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[话题] 走出电影来到人间的裸眼悬浮3D,竟能如此酷炫!

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yexuqing 发表于 2018-9-26 12:43:50 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
走出电影来到人间的裸眼悬浮3D,竟能如此酷炫!何处遣肥唐 发表于  昨天22:44

|· 本文来自“我是科学家”·|

很多人对悬浮裸眼3D的最初印象,大概都源自一些影视作品。如著名的《星战》系列中,就经常会出现“3D悬浮视频会议”和空中影像资料的镜头。

“帮帮我,欧比-旺·克诺比。你是我唯一的希望。”《星战4》中出现的莱娅公主以3D影像向欧比旺寻求帮助的场景。图片来源:《星战4》

多年来,优秀的科学家和技术宅们,一直在不断努力去推动悬浮3D这个超难黑科技的发展。如今,这项技术已经渐渐走出荧幕,来到人们身边。

以《星战》中女神名字命名的莱娅3D公司。图片来源:LEAI官网



怎样才算真正的裸眼悬浮3D

那么,怎样才算上的是真正的悬浮裸眼3D呢?

它不是这样借助“栅栏”实现的的“伪3D”动画,

图片来源:《海绵宝宝》

不是需要佩戴3D眼镜才能观看的3D电影,

图片来源:图虫创意

也不是只有简单图像的全息影像,

图片来源:图虫创意

更无需要借助VR设备或手机特殊软件,

这是AR增强现实。图片来源: microsoft

而是下面这种,立体的,无需借助任工具用裸眼就可以观看的,悬浮在空中的影像。

莱雅公司用激光器打出来的3D悬浮。图片来源: gfycat.com

没错,3D、悬浮、裸眼的成像技术构成了真正的3D悬浮影像。正如你在《星战》里看到的那种。




人眼如何看到悬浮3D

人类所看到的世界是立体的,这是因为我们的两只眼睛所看到的世界有轻微的差别。我们的大脑将这两个不一样的图像结合起来,自动对看到的画面生成一个3D模型。

需要眼镜的3D显示就是这个原理:最简单的3D电影,眼镜的两个镜片偏振的方向(或者滤光器)不同,从而使两个镜片同时能有不同的成像。高档一些的3D电视眼镜中的快速闪烁的开关,能与屏幕上的图像同步变换,使两个眼睛看到的图像不同。

那如果我们不想戴眼镜就看到3D效果呢?其实道理还是一样,只是这项任务需要交给显示器来完成。显示器上一个像素点给出的不同的光,要分别有很强的方向性,一束光指向左眼,一束光指向右眼,这样子,这样两只眼睛就会看到不同图像。这样的像素点越多,实现的裸眼3D效果也就越好。

a只有两个视觉区,三个出射方向,观众只有在一个位置可以得到左右眼不同的图像。b只有两个视觉区,更多的出射方向,观众在特定的几个位置可以得到左右眼不同的图像。c有n多个视觉区,观众无论站在哪里,双眼得到的图像都是不一样的。图片来源:参考文献[1,2]。



实现裸眼悬浮3D的三种不同方式

2013年,Fattal等人在《自然》杂志上发表了一项可以实现无眼镜3D显示的方法——多视图自动立体3D显示技术。

他们用波导把光导入微型衍射光栅,从而使特定的光打到特定的方向,以此来输入不同视觉区的图像数据。这个设计当时可以打出14个视觉区,预期最高可以做到64个视觉区。这样的视觉区越多,人们看到的3D图像的像素也就越高。[3]

以透明六边形玻璃作为波导,将RGB(红绿蓝)三种光从不同方向入射到波导中。通过光学设计不同的单位衍射光栅(以一个RGB像素点为最小单位),使三种光线在每一个单元上都有折有不一样的折射角。图片来源:参考文献[3]
这种设计最后的效果图。图片来源:参考文献[3]

后来的LEIA公司用的就是这种技术,也就是前文那张绿色悬浮影像的原型。这种技术相比别的无眼镜3D的好处,是可以做成携带式设备。用这种方法做的悬浮的3D无眼镜显示,叫衍射光场背光技术(diffractive lightfield backlighting,DLB),也是LEIA公司的知名专利。

LEIA的DLB技术:分别由DLB模块,LED edge lighting和LCD面板组成。图片来源:LEIA官网

除此以外,还有其他种类的无眼镜悬浮3D技术——例如比较有名的双凸透镜或微柱透镜3D技术(lenticular arrays display)。它的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜,通过对光路的改变,透镜就能以不同的方向投影每个液晶显示屏上的像素点,于是双眼从不同的角度观看显示屏,可以看到不同的图像。这个技术需要依靠液晶显示屏,分辨率做不大,视觉区数量也有限。

3D TV,图片来源:Dimenco官网
Dimenco 公司的lenticular arrays 3D技术示意图,透镜能够把左右眼图像分别折射到双眼所在的位置。图片来源:Dimenco官网

还有就是光屏障式3D技术(parallax-barrier system),也被称为视差屏障或视差障栅技术,夏普3D手机和任天堂3DS采用的都是这项技术。

这一技术需要有一个开关液晶屏幕(LCD),然后用液晶层和偏振层制造出一系列间隔为十几个微米的光栅条纹。对于左眼,光栅条纹会遮挡右眼应该看到的图像,反之亦然(如下图)。这个是目前产业化力度最大的技术,不过亮度很低,分辨率也很低,而且难以做成可携带设备。

任天堂3DS游戏机,图片来源:任天堂官网
Parallax-barrier system光屏障式3D技术,R与L分别对应右眼和左眼的显示图像。图片来源:维基百科

LEIA公司的这种多视图自动立体3D显示技术(Multiview autostereoscopic 3D displays),仍旧是目前最受关注的,因为这种技术可以做到便携设备上,也可以做到很小,同时分辨率很高。但是由于3D影像对目前分辨率要求远超于2D,所以对数据量以及激光器的功能的需求也就更大,这是目前还未解决的难题。




裸眼悬浮3D成像的未来

裸眼悬浮3D成像不仅仅是为了满足阿宅们对于超强影视效果的追求,更重要的意义在于它能够提升人们对数字立体空间的应用,比如利用高分辨率的核磁共振成像数据,可以构成微小复杂的脑、神经、血管3D医疗成像,从而提升诊断效率。

总之,《星战》同款显示技术离我们已经不再遥远,相信过不多久,人们就会看到飘在空中的同款3D莱娅女神。裸眼悬浮3D技术也有可能为显示,医疗检测,手机等行业注入新的血液。开发新技术的意义总是远超于目标本身。

LEIA黑科技:指尖上的蝴蝶,图片来源:LEIA官网

“朝你的梦想加快速度迈步吧!” 图片来源:新浪博客

本文由「驻波」公众号供稿,感谢yoyo、博的评审及修改意见。

(编辑:Yuki)




参考文献:
  • Dodgson, N. A. Appl. Opt. 35, 1705–1710 (1996)
  • Dodgson, N.A., 2013. Optical devices: 3D without the glasses. Nature, 495(7441), p.316.
  • Fattal, D. Nature 495, 348–351 (2013)


本文版权属于果壳网(guokr.com





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