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| | 立体三维显示技术Volumetric 3-Dimensions Display |
最近研究了一下三维立体显示技术(属于较为宽泛的光通信技术外延，我个人觉得)，发觉这个领域真的非常“迷人”，特写出来与大家一起分享；)
目前的三维立体显示技术共可以分为分光立体眼镜 (Glasses-based Stereoscopic)、自动分光立体显示 (Autostereoscopic Displays)、全息术 (Hologram)和体三维显示 (Volumetric 3-D Display)4大类。
其中的前两类应该都是大家很熟悉的技术了，它们都采用了视差的方式来给人以3D显示的感觉：分别为左眼和右眼显示稍有差别的图像，从而欺骗大脑，令观察者产生3D的感觉。由于人为制造视差的方式所构造的3D景象并不自然，它加重了观察者的脑力负担，因此看久了会令人头痛。而全息术则利用的并不是数字化的手段，而是光波的干涉和衍射，它一般只能生成静态的三维光学场景，并且对观察角度还有要求，所以就目前而言，它对于人机交互应用而言还并不适合。
体三维显示则与前三者不同，它是真正能够实现动态效果的3D技术，它可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为扫描体显示 (Swept-Volume Display)和固态体显示 (Solid-Volume Display)两种。其中，前者的代表作是Felix3D和Perspecta，而后者的代表作则名为DepthCube。
Felix3D拥有一个很直观的结构框架，它是一个基于螺旋面的旋转结构，如下图所示，一个马达带动一个螺旋面高速旋转，然后由R/G/B三束激光会聚成一束色度光线经过光学定位系统打在螺旋面上，产生一个彩色亮点，当旋转速度足够快时，螺旋面看上去变得透明了，而这个亮点则仿佛是悬浮在空中一样，成为了一个体象素(空间象素，Voxel)，多个这样的voxel便能构成一个体直线、体面，直到构成一个3D物体，过程很直观，不是么？
Perspecta可能是扫描体3D显示领域最令人瞩目的成就了，它采用的是一种柱面轴心旋转外加空间投影的结构，如下图所示，与Felix3D不同，它的旋转结构更简单，就一个由马达带动的直立投影屏，这个屏的旋转频率可高达730rpm，它由很薄的半透明塑料做成。当需要显示一个3D物体时，Perspecta将首先通过软件生成这个物体的198张剖面图(沿Z轴旋转，平均每旋转2°不到截取一张垂直于X-Y平面的纵向剖面)，每张剖面分辨率为798×798象素，投影屏平均每旋转2°不到，Perspecta便换一张剖面图投影在屏上，当投影屏高速旋转、多个剖面被轮流高速投影到屏上时，我们便会发现，一个可以全方位观察的自然的3D物体出现了！
从上面可以看出，Perspecta的投影帧频达到了198×730/60=2409fps，这个速度足够哄骗我们的眼睛，利用视觉暂留效应生成真实的3D场景；由于其每一帧需要798×798象素，以24位真彩色计，每秒钟需要的数据量竟高达(2409×798^2×3)/1024^3＝4.286GB！鉴于普通激光器的激发时间受限，Felix3D是无法提供这么高的带宽和帧频的，Felix中一副3D图像最多只能达到1万体象素，而Perspecta则能显示将近10亿个体象素。为实现如此高的显示精度，Perspecta采用了名为空间光处理(Digital Light Processing)的技术，其核心是三块基于微机电系统(MEMS)的DLP光学芯片，每块芯片上均布设了由百万个以上数字化微镜像器件(Digital Micro-Mirror)组成的高速发光阵列，这三块DLP芯片分别负责R/G/B三色图像，并被合成为一副图像，由经底座中的固定光学系统以及随马达同步旋转的光中继镜片的反射，最终被投影至屏幕上面。值得一提的是，Perspecta在PC上几乎是即插即用的，它能够与3DS Max、OpenGL很好地兼容。
尽管几近完美的3D显示能力和简单的结构令Perspecta的制造成本大为减少，成为目前最有可能率先进入电子消费市场的体显示设备，但是，它和其他所有的扫描体显示技术一样存在着致命的弱点—“亮度”和“旋转”。全向开放外加投影的显示结构流明值较低，容易受到背景光影响；而高速的旋转则使得Perspecta对安置平台的平稳程度要求较高，其摆放的桌面不能随意晃动，否则将导致体象素显示模糊，甚至完全无法成像，因此它不能使用在宇航器、航空器及其航海船只等场合。为解决这一问题，聪明的人们又提出了固态体显示技术。
早期的固态体显示技术，如solidFELIX，主要采用一整块立方体水晶作为显示介质，在水晶中掺杂了稀土元素，当两束相干红外线激光在水晶内部的某空间点处相交时，它们将激发该点发光，目前这套系统仍处于实验室阶段。而DepthCube系统则代表了目前固态体显示技术的最高成就，它采用了一种很特别的方式：层叠液晶屏幕方式来实现三维体显示，它的外形就像一台80年代的电视机一样，其结构如上图所示，DepthCube的显示介质由20个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1024×748，屏与屏之间间隔约为5mm；这些特制屏体的液晶象素具有特殊的电控光学属性，当对其加电压时，该象素的液晶体将像百叶窗的叶面一样变得平行于光束传播方式，从而令照射该点的光束透明地穿过，而当对其电压为0时，该液晶象素将变成不透明的，从而对照射光束进行漫反射，形成一个存在于液晶屏层叠体中的voxel。在任一时刻，有19个液晶屏是透明的，只有1个屏是不透明的，呈白色的漫反射状态；DepthCube将在这20个屏上快速的切换显示3D物体截面从而产生纵深感，它还采用了一种名为“三维深度反锯齿”(3D Depth Anti-Aliasing)的显示技术来扩大这20个屏所能表现的纵深感，令1024×748×20的物理体空间分辨率实现高达1024×748×608的显示分辨率；和Perspecta一样，DepthCube也采用了DLP成像技术；由于DepthCube的观察角度比较单一，主要是在显示器的正面，因此并不需要像Perspecta一样高的帧频，其每秒钟仅需显示1200个截面即可产生足够的体显示效果。
最后要说的是，所有的体显示技术均只能产生半透明的3D透视图，而无法显示不透明的三维物体，这是因为一束光线并不能遮挡住另一束光线的传播，因而也就没有必要采用二维3D显示技术中复杂的不可见面消隐机制对3D图形进行额外的z深度处理。此外，目前在国内，浙大的光学仪器国家重点实验室也正在积极开展体显示技术的相关研究工作，并已经取得了可喜的进展。
看过了上述的一切的你，是否像我一样对我们在不久的将来便能够领略到科幻电影一般全三维的人机交互体验充满了信心呢？ |
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