三维显示技术广播电视工程中应用

　三维显示技术在广播电视工程中的应用

　摘要 我们所处的世界是三维，我们所看到的图片是二维。传统的显示技术无法重现客观世界，而三维显示技术可以显现客观世界。虚拟现实技术和增强现实技术是三维显示技术的关键技术之一，科学家正在发明使三维显示器上的图像与真实物体尽量重合。三维显示技术在广播电视工程领域拥有广阔的发展空间，是推动广播电视工程进步的新能源新动力。作为 21 世纪发展最快的尖端技术，三维显示技术实现了高清，高亮度等显示效果，并且在广播电视工程领域发挥的作用越来越明显。三维显示技术与广播电视工程的结合，为实现终端可视化自由立体显示奠定了坚实的基础。

　关键词

　三维显示

　广播电视工程

　自由立体显示

　Application of three-dimensional display technology in radio and television engineering Abstract

　The world we live in is three-dimensional, and the pictures we see are two-dimensional. The traditional display technology cannot reproduce the objective world, and the three-dimensional display technology can show the objective world. Virtual reality technology and augmented reality technology is one of the key technologies of 3D display technology. Scientists are inventing to make the image on the 3D display coincide with the real object as much as possible. Three-dimensional display technology has a broad development space in the field of radio and television engineering, and is a new energy and new driving force for the progress of radio and television engineering. As the fastest-growing cutting-edge technology in the 21st century, 3D display technology realizes high-definition, high-brightness and other display effects, and its role in the field of radio and television engineering is becoming more and more obvious. The combination of three-dimensional display technology and radio and television engineering has laid a solid foundation for the realization of terminal visual free stereo display. Key

　words

　Three-dimensional display

　Radio and television Free stereoscopic display 目录

　 一、三维显示技术的概述

　二、三维显示技术的原理

　三、广播电视工程的发展 四、3D 与广播电视工程结合，提升广播电视工程产业发展 五、总结 六、致谢 七、参考文献 一、三维显示技术的概述 人类生活在三维环境中，而我们所认知的二维显示方式只能从一个侧面或者一个小的方面来认识我们的世界。跻身新世纪以后，随着电脑图形学飞速发展，虚拟现实科技获得快速普及。不过和软件模拟科技对比，生活应用硬件装置（像电视机、电话、计算机显示器等）没有三维性能。现今我们看见三维影像，通过软件仿真远近明暗，人们视觉体会达到。

　人类视觉能感受到三维影像，是因为软件模拟可于二维投影内仿真一些三维功效。比如表现对象中间之遮挡能力，可感到气雾等。但由于装置操作限定众多三维之性能，涵盖左眼及右眼之视觉差以及运动视差，可以带给视觉情景之变动，适应性观测间距之变动，导致双目调动视差。因而显现三维图像早已逐步变成各个三维科技分析研发关键。三维显示器应用光学科技、微电子科技、微控制技术及电脑图形学科技，收集二维面图像并且用三维方式显现。和二维显示器对比，三维显示器可实际再现主观目标，因而可更加精确 。

　 三维显示技术是当今一个非常让人感兴趣的科技前沿领域。早年间,3D 电影问世曾使人喜出望外。沉寂了很长一段时间后，3D 浪潮再度升起。2008 年，日本有线 BS 频道开始播映 3D 节目;2009 年 12 月，耗资 5 亿美元的 3D 电影巨作《阿凡达》以多种版本，特别是 IMAX 在全球进行公映，所到之处真的是一票难求，盈利达数亿美元;2010 年初的美国 CES 展会上，众多国际一线电视厂商纷纷推出 3D 电视新品;2010 年 4 月，天空传媒开办 3D 电视频道。因此，2010 年被称为“3D 新纪元”。3D 不仅与我们的生活息息相关，而且在其他方面都具有重大意义。国际上发达国家，像美国、日本、德国、投资大批资本给三维科技，把三维科技列入国家预算。我国也高度重视 3D 科技。多所科研院加入三维科技装置研发，并且获得可喜成效。因为很多国家都非常重视，因而当前正在居于竞争时期 没有绝对领先国家 。

　现在我国正处在高速发展时期，如果发展的技术卓有成效，那么就可以像我国在移动通信 5G 领域中占有显著地位。

　二、三维显示技术的原理 （1）三维显示技术的分类 通常而言，归类方式存在两种；第一种依据人看三维图像时是不是要带辅助设备，把 3D 分成助视 3D 及裸视 3D。第二种依据是有出现机理及人眼视觉生理之冲突把 3D 分成助视光栅 3D 出现及真 3D 出现两大类。

　3D 显示的第二种分类 （2）裸视 3D 显示技术的原理 当前主流的裸眼 3D 显示技术主要包括光栅 3D 显示，集成成像 3D 显示，体 3D显示和全息 3D 显示。基本工作原理和特点介绍如下：

　光栅 3D 显示 依据光栅的不同性质，光栅 3D 分成狭缝光栅 3D 显示器及柱面透镜光栅3D 显示器。光栅 3D 显示的结构和原理如图 1 所示。以两个视点为例，左右视差图像以列间隔显示在平面屏幕上奇数（偶数）和偶数（奇数）列像素上。前狭缝光栅 3D 显示器中的狭缝光栅遮光带阻挡光，令左眼及右眼离别穿过漏光有在线收看面显示屏。呼应排列以内视差图像，做到以内视差图像之空中别离；狭缝光栅 3D 显示器内，狭缝光栅把背光调制为了线性光源，并且在适当观看位置的观看者的左眼只能看到显示器上像素的奇数（偶数）列，偶数（奇数）像素列对立在左眼为全部黑色之。一样右眼只好看见显示屏中像素之偶数（奇数）列。偶数）其一系列之像素对立在右眼为全部黑色之，故而做到以内视差图像之光之空中别离。柱面透镜光栅 3D 显示器内面显示器坐落柱面透镜光栅之焦面中。于柱面透镜单元之排列方位中，每个柱面透镜单元把停放于它焦面中各异方位之以内视差图像光线折射至各异方位，用做到以内视差光之空中别离图片。总之，光栅的 3D 显示是在平面屏幕上错开左右视差图像，并利用光栅的分光效果将左右视差图像的光散布到不同的方向。当分别观看左眼和右眼的视差图像时，可以通过大脑融合来感知三维图像。在狭缝光栅的 3D 显示中，由于狭缝阻挡光条对光的阻挡，导致 3D 图像的亮度降低。圆柱透镜光是 3D 显

　示器中的透明介质。柱面透镜光栅只吸取一小部分光线，然而 3D 图像亮度之危害比较小。两视图光栅 3D 出现，在线收看人于水准时有 1/2 之机遇，查询伪 3D 图像。就是说左眼看见右视差图像，右眼看见左边视差图像，这个很大地步减低三维在线收看自由度。视点科技或者脑袋追踪科技可合用增强三维在线收看自由度。光栅三维出现，显示屏于水准方位中存在定律土地出现 n（n≥2）位视差图像讯息，因而一视差图像之水准分辨率为了显示屏分辨率之 1/n，然而笔直分辨率为了两者之间之没有均衡，这个致使三维图像品质之降低。因此，光栅可斜停减低水准分辨率及笔直分辨率。与此同时，光栅之歪斜停放可降低乃至清除莫尔条纹状况。除此以外，光栅 3D 出现特性连续增强。比如：利用高帧比率及双重光栅科技达到增强光栅 3D 出现之 3D 图像分辨率；双狭缝光栅，阶梯狭缝光栅，视差图像灰度级应用，譬如调动和子像素方位调动类似科技可以降低至清除视差图像中间之串扰。液晶狭缝光栅及液晶列镜片光栅科技用来做到 2D / 3D 出现模式之兼容性。

　 集成成像３Ｄ显示 整合成像 3D 显示器涵盖纪录及再现两个流程。如图 2 所示，纪录流程应用纪录微镜片阵列对物空中情景成像，并且把图像纪录于微镜片阵列之焦面中之胶卷中。因为组成纪录微镜片阵列之每个镜片部件由各异方位纪录情景讯息之组成部分，因而每个镜片部件呼应产生拥有各异方向出发点之细微图像，就是说图像部件通过与透镜元件相同数量的图像元素，将物空间中任意点处的立体信息漫射地记录在整个膜上，并且将记录在膜上的图像称为图像阵列。再现过程使用具有与记录微透镜阵列相同的参数的再现微透镜阵列，并将具有图像阵列的胶片放在焦平面上在再现微透镜阵列后

　面。依据可逆光线道路理论，从众多图像要素透射光线受到集聚并且还原，故再现微镜片阵列之前重建完情景之 3D 图像。穿过整合成再现 3D 图像，涵盖完好实际视差讯息，而且人可以实际感受到风景。除此以外，这种微镜片阵列可交替为了针孔阵列 。

　由于电耦合装置（CCD）记录装置和液晶显示器（LCD）和其他再现装置的发展，在图 1 中所示的集成成像中的记录侧膜得以发展。可以用 CCD 代替图 2 中的部件，并且可以用显示屏代替再现侧胶片。该过程称为拍摄和显示。也可以使用 3D 建模软件（例如 3DS MAX）来完成上述拍摄过程。依据微镜片阵列和显示屏中间间距 g 和镜片焦距 f 中间之关系，可把整合成像 3D 模式分成三种：实模式，虚模式及聚焦模式。g> f 是实模式，g <f 是虚模式，g = f 为是聚焦模式。整合成像 3D 显示屏准许众多个体查询拥有整个视差及整个实际 3D 图像。但由于应用微镜片阵列或者针孔阵列，摄影装置分辨率甚微，因而软件 3D图像有缺点。例如：3D 图像深度反转现象；唯有几度至几十度 3D 图像之分辨率低。这些缺点正连续获得改进，比如：旋图像部件，光学两步摄影方式，偏振电门。倾斜微镜片阵列类似用来加大三维在线收看；复合镜片阵列，可变镜片阵列及双显示屏（一个用来发出，一个用来透射）用于增加 3D 图像的深度范围；投影仪，结合半透反射技术的双显示屏用于提高3D 图像的分辨率；此外，聚合物分散的液晶技术用于实现 2D / 3D 显示模式的兼容性以进行集成成像。

　 体３Ｄ显示

　体 3D 显示共有三种主要技术：动态屏幕，上转换照明和分层屏幕显示技术。根据 3D 依赖于机械设备或者显示屏，并且应用人眼视觉达到三维功效。此外，图像之动态屏幕可为直视出现屏幕或者投影出现屏幕，而且动态屏幕外形可为平板类型或者螺旋类型。图形 3 出现根据动态屏幕之三维软件。其软件从动态屏幕、成像装置、三维参数接口及电脑构成。假若动态屏幕为径直出现屏幕，规范没有要求成像装置。这种体 3D 出现方式可做到在线收看，但拥有繁杂机器装备，3D 参数之计量特别巨大，难以实现实际情景。根据体 3D 应用两个各异波长用足见光束达到扫视及激起透明体积内之光学活性介质，并且交叉点在双频两步中变换功效。两束光线形成可见荧光。因此，如图 3 所示，显示了空间立体图像。

　这种体 3D 显示方法不需要任何旋转或移动部件，从而大大提高了系统的稳定性并降低了

　操作噪音；利用人眼的余辉效果，观看者就可以在显示器前面的任何位置观看 3D 图像。如图 5 所示，基于分层屏幕的分层 3D 显示系统由高速投影仪，分层屏幕和控制系统组成。高速投影仪使用背投，并且需要 1500 Hz的帧频。通常使用 DLP 投影仪。分层屏幕由液晶散射屏幕制成。液晶散射屏拥有光学切换特点，而且可依据施加电压于透明及没有透明切换。控制系统涵盖级屏驱动程序，电脑及缓冲装置。投影仪把物质之纵深断面持续投影至分层屏幕中，此中每个图像切片滞留于呼应纵深之分层屏幕中，故而得到匀称稳体素阵 3D。此体积 3D 显示模式在各层之间的亮度不均匀，并且远离投影仪的层的亮度非常低。另外，通过堆叠 2D 图像来形成 3D 图像，其缺乏真实的三维感，并且可以通过使用抗锯齿技术来改善。

　全息 3D 显示 全息应用干涉理论，故而把目的光波之全部讯息储存于纪录介质内。每当采用光波照纪录介质时，可依据衍射理论再现初始光波，故而可做到三维图像再现。根据全息之三维以一种完美三维方式出现，人们越来越注意。民间之全息科技应用空中物理光学科技开展复制。其应用银盐，明胶及化学介质及感光材料达到纪录全息图。计算机技术及数值感应科技的进步，数值光敏部件（像电荷耦合元件）之发生及分辨率之逐步提高，全息科技早已给化学介质光敏原料纪录及需要前进至数值纪录及数值再现，产生完一种全新科技——数值全息科技。应用数值全息可做到动态 3D。但当前，高分辨率空中光线调制器（SLM）还不采用。因此，根据可以擦除原料全息 3D 出现科技应运而出。通常，由于使用化学反应，用于全息 3D 显示的光敏聚合物无法回收。可擦除全息 3D 材料的关键是使用基于光生电荷移动和俘获的光折变聚合物材料，他们拥有可逆之特点。两个相关激光束及一个外在施加电场用来聚合物内产生复制干涉图样和空间电荷场地。空间电荷效果改完一部分折射率，令全息图折射率图样方式受到编码。美国人研发一种根据可以擦除原料之全息三维软件。其软件应用脉冲激光全息纪录装置及光线折射聚合物原料，脉冲激光用来写入全息图单元。假若全息图单元之型号为了 1 毫米 ， 则需要大约 2 秒钟来记录 4 英寸乘 4 英寸的全息图。该全息图通过使用相干的彩色 LED 光源进行复制，并且在室内正常环境光下清晰可见复制的图像，如图 6 所示。该系统中使用的光折变聚合物具有两个特性：①在光的情况下，干涉条纹在全息记录介质上的褪色时间比没有光的情况下的褪色时间短。写入新图像时，新的干涉条纹将立即擦除旧的干涉条纹。由于这两个特性，这种全息图更新可以达到类似于实时的速度。擦除旧...