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走出電影來到人間的裸眼懸浮3D,竟能如此酷炫!

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018/9/23     瀏覽次數:    

  很多人對懸浮裸眼3D的印象,大概都源自一些影視作品。如著名的《星戰》系列中,就經常會出現“3D懸浮視頻會議”和空中影像資料的鏡頭。




  “幫幫我,歐比-旺·克諾比。你是我唯一的希望。”《星戰8》中出現的萊婭公主以3D影像向歐比旺尋求幫助的場景。圖片來源:《星戰8》

  多年來,科學家和技術宅們,一直在不斷努力去推動懸浮3D這個超難黑科技的發展。如今,這項技術已經漸漸走出熒幕,來到人們身邊。


  以《星戰》中女神名字命名的萊婭3D公司。圖片來源:LEAI官網

  怎樣才算真正的裸眼懸浮3D?

  那么,怎樣才算上的是真正的懸浮裸眼3D呢?

  它既不是這樣借助“柵欄”實現的的“偽3D”動畫,

  圖片來源:《海綿寶寶》


  不是需要佩戴3D眼鏡才能觀看的3D電影,



  圖片來源:圖蟲創意

  也不是只有簡單圖像的全息影像,


  圖片來源:圖蟲創意


  更無需要借助VR設備或手機特殊軟件,


  這是AR增強現實。圖片來源: microsoft

  而是下面這種,立體的,無需借助任工具用裸眼就可以觀看的,懸浮在空中的影像。



  萊雅公司用激光器打出來的3D懸浮。圖片來源: gfycat.com

  沒錯,3D、懸浮、裸眼的成像技術構成了3D懸浮影像。正如你在《星戰》里看到的那種。

  人眼如何看到懸浮3D?

  人類所看到的世界是立體的,這是因為我們的兩只眼睛所看到的世界有輕微的差別。我們的大腦將這兩個不一樣的圖像結合起來,自動對看到的畫面生成一個3D模型。

  需要眼鏡的3D顯示就是這個原理:簡單的3D電影,眼鏡的兩個鏡片偏振的方向(或者濾光器)不同,從而使兩個鏡片同時能有不同的成像。高檔一些的3D電視眼鏡中的快速閃爍的開關,能與屏幕上的圖像同步變換,使兩個眼睛看到的圖像不同。

  那如果我們不想戴眼鏡就看到3D效果呢?其實道理還是一樣,只是這項任務需要交給顯示器來完成。顯示器上一個像素點給出的不同的光,要分別有很強的方向性,一束光指向左眼,一束光指向右眼,這樣子,這樣兩只眼睛就會看到不同圖像。這樣的像素點越多,實現的裸眼3D效果也就越好。



  a只有兩個視覺區,三個出射方向,觀眾只有在一個位置可以獲得左右眼不同的圖像。b只有兩個視覺區,更多的出射方向,觀眾在特定的幾個位置可以獲得左右眼不同的圖像。c有n多個視覺區,觀眾無論站在哪里,雙眼獲得的圖像都是不一樣的。圖片來源:參考文獻[1,2]。

  實現裸眼懸浮3D的三種不同方式

  2013年,Fattal等人在《自然》雜志上發表了一項可以實現無眼鏡3D顯示的方法——多視圖自動立體3D顯示技術

  他們用波導把光導入微型衍射光柵,從而使特定的光打到特定的方向,以此來輸入不同視覺區的圖像數據。這個設計當時可以打出14個視覺區,預期高可以做到64個視覺區。這樣的視覺區越多,人們看到的3D圖像的像素也就越高。[3]



  以透明六邊形玻璃作為波導,將RGB(紅綠藍)三種光從不同方向入射到波導中。通過光學設計不同的單位衍射光柵(以一個RGB像素點為最小單位),使三種光線在每一個單元上都有折有不一樣的折射角。圖片來源:參考文獻[3]



  這種設計最后的效果圖。圖片來源:參考文獻[3]

  后來的LEIA公司用的就是這種技術,也就是前文那張綠色懸浮影像的原型。這種技術相比別的無眼鏡3D的好處,是可以做成攜帶式設備。用這種方法做的懸浮的3D無眼鏡顯示,叫衍射光場背光技術(diffractive lightfield backlighting,DLB),也是LEIA公司的知名專利。



  LEIA的DLB技術:分別由DLB模塊,LED edge lighting和LCD面板組成。圖片來源:LEIA官網

  除此以外,還有其他種類的無眼鏡懸浮3D技術——例如比較有名的雙凸透鏡或微柱透鏡3D技術(lenticular arrays display)。它的原理是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡,通過對光路的改變,透鏡就能以不同的方向投影每個液晶顯示屏上的像素點,于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏,可以看到不同的圖像。這個技術需要依靠液晶顯示屏,分辨率做不大,視覺區數量也有限。


3D TV,圖片來源:Dimenco官網




  Dimenco 公司的lenticular arrays 3D技術示意圖,透鏡能夠把左右眼圖像分別折射到雙眼所在的位置。圖片來源:Dimenco官網

  還有就是光屏障式3D技術(parallax-barrier system),也被稱為視差屏障或視差障柵技術,夏普3D手機和任天堂3DS采用的都是這項技術。

  這一技術需要有一個開關液晶屏幕(LCD),然后用液晶層和偏振層制造出一系列間隔為十幾個微米的光柵條紋。對于左眼,光柵條紋會遮擋右眼應該看到的圖像,反之亦然(如下圖)。這個是目前產業化力度最大的技術,不過亮度很低,分辨率也很低,而且難以做成可攜帶設備。


  任天堂3DS游戲機,圖片來源:任天堂官網


  Parallax-barrier system光屏障式3D技術,R與L分別對應右眼和左眼的顯示圖像。圖片來源:維基百科


  LEIA公司的這種多視圖自動立體3D顯示技術(Multiview autostereoscopic 3D displays),仍舊是目前受關注的,因為這種技術可以做到便攜設備上,也可以做到很小,同時分辨率很高。但是由于3D影像對目前分辨率要求遠超于2D,所以對數據量以及激光器的功能的需求也就更大,這是目前還未解決的難題。

  裸眼懸浮3D成像的未來

  裸眼懸浮3D成像不僅僅是為了滿足阿宅們對于超強影視效果的追求,更重要的意義在于它能夠提升人們對數字立體空間的應用,比如利用高分辨率的核磁共振成像數據,可以構成微小復雜的腦、神經、血管3D醫療成像,從而提升診斷效率。

  總之,《星戰》同款顯示技術離我們已經不再遙遠,相信過不多久,人們就會看到飄在空中的同款3D萊婭女神。裸眼懸浮3D技術也有可能為顯示,醫療檢測,手機等行業注入新的血液。開發新技術的意義總是遠超于目標本身。


LEIA黑科技:指尖上的蝴蝶,圖片來源:LEIA官網


“朝你的夢想加快速度邁步吧!” 圖片來源:新浪博客


  參考文獻:

  [1] Dodgson, N. A. Appl. Opt. 35, 1705–1710 (1996)

  [2] Dodgson, N.A., 2013. Optical devices: 3D without the glasses. Nature, 495(7441), p.316.

  [3] Fattal, D. Nature 495, 348–351 (2013)





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