3D显示技术科普

经常有人问我:什么是3D和3D内容?什么是裸眼3D?什么是全景?什么是VR?什么是AR?什么是元宇宙?

一、3D与3D内容

先说3D,其实3D就是指的三维,简单说:x、y、z,后面的裸眼3D,全景,VR,AR,MR都离不开这个3D基础。那么通过3D建模手段形成的三维模型然后经过渲染后(3D内容资源)或加交互(交互3D内容)后,就形成3D内容。

二、三维显示技术

从1950年出现分色眼镜即彩色滤光方式实现3D技术再到1980年出现快门式眼镜与偏光式眼镜辅助3D显示,再到2010年左右出现的虚拟与现实以AR/VR眼镜为代表+自由立体技术即裸眼3D显示技术为代表的发展历程,未来以真正的三维(裸眼)为主导的显示技术将会成为未来的方向与趋势。



效果图:


未来显示效果图
1、辅助视觉三维显示

我们能够看到3D,是因为我们的左右眼睛得到的图像有细微差异,通过利用人眼的同时分时接受不同的画面,在大脑中叠加重生,产生空间感。我们可以通过特定的硬件设备,使左右眼睛观察到细微差距的图像,从而恢复三维深度信息,因此我们就可以看到3D立体画面。

  • 彩色滤光方式
    通过滤光片来进行3D画面的显示技术,疲劳感太强烈,红蓝眼镜就是这种方式


    图片源自网络

  • 偏振光方式
    又称为左右格式,以牺牲显示分辨率为前提,将显示屏像素点出射光分为两种正交偏振态,两个正交偏振态依次对应左右眼。市面上偏光式 3D 技术也叫偏振式 3D 技术,配合使用偏光屏、被动式偏光眼镜一起使用。
    偏振光方式:将两个画面放在一个屏幕上,左边的看左画面,右边的看右画面,形成立体画面。


    左右眼画面
  • 帧顺序方式
    这种方式又称为帧分立体方式,以一定的频率进行图像的切换,所以牺牲显示刷新率。按照时间序列依次为左右眼提供视差图像。当显示设备具有120Hz的刷新率时,播放帧顺序的时候,左右眼各60Hz。一般来说控制画面在60帧即可,太高太低都会有问题。其次会有鬼影现象,内容制作也要注意,一般都是基于显卡的3D功能来完成画面的输出。

    • 英伟达 3D VISION 3D Vision是NVIDIA显卡的一项3D立体显示技术,配备了相应的3D眼镜等设备3D Vision对硬件要求比较高, 要想体验到3D Vision效果,必须具备三个条件:1、必须使用NVIDIA Geforce 8以上显卡产品。2、必须拥有一台120Hz刷新率的眼镜。3、必须购买NVIDIA的3D Vision眼镜
    • AMD HD3D
      基于Radeon系列显卡的立体成像显示技术,AMD HD3D支持Bit Cauldron、XpanD、RealD、YANTOK等多种3D立体解决方案,提供对蓝光3D电影完全解码和DirectX 9、DirectX 10、DirectX 11游戏支持
    • 硬件采集卡软件切换3D
      主动立体播放的原理很简单:产生左右眼画面,配合主动式眼镜开闭左右眼,使左眼看到左眼画面,右眼看到右眼画面,通过人眼视觉差产生立体画面。通过软件产生120Hz左右眼交错序列帧画面。 保证软件产生120FPS的稳定帧率,每帧渲染后增加计数器,根据计数器奇偶选择显示左或右画面。


      这是帧顺序的图

      这是普通2D图
  • 头戴式AR/VR眼镜
    这里的头戴式也是左右眼的方式,头盔或者AR眼镜中的左右镜头,投射出对应的左右画面,即可实现3D效果。

2、自由立体三维显示

自由立体三维就是我们说的裸眼3D可分为光屏障式(Barrier)、柱状透镜(Lenticular Lens)技术和指向光源(Directional Backlight)


  • 光屏障式

    目前已经可做到电子光栅,看普通2D,分辨率不下降,看3D分辨率下降。
    超多维 立体通
  • 柱状透镜

    康得新 易维视
  • 指向光源
    LED灯光源,指向某个位置。



    代码实现:

if (SteroSource_LeftRight == m_StereoSourceType)  //L-R
{
       if (0 == GetApplication()->m_nFrames % 2) {
         tutv = CFloadRect(tutv.left + tutv.top, tutv.right - tutv.width() / 2.0f, tutv.bottom);
       }
       else {
         tutv = CFloadRect(tutv.left + tutv.width() / 2.0f, tutv.top, tutv.right, tutv.bottom);
       }
}
else if (SteroSource_RightLeft == m_StereoSourceType) {
       if (1 == GetApplication()->m_nFrames % 2) {
       tutv = CFloadRect(tutv.left, tutv.top, tutv.right - tutv.width() / 2.0f, tutv.bottom);
       }
       else {
         tutv = CFloadRect(tutv.left + tutv.width() / 2.0f, tutv.top, tutv.right, tutv.bottom);
       }
}
else if (SteroSource_TopBottom == m_StereoSourceType) {
        if (0 == GetApplication()->m_nFrames % 2) {
          tutv = CFloadRect(tutv.left, tutv.top, tutv.right,tutv.bottom - tutv.Height()/2.0f);
         }
        else{
          tutv = CFloadRect(tutv.left +  tutv.top+ tutv.Height()/2.0f, tutv.right, tutv.bottom);
         }
}
else (SteroSource_BottomTop == m_StereoSourceType)
{
        if (1 == GetApplication()->m_nFrames % 2){
           tutv = CFloadRect(tutv.left, tutv.top, tutv.right,tutv.bottom - tutv.Height() / 2.0f);
        }else
         {
            tutv = CFloadRect(tutv.left, tutv.top + tutv.Height() / 2.0f, tutv.right, tutv.bottom);
          }
}
Render(pSampleRender, GetClientRect(), tutv);
GetApplication() - m_nFrames = GetApplication() - m_nFrames + 1;
3、真正三维显示

真正的三维显示最适合自然环境下的3D显示,观看的距离与位置不受限制,跟真实的环境一样,分辨率与真实无异。这是未来10-20年的方向,也是人类最想完成的。


阿凡达全息剧照

国内外研究方向:多方向背光集成、基于光泳光学捕捉的3D立体显示、基于多模式声学捕获的3D显示、基于神经网络的计算全息图实时生成方法(MIT)、多维空间光学调控3D光场显示(北邮)、分层角谱全息显示(清华)
真正的三维显示目前问题:3D视角小、3D融合假、3D生成慢、3D信息少等问题。

4、特殊三维显示
  • 全息风扇屏,高速旋转后实现3D全息显示,只支持正面查看。
    问题:噪音大,多台
    对内容要求是黑色背景的3D内容


  • 全息柜


  • 裸眼立体方式
    一般在有弧度(60°以上)的LED屏幕上即可,画面做拉伸后输出视频即可,视频或者程序画面是扭曲后的。内容往往是:1、影片 2、程序。影片可以绿幕抠像,在经过3DMax导出即可播放文件即可,程序则可以通过绘制矩阵完成。观看的角度与倾角也需要根据实际大屏位置调整。


    类似这种

    Unity制作

三、3D显示硬件

市面上3D显示硬件有:桌面式VR一体机、3D手机与平板、3D大屏(尺寸有84寸-120寸)、3DLED大屏、VR眼镜、AR眼镜

1、桌面式VR一体机
未来立体生产

带特殊功能就可以加红外感应点,产生更好的效果。如下图:


带追踪的偏光式3D追踪眼镜
2、3D手机与平板
3、3D大屏
4、 3D小间距LED
  • 什么是小间距LED
    小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5及以下的室内LED显示屏,主要包括P2.5、P2.083、P1.923、P1.8、P1.667、P1.5、P1.25、P1.0等LED显示屏.尺寸可以自由拼接与定制



    小间距LED
  • 3DLED显示屏幕主要分为两种:1.主动式,2.偏振式。

    1、主动式的3D显示系统,通过提高画面的刷新率把图像按帧一分为二,形成对应左眼和右眼的两组画面,连续交错显示出来,带蓝牙主动式眼镜,直接与主动式3D立体射频发射器连接。一般配对就是长按6-10秒就可以配好了,当然前提是支持蓝牙协议.通过把图像按帧一分为二,形成对应左眼和右眼的两组画面,连续交替显示出来。

    带蓝牙

    2、偏振式是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的,通过在显示屏幕上加放偏光层(偏光膜),可以向观看者输送两幅偏振方向不同的两幅画面(垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面),当画面经过偏振眼镜时,由于偏振式眼镜的每只镜片只能接受一个偏振方向的画面,这样人的左右眼就能接收两组画面,再经过大脑合成立体影像。主要特点:眼镜成本很低,轻便,没有“3D眩晕综合征”。
    不带追踪的被动式眼镜

5、VR眼镜

早期的CardBoard,到2016年HTC推出的基于PC端的Light house技术的HTC Vive,然后从outside-in定位技术再到outside-out的Pico。

  • HTC


  • Pico


6、AR眼镜

一般称为MR眼镜、XR眼镜,也有叫增强现实眼镜,根据技术不同:HoloLens、Magic Leap、耐德佳显示技术公司的AR眼镜、亮风台AR眼镜、Rokid公司的AR眼镜、爱普生智能AR眼镜。AR眼镜现阶段有两个制约发展的点:1、视场角大小(FOV)2、体积
国内 缺点:显示出来的画面质量不高,视角有局限,
目前市场上有的:衍射光波导与阵列光波导,未来的发展是衍射光波导。

  • AR模组的参数。


    通过阵列光波导技术

这个是比较适合普通人员眼镜使用的,如果是工业安防领域,可能需要更大的视角


小米发布的AR眼镜明确表示了:MicroLED光波导显像技术。通俗点说:将画面通过光线转折,再反射到人眼中。

五、什么是元宇宙

元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相容的互联网应用和社会形态,基于显示技术提供沉浸式、互动式的体验,生成具有对应现实世界关系的镜像。

1、元宇宙的基础框架
  • 硬件: 要有支持体验的硬件入口和对应的操作系统。要密切关注沉浸式交互3D显示与适配的人机接口。
  • 运算:支持元宇宙运行的后端基础建设,关注:算力与算法、云计算、边缘计算、5G6G
  • 架构:区块链技术与开发工具的兼容
  • 生产:以AI技术为核心的生产力,凸显人工智能
  • 资源:内容与场景的体验与更换
  • 服务:内容服务、技术服务、专业服务等。
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