裸眼3D立体显示技术详解

　　引言

　　众所周知，现实世界是一个三维空间，除去时间这一维度，现实世界是由长度、宽度和高度三个维度组成，我们每天就生活在这个三维世界中，而现有的显示设备大多数都只能显示二维信息，并不能带给人真实的三维感觉。为了使显示的物体和场景具有深度感（也就是3D），人们纷纷对3D显示技术展开研究，经历了二十几年的发展，目前已取得了十分丰硕的成果。

　　裸眼3D显示器被广泛应用于广告、传媒、示范教学、展览展示以及影视等各个不同领域。区别于传统的双目3D显示技术，裸眼3D显示由于拥有其裸眼的独特特性，即不需要观众佩戴眼镜或头盔便可观赏3D效果，且其逼真的景深及立体感，又极大提高了观众在观看体验时的视觉冲击力和沉浸感，成为产品推广、公众宣传及影像播放的最佳显示产品。

　　然而，观众不佩戴任何设备又是如何感知3D的呢？

　　1、裸眼如何感知3D

　　现实世界是三维世界，人眼观看物体时看到的图像具有位差，两幅图像之间的偏差我们称之为视差（disparity/parallax）。正是这种视差，使人们能区别物体的远近，并获得立体感。根据视差值的不同，视差又可分为正视差（positive parallax），负视差（negativeparallax）和零视差（zero parallax）。当观众在观看时，正视差使人产生物体深入屏幕的感觉；负视差使人产生物体悬浮于屏幕外的感觉；零视差是正视差和负视差的分界，物体刚好被投射到屏幕上，即我们常说的零平面。夏天夜晚的星星离我们很远，我们观看星星的视线几乎是平行的，这时视差接近于零，人眼难以区分星星的距离，因而我们觉得星星距离我们同样远，繁星仿佛在一个平面上没有立体感。

　　人的大脑是一个极其复杂的神经系统，它可以将映入双眼的两幅具有视差的图像，经视神经中枢的融合反射，以及视觉心理反应便可产生三维立体感觉。利用这个原理，我们可以将两幅具有视差的左右图像通过显示器显示，将其分别送给左右眼，从而获得3D感。

　　裸眼3D显示的原理一般是通过光栅或透镜将显示器显示的图像进行分光，从而使人眼接收到不同的图像，这样便实现了3D显示。狭缝光栅显示器通过在显示面板前方放置一个参数合适的狭缝，对显示的内容进行遮挡，在经过一定距离后，到达人眼的光线便可被分开，双眼接收到两幅含有视差的图像。图 1 中人眼就能分别看到蓝色和绿色，这样就能产生立体效果。

　　图 1 狭缝光栅显示原理

　　Fig. 1 Principle of parallax barriers display

　　柱状透镜式采用了相同的原理，只是实现的方式由狭缝换成了透镜，透镜通过对光的折射作用，将不同的显示内容折射到空间中不同的地方，到达人眼时显示的内容被分开，人眼接收到两幅含有视差的图像，这样便产生了立体效果，如图 2 所示。

　　图 2 柱状透镜显示原理

　　Fig. 2 Principle of lenticular lenses display

　　因而，裸眼立体显示仍基于立体视觉原理，只是通过改进立体显示器，以特定光学遮挡和光路传播控制的方式，实现将含有视差的图像分别传送到我们的左右眼睛，进而观看到立体影像。

　　2、3D视频源格式

　　目前3D视频源格式有多种，不同的视频格式具有不同的优缺点，本节将对几种常见的3D视频源格式做简要的分析与介绍。

　　2.1 左右视图

　　左右视图格式采用左视图和右视图并排传输的方式，如图 3 所示。传统的立体电影或立体电视一般采用基于左右视点两路 2D 视频的表达方式，这是由于左右视图格式虽然水平分辨率损失了一半，但完整的保存了原左右视图的垂直分辨率。

　　MPEG-2 MVP（Multi-view Profile）使用时域伸缩工具，提供了对双目立体视频的编码支持。将一路视频（左视）作为基本层，另一路视频（右视）作为增强层。MPEG-4通过使用MAC（Multiple Auxiliary Component）存放视差信息，支持双目立体视频的编码。采用左右视图格式的3D视频源，解码重建原始视点的计算比较简单，但在绘制其它虚拟视点时需要做立体匹配，因而计算较复杂，且随着绘制视图的视差值增大，合成的视图质量将随之下降。因此，左右视图格式较适合双目立体显示，在多视点自由立体显示中应用较少。

　　图 3 左右视图3D格式

　　Fig.3 Side-by-side3Dformat

　　2.2 上下视图

　　上下视图格式采用左视图和右视图上下排列的方式传输，如图 4 所示，这种格式与左右视图格式类似，只是它完整的保存了原左右视图的水平分辨率，而垂直分辨率损失了一半。

　　图 4 上下视图3D格式

　　Fig. 4 Top-and-bottom3Dformat

　　2.3 视频+深度图（video plus depth， V+D）

"V+D"格式包含了一幅彩色