數字幻影裸眼3D投影技術

劉書戩

中國科學技術大學(合肥 230026)

數字幻影裸眼3D投影技術是一項新型裸眼3D技術。與傳統3D技術不同，它高度還原一個物體本身應該發出的光線。在成像特點這一方面，與全息投影技術類似，不是以“兩場”的傳統3D技術的形式存在。“兩場”就是讓左眼看到一個像，讓右眼看到一個像，這兩個像相互獨立，左眼看不到右眼該看到的，同時右眼也看不到左眼該看到的。數字幻影要做到的不僅是讓兩眼看到的東西不一樣，而且不同的位置看到的東西都是不一樣的。不僅讓人擺脫了眼鏡的限制，而且它所呈現的東西更真實，相比全息3D技術它成像位置的自由度更大。

真實世界是三維立體的，人的雙眼觀察到的是兩幅不同的畫面，大腦經過對畫面信息進行疊加融合，構成一個具有前一后、左一右、上一下、遠一近等立體方向效果的畫面，便產生了三維立體感覺[1]。

數字幻影裸眼3D技術利用人眼的視覺暫留的特點和視差以掃描的形式把一個3D像分時地呈現，以高度還原這個像原本應該發出的光。還原這個像的立體特點，給人以幾乎絕對的真實感。

1 數字幻影裸眼3D技術原理

1.1 單個點的發光特點及成像處理方法

處理一個像之前我們先處理好一個像點的發光。單個點的發光是向四面八方的，在這里，我們先只處理大致指向一個方向的光線(如圖1所示)。當這個點上沒有光源時我們很難同時處理這些光線，但是我們可以將這些光線分時地處理。將呈現它的一幀分成若干時間片分別處理這些光線(如圖2所示)。在時間片1時處理光線1，時間片2時處理光線2，以此類推。這樣在一幀內就還原了單個點的發光。

圖1 點光源的發光

圖2 單個點成像處理

1.2 對1.1中的方法的具體實現方法

這里用兩個屏幕來處理，前面的屏幕為屏幕a，這是一個專門用于篩選的屏幕，和液晶屏幕的液晶部分的作用一樣。后面的屏幕為屏幕b，這是一個普通的發光用的屏幕。這兩個屏幕拉開一定的距離。

對于一個點的發光，我們先假設這個點在這兩個屏幕的中間，把這個虛擬的點的發光進行還原，將呈現這個點的一幀分時地分開，在時間片1時，屏幕a的1號像素透光，由像點的位置來計算屏幕b的哪一個像素透光；時間片2時，屏幕a的2號像素透光，然后由像點的位置計算屏幕b的哪一個像素透光，以此類推(如圖3)。

1.3 對一個像的成像處理

對1.2提出的做法，我們沒有必要且沒有條件去一個像點一個像點的呈現一個像。在1.2中，處理一個點的發光時，屏a的某一個像素透光時，屏b只有一個像素相響應，但是這樣未免有一些浪費。所以在處理一個像的時候，我們可以這樣處理：在屏a某一個像素透光時，屏b整個屏幕都有所響應。這樣，仍然將一幀的像分時地呈現，在時間片1時，屏幕a的1號像素透光，由整個像計算出整個屏幕b的顯示內容，以此類推(如圖4)。這樣就做到了整個像的成像。

圖3 具體的成像處理 圖4一個像的處理

2 數字幻影裸眼3D投影技術顯示能力的優勢與局限

2.1 相比傳統裸眼3D技術的優勢

數字幻影裸眼3D投影技術的優勢相比傳統3D技術有一個明顯優勢就是讓人們擺脫了眼鏡。另外，這里不得不提到傳統3D的一個不可回避的問題。2010年《阿凡達》有2D，3D和IMAX-3D三種版本，在給觀眾帶來震撼的視覺享受的同時，也有很多觀眾反映，觀看3D版本時發生了頭暈，惡心等癥狀。這些癥狀產生的根本原因在于，目前各大院線使用的是偏光式3D技術或快門式3D技術。這兩種技術的共同特征是觀看者必須佩戴3D眼鏡，左右鏡片通過快速開關分別實現左右眼分別觀看自己的圖像。這種方式屬于強制性的對人眼的屈光狀態進行修正，如果人眼長期處于不正常的狀態，勢必造成頭暈，惡心等癥狀[2]。然而，數字幻影裸眼3D投影技術的高度還原像的特征的這一特點使它投影出的像高度真實化。而不是對人眼的屈光進行強行修正，也就不會造成頭暈，惡心等癥狀。

2.2 相比全息3D技術的優勢

數字幻影裸眼3D投影技術可以把像成在屏幕前方，屏幕里和屏幕后方，甚至在屏幕后方很遠的地方。而全息3D技術只能將像成在十分有限的區域。也就是在成像自由度上數字幻影投影技術遠超過全息3D技術。

2.3 相比全息3D技術的劣勢

全息3D技術所成的像相當于在空間中直接創造出一個實物的模擬，理論上可以估到全方位都能看到它所要成的像。而數字幻影裸眼3D技術只能做到一個角度范圍內的成像

3 數字幻影裸眼3D的硬件需求的計算

以1 024*768的a屏幕為例，我們要求b屏幕要比a屏幕大一點，以1 200×800為例。顏色以真彩色為標準(24位色)。下面進行它對硬件的要求的計算：

3.1 每一幀的信息量

b屏幕的一幀對應于a屏幕的對一個點的掃描，而b屏幕的一幀的數據量為1 200×800×24=23 040 000約為23Mbit。而a屏幕掃描完一個周期才是一個像的一幀，而掃描的點數為1 024×768=786 432，總數據量為786 432×32 040 000=18 119 393 280 000約為18.1Tbit的數據量。而這僅為一幀的數據量，而要投入正常使用則每秒至少要24幀。而這數據量是災難性的，短期的計算技術不可能達到這驚人的要求。

3.2 對屏幕b的要求：

b屏幕的每秒的幀數相當于a屏幕每秒要掃描的次數，以a屏幕每秒24幀為例，則b屏幕需要每秒顯示的幀數為24×1 024×768=18 874 368約18.9M幀/秒。這同時也是災難性的，現在還沒有任何一個日常用的屏幕能達到如此之快的幀數要求。

4 針對3中的兩個“災難性需求”的緩解方法構想

3中提到的兩個硬指標的技術限制使得這項技術可能要等到以后技術足以滿足這“災難性需求”才能使這項技術得以發展。但我們可以將其用一些方法來降低這些需求，使其“不那么災難性”。

4.1 縮減視角構想

可以通過犧牲屏幕的有效視角換取可觀的數據量的減少。在前面，我們用的方法是a的一次掃描對于b就是一幀，而b的一幀是一整個的屏幕都亮起來(圖5)。但是，過大的視角是基本上沒有人看的。很容易想象，沒人會站得過高并俯視屏幕，或者坐得過偏來看屏幕。所以大可以把這些人們非常難用到的刁角度忽略掉。

這里我們假設a的一次掃描b只相應a對應的點附近的一個橢圓，而不是全屏亮(圖6)。這樣就大大縮小了數據量，我們假設這個橢圓的長軸200像素，短軸100像素。這樣b的數據量就是pi×100×50=15 705而這樣一幀的數據量就下降到了786 432×15 705×24=296 421 949 440bit大約37GB。可見，雖然數據量依然不樂觀，但比18.1Tbit要緩解了很多。目前的顯卡的計算技術可以達到每秒進行T次的浮點計算，對于37GB每幀的計算量依照目前的顯卡來說是可以完成的。

圖5 未經任何處理簡化 圖6經過處理簡化

4.2 多點同時掃描構想

4.1 中提出了縮減視角，這樣如果依然a屏幕以逐點掃描的方式處理的話，那么b屏幕大部分時間地暗的。我們可以利用這些被浪費的暗的部分。我們可以令a屏幕多點同時進行掃描，這些點對應的b屏幕的區域不得有重疊，這樣，最大化利用b屏幕以減少a屏幕的掃描周期(如圖7)。我們將a屏幕分成若干塊，如果按照4.1中的200和100的長軸和短軸，a屏幕分成的塊的像素尺寸為200×100，則a屏幕只需要掃描200×100次就完成了一幀的掃描，這樣對b屏幕的硬件需求就大大減小了。b屏幕只需要每秒200×100×24=480 000幀即可。雖然數字仍然不樂觀，但相比18.9M幀/秒已經大大緩解，甚至現有的技術已經能夠達到這個數字。

4.3 多列同時掃描構想

可以基于一個假設來進行更進一步的簡化。假設人兩個眼睛永遠是水平的，可以進行多列同時掃描的操作。掃描的每一個時間片，對于前面的屏幕A是若干個列在同時掃描，而后面的屏幕B只需要計算不考慮人眼的高低變化的數據量，這就意味著A屏幕的一個點對應著B屏幕的一個很短的單行的點(如圖8)。這樣比4.2中的方法節約了更多的數據量的計算，同時對屏幕B的能力要求下降得更低。但這樣做的代價就是當人眼上下移動時，看到的像也會隨之上下移動。

5 像素限制的解決設想

5.1 應用化的像素限制：

3和4 中的計算可以說由于計算量太大頂級的配置興許能做到實時顯示，但對于次一級的配置來說，只能預先準備好要顯示的內容。但我們可以能過減少像素的方式來先實現一個低像素的屏幕(比如200*300)，實際上，很多的裸眼3D技術(例如視差屏障)都采用犧牲像素來實現裸眼3D效果的方法。

圖7 多點同時掃描 圖8多列同時掃描

5.2 像素限制造成的問題

一量降低了像素，那么就會造成一個尷尬問題。像素的限制直接制約了屏幕a的一個像素的掃描從那個點放出的光線的密度，如果密度過小，而人眼的位置正好的話，則會出現相鄰的兩條光線分別照在了人眼瞳孔的左邊和右邊。造成了這個眼睛對這一像素什么都看不見的現象。

5.3 像素限制問題的解決辦法

可以通過一些手段去將一個離散的發光點陣換為一個連續的發光體。這樣就不存在關于光線密度有限導致的問題了。

很容易想象，一個光源前面比較近的位置放置一張紙，那張紙上會顯現出一個中心比較強，而邊上比較弱的圖像。而我們可能能過這個原理將離散的像素點擴散成為一個連續的圖像。這需要一個特制的膜，這個膜的特征要求一個像素的發光能通過某種特殊的方式擴散，但只能擴散到一個像素。這樣，在非像素存在的點位的光強就由與之相除的四個像素點決定了，這樣就會使整個屏幕的發光連續，而且光線的變化比較緩和，可以說是填充了若干的實際不存在的像素點。以此來使得屏幕發出的光連續，而避免5.2中所提到的問題。當然這也可以用于現在的顯示技術，讓顯示器呈現的圖像更加細膩。

[1]王永，孫可，孫士祥.3D顯示技術的現狀及發展[J],現代顯示,2012,(2).

[2]劉妍秀.3D顯示技術的原理及應用[J],長春大學計算機科學技術學院,2011,23,(12).