1 引言
我们所生活的是一个三维的空间，人类大部分的经验来自于对深度信息的感知。3D显示由于其存在深度信息，所以能够实现很多2D显示所不具备的功能。而纵观现如今大部分的电子产品，很多都还停留在2D显示的水平上。这和以前的图像处理技术的水平有关。随着科技发展，图像处理技术突飞猛进。目前的图像处理硬件实现了微型化、高效化和低发热的特性。同时，各种3D显示的光学方案层出不穷，为3D显示技术的普及奠定了基础。本文将会通过对3D显示技术原理的研究，讨论各种3D显示方案的优缺点，并提出一定的改进意见。
2 3D显示的基本原理
人脑之所以能感觉到三维立体图像主要是由于外界物 体的光从左右两个不同角度进入人的两只眼睛并且经过大 脑对图像的分析与合成才得以实现。这正是 3D 技术依赖 的生物基础。3D 显示技术的方法虽然有很多，但在原理 上都是为了使人的两只眼睛呈不同的像以实现 3D 效果。 下面将按顺序依次介绍分析几种 3D 显示技术。
2.1 色差式
原理：放映时两个不同的放映机放出不同色彩（主要 为红蓝色）的从两个角度分别拍摄物体的画面，人眼佩戴 具有对应颜色镜片的色差式眼镜。因为相同色彩的镜片只 能通过相同色彩，所以可实现两眼呈不同的像，达到在人 脑中呈 3D 图像的效果。
优缺点：色差式相比于其他 3D 显示技术最大的优点 就是成本低廉，这也正是为什么色差式眼镜成为早期家庭 3D 体验首选的原因。然而同时色差式技术也有着 3D 显示 技术最致命的弱点——图像一定程度的缺失，由于只是单 纯的滤色使得这种技术更难保证对图像原画的呈现效果。 其次，虽然轻便的设计缓解了一点对脸部的压迫感，但红 蓝色的配色也会使许多用户出现不适的状况。
2.2 偏光式
a. 线偏振式
原理：光波是横波，横波具有偏振现象。运用只允许 通过特定方向横波的偏振片可以代替色差式眼镜中滤色镜 片的作用。在拍摄立体图像时就使用偏振片筛选出特定方 向的光，如模拟左眼的摄像机前放置横偏振片，另一台摄 像机放置垂直方向的偏振片，这样在摄像时便可得到两种 不同的图像。让观看者佩戴偏光式眼镜。左眼佩戴与摄像 机对应的横偏振片镜片，右眼也佩戴相应镜片。放映时， 相应的图像信息只能通过相应的偏振镜片进入相应的人 眼，以此实现 3D 显示。 优缺点：偏振光技术的应用不再需要红蓝等互补色的 使用，因此偏振式眼镜的色彩损失是很小的，同时偏振片 本身接近透明，色彩校正也更为容易。其次，虽然偏振式 眼镜成本较色差式的昂贵一点，但相比于其他 3D 显示技 术成本还算较低，相对于色差式技术其又拥有更良好的影 视体验，更优秀的性价比。这也使其成为各大影院播放3D 电影时的首选方案。然而早期的偏振技术只能单纯的 过滤纵向和横向的偏振光，这对使用者的观看姿势要求很 高，每当观众稍稍偏离一定角度，所看到的图像就会异常。 所以就有了对偏振式显示技术的改良即圆偏振式技术。
b. 圆偏振式
原理：圆偏振式技术与线偏振式的原理大体上是一致 的。不过这里的偏振光分别有规律地左旋和右旋，原先接 受线偏振光的镜片也被改造成接受圆偏振光的镜片。 本技术与线偏振技术都是利用偏振光的特性以达到在 人两眼上呈现不同的像的效果。不同的是由于圆偏振式镜 片筛选掉的偏振光只与偏振光旋转方向有关，不存在特定 的偏振指向，这就允许观众观看时不必保持头部水平。但 是，即使圆偏振技术的应用解决了偏振眼镜的部分问题， 偏振技术仍然有分辨率减半、亮度损失等缺点。可见偏振 技术想要进一步占领市场还需要许多改进。
2.3 快门式
原理：根据人体的视觉暂留现象，通过提高画面的刷 新率也可以产生两眼观察到不同影像的效果。这项技术需 要有一个显示器以一定的速度轮流切换左右眼应看到的图 像，观众则需要佩戴特殊的快门式眼镜，这种眼镜也以同 样的速度轮流将某一镜片变为黑屏，这样可以让左眼该看 到的图像只进入左眼，右眼的只进入右眼，以此达到两眼 “同时”收到不同的图像，从而产生立体效果。当然这 里的“同时”指的是时间极短，对于人眼来说视觉暂留 可持续 0.1s ～ 0.4s，但要避免抖动感则要求每只眼睛看 到的画面刷新率达到 60Hz，整个显示器的刷新率要达到 120Hz，且要保持与 2d 图像播放时相同的帧数。 优缺点：对于显示器要求不高，只需达到 120Hz 即可， 同时特殊的时分设计使得每一帧图像的分辨率不会受损。 然而 120Hz 的频率对于如今的液晶面板和驱动装置等要求 较高，能耗较大。尤其是快速的闪动对眼镜的要求也很高， 这就造成快门式眼镜是几款 3D 显示技术眼镜中最重的。 且眼镜有一半时间处于黑屏，图像亮度也大打折扣。诸如 此类的缺点使得快门式在市场中的地位渐渐下降。
3 关于偏光式和快门式3D显示技术的改进方案
结合偏光式显示技术和快门式 3D 显示技术的优点， 在此提出一个改进方案。即通过快门式 3D 显示技术中显 示屏交替显示不同偏振方向上的左右眼图像，然后再搭配偏光式 3D 显示技术里的圆偏振式眼镜观察图像，以此达 到 3D 立体成像的效果。 改进优点：由于是由显示器交替显示，因此可以弥补 偏光式技术中包括不闪式 3D 显示技术的分辨率减半的缺 点。同时由于运用了只允许通过特定方向圆偏振光的偏振 镜片，其也摆脱了交替显示图像的时间间隔对于眼镜的束 缚，观众佩戴的眼镜更轻，体验也更好。
4 裸眼3D
原理：与其他 3D 显示技术不同，裸眼 3D 技术主要通 过将不同的图像直接投射到人的两眼来实现立体成像。显 然，这一技术在抛弃了“通过眼镜区别左右眼图像”这一 传统概念后无疑对图像定向投射的技术水平要求会更高。 裸眼 3D 一般有 3 种方式，下面依次介绍分析。 a. 液晶光栅 光栅由挡光的屏障和透光的裂缝两部分组成，可以放 在显示屏前方或后方。显示器轮流显示右眼和左眼的图像， 利用光栅遮挡形成视差的效应，保证了两只眼睛看到的图 像是不同的。借助视觉暂留现象便可达到立体成像效果。 优缺点：这项技术通过遮光的形式使图像分离，简单 方便，可以轻松的将显示模式在 2D 和 3D 之间转换。但同 时其固定的遮光装置也使得观众所能拥有的观察位置极为 有限，交替显示技术的应用对于液晶面板和驱动装置要求 也是较高的。 b. 指向光源 即通过有指向的光源将图像投入人眼中实现3D显示。 本技术搭配两组 LED 和快速反应的 LCD 面板，借助显示屏 的交替显示使图像以序列方式进入人眼产生 3D 效果。对 指向光源技术投入较大精力的是 3M 公司，目前本技术尚 未成熟，仍处于研发阶段。 c. 柱状透镜 通过透镜使光折射的特点让不同的光射向不同的方位以 此达到在两眼中呈不同的像。由于透镜的折射率一般是固定 的，所以这项技术需要观众在特定的位置才能得到最合适的 像。当然随着技术的改进，运用光的几何性质通过构建多视 点的显示场景，可以使这种显示方式的可视范围变大，以此 甚至能达到多人同时裸眼观看3D显示屏的效果。同时柱状 透镜也避免了交替显示的弊端，且不会挡住光线，对硬件要 求也没有指向光源高，所以具有成本低、亮度高等优点。
5 全息投影
原理：在拍摄时其利用干涉原理记录物体光波信息： 物体在激光辐照下反射的物光束和参考光束叠加产生干 涉，并在全息底片上产生干涉条纹，通过独一无二的干涉 条纹记录物体的空间信息，形成全息照片。放映时利用衍 射原理在相干激光照射下还原全息照片，并在透明成像膜 所产生的空间中直接生成立体图像。 优缺点与应用前景：不同于以上所有的3D显示技术， 全息投影技术并没有把技术中心放在让人的两眼看见不同 的图像，而是着眼于对 3D 物体形状、位置、色彩等要素 的还原。正是由于这一特性使得全息投影技术所产生的视 觉效果更为逼真，立体感极强。对于物体的高还原度也使 得这项技术肩负着使 3D 显示技术具有互动功能的使命。 当然由于其全息图复杂的形成方式，以及许多诸如无法在 自由空间中成像等技术问题，全息投影技术短期内难以像 其他 3D 显示技术一样大规模市场化。
6 结语
综上所述，3D显示技术正不断地向立体感更强，观看限制更少的方向发展。纵观未来，3D显示技术甚至会对医疗，教育等行业产生深远影响。当然，3D显示技术要 想蜕变成崭新的未来技术仍有很多路要走，现有的3D显示技术仍存在着许多类似于分辨率减半、亮度损失、成本昂贵等问题亟待解决，还有譬如实现3D图像在自由空间的显示，实现3D图像的互动功能等仍需要多方的共同努 力。
参考文献略