倒金字塔狀裸眼3D顯示器的制作與思考

潘俊捷，歐陽浩藝，崔佳琪，郭奕東，張俊明，林澤銘，劉勇（通訊作者）

（華南農業大學電子工程學院，廣東廣州，510642）

0 引言

現如今，3D電影比比皆是，但是問題是這些影視作品都需要佩戴3D眼鏡進行觀看，近視的觀眾則需要在近視眼鏡的基礎上再佩戴上3D眼鏡來觀看，這是一種非常不好的體驗。另外，VR技術也有不錯的發展，其帶有同樣的特點—需額外佩戴特殊眼鏡使用，再者，由于VR眼鏡是直接屏幕投射影像，長期佩戴使用會對人眼視力和精神上都有一定的傷害[1-2]。

在眾多的3D方案中，有一種方案使用了較為古老的舞臺表演藝術作為基礎來設計，其原理非常簡單，制作起來也很方便。其形狀類似一個倒立的金字塔，每個半透射半反射面通過反射特制的視頻來達到3D效果。

1 原理分析

■1.1 佩珀爾幻象歷史

這種倒金字塔狀裸眼3D顯示器使用的原理非常簡單，其名字為佩珀爾幻象（Pepper’s ghost），這是一種古老的表演藝術，在16世紀就有人提出了這種幻象表演方式，并且這種表演方式一直沿用至今。

■1.2 倒金字塔狀顯示器原理

圖1 佩珀爾幻象原理圖

這種倒金字塔狀的顯示模型要求每一面與視頻源的夾角為45°[3]，如圖1所示，這樣視頻源發出的光線便會通過鏡面反射進入人眼，又因為其組成為半透射半反射的透明材料，所以在反射面后面的光線也會進入觀察者眼睛，通過人眼的“視覺欺騙”讓人腦產生視頻內容就在這個空間存在的錯覺，從而產生立體感。

■1.3 模型制作

我們利用PVC塑料板材制作了四面的顯示模型。我們將不同厚度的PVC板材（分別為1mm厚與2mm厚）通過勾刀切割成對應尺寸的等腰梯形，并使用熱熔膠將四個面粘連在一起組成一個削了頭的金字塔，如圖2所示。其中，對于四面模型，假設在視頻源中部留白區域取一個小于該留白區域的邊長為a的正方形，并且該正方形距離顯示視頻源的屏幕邊緣最近處的距離為len，那么經過計算，每一等腰梯形的短邊長為a，長邊長為a+2len，高為2len。

另外，為了能夠測試出實際顯示效果，我們自行上網查找了現成的視頻源，視頻源樣式如圖3所示。

圖2 四面金字塔模型實物圖

圖3 四面模型的視頻源截圖

■1.4 在體驗中存在的問題

我們根據要求制作出這樣的四面金字塔模型，為了觀察影響視覺效果的因素，還選擇了1mm和2mm兩種不同厚度。實際效果圖如圖4所示。在體驗中，我們發現這種四面體顯示方案存在一些問題。即在厚度為2mm的顯示方案上會出現重影現象，在較靠近面面交界處會出現圖像橫向壓縮的現象，在正對邊界處會出現兩個像的現象。由于模型是手工粘連，所以出現了兩個像的顯示高度不一致的現象。出現重影表示板材厚度過厚，光線經過折射再經內部反射，然后再折射出來的光線與一次反射的光線的位移偏差已經達到人眼的分辨率，所以能清晰分辨出重影。如圖5所示。圖像出現橫向壓縮是由于過分偏離最佳視覺角度即平視且正對該模型的正方形底面的一條邊。由于這種3D技術并不是真正的全息，而是一種視覺錯誤，且根據佩珀爾幻象原理，我們看到的像其實就是等于將水平放置的視頻源通過反射后的虛像，而這個虛像是平面的，垂直的，所以我們從側方觀察時，圖像自然會發生橫向壓縮。在邊界處出現雙像顯示的情況是由于我們人眼同時看到了由兩個面反射而來的光線。

圖4 四面金字塔模型圖（左圖為1mm，右圖為2mm板制作）

圖5 圖像顯示原理及重影出現原理

2 拓展制作

綜合以上問題，我們決定通過增加反射面的方法來試圖改善觀看體驗。我們選擇制造6面和8面這兩種“異形”金字塔來進行嘗試，并且利用PowerPoint軟件和GIF動圖制作同步播放的視頻源。同樣地，我們依然采用了1mm和2mm的板材進行制作，并且通過計算每個面的大小尺寸以保證每個面與視頻源的夾角為45°。效果圖如圖6和圖7所示。自制的視頻源截圖如圖8所示。

圖6 六面金字塔模型圖（左圖為1mm 右圖為2mm）

圖7 八面金字塔模型圖（左圖為1mm 右圖為2mm）

圖8 六、八面視頻源截圖

3 結果分析

無論在六面還是八面的顯示方案中，因為板材厚度而發生的重影現象并不能消除，因為這種現象的產生原因與顯示方案無關，只與板材厚度有關，所以在所有實驗中，我們可以清晰地發現1mm板材顯示畫面更加純凈清晰。

六面和八面的顯示方案較四面的對圖像的橫向壓縮問題有了改善，但是因為面數的增加，在一面的正視角處能看到相鄰兩面，從而導致了很容易會看到相鄰兩面的反射圖像。六面和八面方案之所以能夠改善四面方案的圖像橫向壓縮的問題是因為面數的增多使得我們更快地到達面面交接處，使得我們可以偏移的角度變小。這樣，我們就會在到達圖像開始出現嚴重壓縮的角度之前提前到達面面交接，從而迫使我們切換下一個觀察面觀察。而對于面面交界處的雙像問題，依然存在。

經過增加面數，我們發現八面顯示方案出現了一個嚴重的問題，就是僅在少數角度觀察，才能避免看到其他面的反射圖像。總體來說，六面的顯示方案比八面的顯示方案要好。

4 結束語

實驗結果表明，這種簡易的3D顯示設備并不是真正意義上的全息，嚴格來說它是一種為全息投影，其原理是利用佩珀爾幻象使得人眼產生錯覺，誤認為圖像出現在三維空間中。而佩珀爾幻象只是一個簡單的光學反射原理，搭配制作原材料的半透射半反射特性，后面的光線會透過顯示裝置與反射圖像一起進入人眼。對顯示面數目的擴增使得圖像橫向壓縮變得不容易發生，但是同時其他面的反射圖像也更容易投射進人眼干擾觀察，在八面顯示方案中更為嚴重。理論上可以將其做成斜面角度為45°的圓錐形裝置，然后感應觀察者所在方位，將變形后的圖像在相應的角度顯示出來，這樣便能實現360°的顯示，而且不會出現圖像橫向壓縮和看到其他面反射圖像的問題，這需要高靈敏度的傳感器和高速的圖像運算芯片支持。

最后，感謝國家大學生創新訓練項目的支持。