方法的突破成为压缩光场显示领域学者们研究的重点。2015年S. Z. Wang等人[68]提出了一种深度初始化方法:首先基于先验深度对光场进行建模,再对已分层的光场图像进行优化。该方法计算周期更短,图像信噪比更小。J. H. Zhang等人[69]将光场的分解看成一个边界约束的非线性矩阵优化问题,并基于此提出了一个通用数学模型,既可用于基于衰减片的光场显示,也可用于基于偏振片的多层液晶3D显示图像。实验证明基于该算法的重构图像具有更好的图像保真度。D. Chen[70]等人提出基于多层液晶的权重压缩光场显示,在光场显示图像优化处理时,依据观察者位置的变化,可以对3D图像进行优化编码,提高3D图像的显示质量,实现了视场角的扩大,视场角为70°×60°。

    • 向量光场显示通过控制像素的发光方向和发散角,利用带有方向的光束重构空间三维物体。基于衍射光学的向量光场显示可对出射光的方向进行精准调控,像素尺寸和光束发散角足够小,进而模拟三维物体的出光光线。向量光场显示对集成光场显示中出现的分辨率下降、视场角较小等问题均有一定程度上的改善。

      惠普实验室的D. Fattal等人[71]提出了一种基于周期性纳米光栅的宽视角指向型背光设计。如图6(a)~6(c)所示,在准直光照射下,光栅像素的周期和取向决定视角方向。结合现有成熟的LCD技术,形成多视角3D立体显示。这种基于像素型纳米光栅的3D显示技术被MIT Technology Review评为“一种颠覆百年的3D显示技术”。

      图  6  (a) D. Fattal等人提出的3D显示研究;(b)多视角调制方式示意图;(c)实现的3D显示效果图[71];(d)W. Wan等提出的基于像素型纳米光栅的向量光场显示[72];(e) 向量光场显示3D效果图

      Figure 6.  (a) 3D display research proposed by D. Fattal et al; (b) Schematic of multi-view modulation; (c) 3D display effect diagram[71]; (d) Vector light field display based on pixel-based metagrating proposed by Wan et al[72]; (e) 3D images based on vector light field display

      笔者所在课题组W. Wan等人[72]提出了一种基于像素化metagrating的位相与振幅分离式的视角调制方法。逐像素的metagrating结构设计赋予光向量更大自由度。通过理论计算会聚视点再现角间隔与像素化metagrating周期和取向变化的关系,发现像素内结构变化精度达到亚纳米级才能形成会聚视点。例如,为获得0.7°的视角间隔,metagrating的周期调控精度需达到0.12 nm。针对亚纳米精度metagrating的制备难题,自主研制了紫外连续变频纳米光刻系统,可实现亚纳米调控精度的像素化metagrating制备。如图6(d)所示,为进一步验证metagrating对3D光场调制的正确性,研究团队制备了6~32 in (1in=2.54 cm)幅面,含不同结构参数的视角调制板。将视角调制板与液晶屏幕结合。在LED光源的照明下,实现了16个视角的精确调制,得到了视场角为50°的真彩色3D显示效果,重现3D图像具有连续平滑的运动视差。

    • 裸眼3D显示研究可分为用于视角/相位调控的硬件研究和用于内容兼容和深度优化的算法研究。软件算法可以缓解和弥补硬件不足,优化显示性能效果。目前3D显示的“卡脖子”问题仍然是硬件方面的不足。

      硬件上的不足,是指视角分离方法和器件的设计与制备方法的不足与限制。主要表现为:眩晕感(辐辏调解矛盾)、图像串扰/鬼影、分辨率下降等问题亟待解决。此章节将主要介绍裸眼3D显示技术中存在的主要问题和解决方案。

    • 图像串扰是指视角图像进入相邻视角观察区域,引起图像模糊和重影等问题。图像串扰是裸眼3D显示技术的共性问题,也是影响3D显示图样质量的关键性因素之一。严重的串扰现象将导致立体图像难以融合形成清晰的3D图像而失真,并导致视觉疲劳和观察不适。

      P. C. Wang[73]曾将串扰定义为由于入射至左右眼的光线不完全分离,导致视角图像的光“泄露”到了另一只眼睛中,从而引起图像的重影,可用下列公式对串扰做出定义。

      $$ {\rm{Crosstalk}}\left( {\rm{\% }} \right){\rm{ = Leakage/signal \times 100\% }} $$

      F. L. Kooi等人研究认为5%是图像串扰允许的最大值[74],L. L. Wang等人研究认为5%-10%是人眼察觉图像鬼影的图像串扰阈值[75],C. Y. Chiang等人则认为人眼可以接受的最大图像串扰值是20%左右[76]。可见不同系统和显示内容下,图像串扰允许值变化较大。一般地,人眼可接受的图像串扰与观察者视力情况、所显示图像对比度,图像纹理等因素有关。毫无疑问地,图像串扰值越小越好。

      2015年S. K. Kim[77]利用动态眼球跟踪系统找到使用的观察视角,并将观察视角以外的像素变暗,使基于视差屏障的3D显示系统图像串扰降低至7%。2017年J. L. Guo等人[78]利用具有凹陷结构的导光背光板控制出射的照明光源位置与大小,使基于视差屏障的3D显示系统图像串扰降低至1.8%。2018年L. Yang[79]利用微孔阵列与眼球追踪方法,将串扰控制在7%以下。

      图像串扰的大小,本质上取决于多视角光线操纵能力的强弱。多视角图像的光强分布与视角调控板的设计和制备有很大关系。周期性结构对光线调制的出射光是平行光,在从一个视图到另一个视图的过渡区域中会出现串扰和重影。笔者所在课题组W. Wan等人[72]提出基于非周期结构实现会聚视点,如图7所示,实现全息采样3D显示,可极大地降低串扰,消除鬼影。

      图  7  基于metagratings的向量光场工作原理;(a) 全息图波前重建的示意图;(b)基于周期性结构的多视角3D显示工作原理;(c)基于metagratings的全息采样显示原理;(d) LCD屏,彩色滤光片及metagratings组合全彩色动态3D显示示意图;(e) metagratings将出射的光束合并形成彩色像素的工作示意图

      Figure 7.  Schematic of the vector light field 3D display based on metagratings; (a) Schematic of the wavefront reconstructed by hologram; (b) Schematic of multiview 3D displays based on periodic structures; (c) Schematic of holographic sampling displays based on metagratings; (d) Schematic of the full-color video rate 3D displays by combining a LCD, color filters and the metagratings; (e) Schematic of the metagratings combining emitted beams to form a color pixel

    • 所谓分辨率的降低,即对于具有N个视图的3D显示器,单个视图的图像分辨率降低至原显示器分辨率的1∕N

      已知人眼分辨率为1('),对应明视距离50 cm处人眼最小可分辨结构尺寸为0.15 mm。

      根据衍射极限,可得0.15 mm大小光阑的衍射发散角为:

      $$ \Delta\theta = 1.22 \lambda /D = 1.22 \times 500\;{\rm{nm}}/0.15\;{\rm{mm}} = 0.23^\circ $$

      式中:λ为工作波长,取中间值500 nm。D为光阑大小。即裸眼3D显示系统理想情况下的单个视角发散角度应为0.23°。对应于180°可视窗口中需要782个水平视角。由此可知,仅具有水平视差的裸眼3D显示屏幕上面积为0.15 mm×0.15 mm的单个体像素内需要实现782个视角(子像素),即像素数密度约为35 000/mm2。同时考虑水平视差和垂直视场,一个理想的裸眼3D显示需要比2D显示高782×782≈106倍的显示信息量!

      在屏幕像素数一定的条件下,裸眼3D显示的空间分辨率和角分辨率是一对辩证矛盾体。提高所有视角的空间分辨率可提高图像清晰度,但意味着视点数目减少,角分辨率下降。另一方面,提高角分辨率可扩大视场角或视角变换更连贯,却带来图像颗粒感增强,空间分辨率下降的问题。在总信息量一定的条件下,更多的信息是给予平面空间(提升清晰度)还是深度空间(提升视场角或景深),如同“鱼”和“熊掌”不能兼得,成为一对不可调和的矛盾体。

      2017年英国剑桥大学的K. Li等人[80]提出了用于手机的全分辨率裸眼3D显示技术。如图8所示,每个液体透镜覆盖相邻两列像素图像。液体透镜时序的移动一个亚像素,导致前一时刻进入左眼的像素在下一时刻进入右眼,而前一时刻进入右眼的图像像素在下一时刻进入左眼。在人眼视觉暂留效应下,人眼能够在保持显示面板本身的图像分辨率的同时,获得物体深度信息。此外,该方法还可实现无分辨率损失的2D/3D显示模式切换。其左右视角图像串扰分别为26%和41%,更小的液晶层和更连续的相位可进一步降低图像串扰的影响。

    • 多视角3D显示中最主要的问题之一是辐辏调解矛盾引起的眩晕感。如图8(a)所示,人眼通过多个途径感知物体深度信息。“调节”是指单个眼睛具有调焦功能。睫状肌调节晶状体的曲率,使不同深度的观察物体在视网膜上都可呈现清晰图像。“辐辏”是指人眼观察远近物体时,双眼观看方向之间的角度。观察自然物体时,单眼调焦和双眼会聚过程获得的物体深度信息吻合。然而,观察3D显示屏幕时,单眼调焦获得的深度信息仍然是屏幕距离,而双目会聚过程提供的视差信息在屏幕前方或后方。两者信息不一致,即辐辏调节矛盾导致感知混乱并引起不适。

      图  8  (a)辐辏调节矛盾机理;(b)超多视点分布3D显示原理示意图

      Figure 8.  (a) Schematic of vergence and accommodation conflict; (b) Schematic of super multi-view 3D display

      B. C. Kan等人[81]提出视差分布,观看条件,亮度信息以及感知和认知不一致都会引起视觉疲劳。因此,他们提出了一种基于辐辏一致性的3D图像舒适度客观评估方法。其中NM是图像的宽度和高度,而w+(xy)和w(xy)分别表示标准化的正和负视差舒适度评估因子。通过计算舒适度评估因子的平均值来描述视觉舒适度。该方法的度量范围在0和1之间,其中0和1分别代表最佳和最差舒适度。如果超出舒适范围,则像素级归一化舒适度评估因子的平均总和将接近1,反映该图像导致视觉疲劳。视差舒适度评估因子VC可表达为:

      $$ VC = \mathop \sum \limits_{x = 1}^N \mathop \sum \limits_{y = 1}^M \frac{{{w_ + }\left( {x,y} \right) + {w_ - }\left( {x,y} \right)}}{{NM}} $$ (3)

      归一化的正视差舒适度评估因子为:

      $$ {w_ + } = \left\{ \begin{split} & {\frac{{{d_1} - d\left( {x,y} \right)}}{{\max \left( {{d_1} - d\left( {x,y} \right)} \right)}},d\left( {x,y} \right) \le {d_1}}\\ & {{{\left( {\frac{{d\left( {x,y} \right)}}{{{d_1}}}} \right)}^2},{d_1} < d\left( {x,y} \right) < 0} \end{split}\right. $$ (4)

      式中:d(x, y)是每个像素的视差,而d1是正视差舒适范围的边界值。基于尺度不变特征变换(SIFT)的稀疏匹配算法可用于获得每个像素的视差。

      $$ {w_ - } = \left\{ \begin{aligned} & {\frac{{d\left( {x,y} \right) - {d_2}}}{{\max\left( {d\left( {x,y} \right) - {d_2}} \right)}},d\left( {x,y} \right) \ge {d_2}}\\ & {{{\left( {\frac{{d\left( {x,y} \right)}}{{{d_2}}}} \right)}^2},0 < d\left( {x,y} \right) < {d_2}} \end{aligned}\right. $$ (3)

      式中:d2是负视差舒适范围的边界值。d1d2可以通过t1t2的几何转换来获得,而t1t2则由实际的观看距离确定。t1是屏幕后面的远侧深度,t2是屏幕前面的近侧深度。舒适水平视差范围内外的视差比例分别由公式(4)和(5)计算。文中假设未交叉视差的值(在屏幕后面)为负,而交叉视差的值(在屏幕前面)为正。

      除了在数值上分析3D图像显示中的辐辏调节矛盾问题,学者们进一步研究了减小辐辏调节矛盾的技术途径。

      在具有多个会聚视点的裸眼3D显示技术中,单个瞳孔可同时观看到两个以上的视角,多条经过3D物体中同一点的光线同时进入人眼(例如右眼),成像于视网膜上,根据光线可逆原理,人眼会聚焦在3D物体的像素点上(而不是显示屏上),这样便实现了单眼调焦效果。当单个眼睛能够看到两幅以上视角图像时,实现单眼视差效果,即单眼聚焦的位置位于显示物体上,与双眼聚合的位置相同,减小了辐辏调节矛盾,同时实现了连续的动态视差,使观看效果更加自然。

      H. Mizushina等人[82]在2017年对超视点分布3D显示技术进行了研究。通过跟踪人眼瞳孔大小,晶状体屈光度等参数进行比较,发现与双视差图像相比,超视点分布视差图像增大了人眼调节的范围。人眼观察超视点分布视差图像时的辐辏-调节函数斜率与观察真实物体时的斜率相似,表明超视点分布视差图像可以减少辐辏调节冲突,缓解长时间观看引起的视疲劳。

      由笔者所在课题组W. Wan[72]设计的基于metagrating对光线进行像素化相位调制以形成会聚视点。当视点密集时,全息采样能够形成近似连续的光场。拥有四个可调参数(周期,方向以及2维位置信息)的metagrating对光线有着良好的调控作用。如图9所示,利用16个视点就使人眼在实际观看时能够单眼聚焦在虚拟3D图像上,提高了角分辨率,消除了辐辏调节矛盾的影响。

      图  9  具有连续3D光场信息的全息采样3D显示;(a)表示利用相机记录3D场景的过程示意图;(b)~(e)表示不同深度下全息采样3D显示

      Figure 9.  Holographic sampling 3D display with a continuous 3D lightfield; (a)Schematic of recording process of a 3D scene by a digital camera; (b)-(e) Captured photos at different depth from a holographic sampling 3D display

    • 传统的基于视差屏障的3D显示技术由于其制备过程简单、成本较低、易于实现等优点最早得到应用。然而由于视差屏障存在对光线的物理遮挡,导致所显示的3D图像亮度降低。与视差屏障的作用类似,基于柱透镜阵列的3D显示技术由于显示亮度的提升,成为目前较为成熟和普遍的3D显示方法。例如国外的HOLOGRAFIKA公司开发的HOLOVizio、上海易维视等已成功开发出多款电视机、广告机、教育机。然而,图像串扰等问题成为其技术推广的瓶颈。基于微透镜阵列的3D显示由于具有近似连续的视差信息3D图像重建、可实现全视差且易于制备等优点,成为广大研究机构调研的对象。该技术通过透镜阵列记录和再现大量图像元,可实现不同景深调节。分辨率损失严重、视场角较小是限制其发展的主要因素。

      传统的裸眼3D显示大多是采用几何光学的方式对显示屏像素的出射方向进行调控,由于制备精度与调控精度有限,得到的视角不连续、串扰大,容易产生视觉疲劳等缺点。向量光场显示将显示的视角图像像素逐一与纳米光栅像素匹配,经过纳米结构对光的方向性调制,视角图像被分离于不同的视点位置,重构3D图像。目前裸眼3D技术存在较多优缺点,如表1所示。相较于其他技术,向量光场显示对光调制方向更具任意性,视角调制范围更广、自由度更高,能够实现大视场角、全视差、超薄化的3D图像显示。

      无论基于哪种方法,3D显示的终极目标是真实再现自然物体所产生的光场。考察空间内任意点发出光线,可用7个独立变量表达:P(x, y, z, θ, φ, λ, t)。略去传播损耗,需要至少4个独立变量描述该传播光线:P(x, y, θ, φ)。这个光函数包含了两个空间变量(x, y)和两个角度变量(θ, φ)。因此,对应于4个独立变量的光线传播函数,一个3D显示器件需要具有至少4个独立可调控量的视角调控器件才能再现所要表达的光函数。

      因此,无论视差屏障、柱透镜阵列、微透镜阵列还是纳米结构阵列,都需要至少4个独立可调控的结构参数实现光线重构。以基于微透镜阵列的光场显示为例,这种周期性的微纳结构元件中,位置参量(x, y)与角度参量(周期,透镜曲率半径)并不完全独立。因此出射光线具有方向性,但不能再现具有4个独立变量的光函数。而重构光函数的方法应是解耦位置参量和角度参量,实现真正4个独立变量的结构参数。换句话说,无论是基于宏观结构,还是微纳结构的视角调控板,其未来发展方向应是逐区域(或逐像素)的设计和优化,以实现对光线的精准调控。

      表 1  目前裸眼3D技术存在的优缺点

      Table 1.  Advantages and disadvantages of current autostereoscopic 3D technologies

      Glasses 3D technologiesAdvantagesDisadvantagesViewing angle/(°)Reference
      Parallax barrier 3D display1. Easy to fabricate
      2. Low cost
      1. Low brightness
      2. Limitation of observation area
      3. Small range of motion parallax
      18°-90°[43-45]
      Lenticular lens 3D diaplay1. Low cost1. Severe crosstalk between images
      2. Small range of motion parallax
      56.5°-90°[49][51]
      Integral imaging 3D display1. Full parallax
      2. Easy to fabricate
      1. Limited resolution
      2. Small viewing angle
      3. Limited depth range
      26°-86°[58-62]
      Compressive light field display1. Full parallax
      2. High spatial resolution
      1. Large thickness
      2. Low light utilization
      3. Small viewing angle
      10°×10°-70×60°[67-68][70]
      Vector light field display1. Full parallax
      2. Large viewing angle
      1. Hard to fabricate90°-112°[71-72]

      随着加工手段的不断进步,基于金刚石车床的传统加工方法和激光直写的微纳加工平台为多视点3D显示的视角调控器件提供了多样的加工选择。加工平台在制备效率,加工幅面,形貌精度和数据处理上的进一步提升,具有非周期结构的大幅面视角调控器制备将成为可能。

      从应用来看,眩晕感(辐辏调解矛盾)、图像串扰/鬼影、分辨率下降等问题是目前科研工作者关注的焦点。然而如要成功应用于平板显示领域,除质轻体薄和低功耗外,还需解决2D/3D模式可切换、与新型显示(OLED, μLED等)方式兼容性、柔性折叠屏幕等方面的应用层次需求。实际上,目前大多数技术不能兼顾所有问题。常常在解决一个问题的同时,又引入新的问题。基于microLED或μLED屏幕的平面指向性光源,与向量光场显示结合的技术路径,利用时空复用提升显示信息量,通过光场算法、智能制造等领域的产研协同,有望在数年内突破相关技术瓶颈,在移动终端实现无视觉疲劳的裸眼3D显示。

      另外,5G时代的来临将为裸眼3D的信息传输提供飞跃性的性能提升。由microLED显示技术带来的模块化设计,通过将微小面板进行无缝拼接,有效地扩大了显示系统的信息量。裸眼3D显示的普及发展,不仅需要光学领域的技术变革,更需要制造、芯片、算法、网络等整个产业链的协同合作,使信息处理能力获得质的飞跃。未来的通信技术、microLED、微纳光学制备技术三者有机结合,或将会引领整个3D显示产业的创新和生态链发展。

参考文献 (82)

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