通过3d电影，3d显示已经被大众所熟悉。那么，3d显示的发展背景、3d显示的原理、三维立体显示技术目前的发展情况如何呢?我们来看看3d显示的三生三世……
前世今生——从2d到3d
视觉系统是人类感知外界环境的重要工具，研究表明在人们的日常生活中有70%的信息是通过视觉被接收到的。显示技术作为信息技术的一个重要组成部分，涉及到现代人们生活中的每一个环节，它对满足人们的视觉要求有着巨大的意义。真实世界中的任何物体都可以用三维空间坐标(x,y,z)来表示其自身的形状、尺寸与物体相互之间的位置关系。然而，传统的平面显示设备包括：投影机、液晶显示器、等离子电视等，都只能传递二维图像，而丢失了真实世界中的距离信息。人们通过2d显示设备观察丰富多彩的3d世界时，不仅无法通过距离关系去判断物体在三维空间中的相对位置关系，而且人眼只能接收到单个角度上的空间场景信息。当人眼从不同角度观察2d显示器时，看到的内容都是相同的，没有任何的视差关系，这与实际上人们观察世界的感官不符。在日常生活里，人眼观察世界的过程中，不仅会接收到物体发出的光强与色彩信息，还会通过3d空间的深度信息对物体的尺寸与位置关系进行判断。传统的显示技术与二维平面成像严重的影响了人们对客观世界的感知，降低了人们对空间信息获取、处理、表达的精确度、速度与效率。随着当今科学技术的飞速发展，传统的二维平面显示技术已经远远无法满足目前各个行业领域对于深度数据与空间立体感的需求。越来越多的应用领域，如医学成像、科学研究、外太空探索、重要远程会议和军事等，要求能够实现3d场景的真实重建，从而使得观看者可以更加精确的捕获相关信息，准确的进行现场判断。由于3d显示相对于传统的平面显示方式具有种种的优点，因此可以预见3d显示技术将成为下一代显示科技的主要发展方向，而这项技术在给人们生活带来便捷的同时，必将给未来的生活注入更多活力。
图1 3d电影海报
目前3d显示技术主要应用在电影产业上，2010年到2012年间好莱坞上映了20余部3d影片，其中《阿凡达》(如图1(a))与《泰坦尼克3d》(如图1(b))都在世界范围内产生了巨大的影响，掀起了3d研究的热潮。与此同时，中国的3d电影也迅猛发展，2015年上映的《捉妖记》(如图1(c))、大圣归来(如图1(d))、寻龙诀(如图1(e))等电影以它们精良的制作吸引了众多观众的眼球，赢得了广泛的好评。目前票房前十的影片有七部是3d制作。随着科技的发展，3d显示技术正在逐渐摆脱辅助眼镜设备的限制，以全新的姿态进入人们的生活。权威机构displaysearch预测，全球3d市场到2019年将达到670亿美元。下面将介绍立体视觉产生的原理与主要的三维立体显示技术发展状况。
不枉过今生——立体视觉原理
通过长期的研究表明人眼可以通过多种因素来感知深度，主要分为心理因素与生理因素。心理因素包括空气透视、阴影与明暗、线性透视关系等，生理因素主要包括辐辏、调节、双目视差和运动视差等。在3d显示技术的实现中，我们需要重点考虑的是生理因素。
辐辏：当人眼观察真实世界中的场景时，双目会通过转动共同对准物体，如图2所示。人脑会根据双目视线的汇聚角度的不同判断深度信息。
图2辐辏与感知深度
调节：人眼的晶状体可以看作是一个焦距可变的透镜。当观看内容的距离发生变化时，晶状体会根据需要调节曲率半径r，使得视网膜上呈现清晰的像，如图3所示。人脑会感知晶状体的变化对不同的深度进行判断。
图3 调节与感知深度
运动视差：人眼在观察客观世界中的物体时，从不同位置可以获得3d场景不同侧面的信息，每一个角度的侧面信息就是一张视差图像。当人眼位置连续变化时，人眼接收到的视差图像也会连续变化，从而形成运动视差，如图4所示。在人眼相对场景位置不断变化的过程中，人脑可以根据观察物体移动速度的快慢来判断远近关系，距离人眼越远的变化越快，距离人眼越近的变化越慢。
图4 运动视差与显示景深关系
双目视差：由于人的左右眼之间存在一定的间距，因此它们会从不同的角度观察3d场景，采集到3d物体的不同侧面。通过两个瞳孔呈现在视网膜上的内容会略有差异，这种差异就是双目视差。人的大脑通过对双目视差进行融合，获取到空间中3d场景的深度关系，便可以形成立体感，这就是双目视差形成立体视觉的原理。双目视差是公认的带来深度感知的最重要因素，利用双目视差控制显示深度的原理如图5所示。当人的左眼观察到显示屏幕上的a点，右眼观察到与a点相对应的像素点b点时，通过人脑的融合作用，观看者可以感知到出屏的3d物点e，此时a点与b点之间存在负视差。当人的左眼观察到d点，右眼观察到与d点相对应的像素点c点时，通过人脑的融合作用，观看者可以感知到入屏的3d物点f，此时c点与d点之间存在正视差。根据视差控制显示景深的原理可知，通过调整匹配像素点在显示屏幕上的间距便可以给人眼带来不同显示深度的视觉效果。
图5 双目视差与显示景深关系
作者：于迅博
