裸眼3D之双目3D显示器

2.1 波长选择显示器
        最早和最简单的双目显示是颜色浮雕，具体来讲，采用一对彩色滤波眼镜，将用户看到的彩色打印或者显示(displays)，通过不同的颜色通道对左右两个视角采集到的视图进行编码。通常左眼编码为红色，右眼编码为青色。这样做的优势是几乎所有的彩色显示设备都可以用来显示立体图像对，明显的缺点是两只眼睛看到的是不同的颜色输入。
        Infitec是最近出现的一种对浮雕(anaglyph)的改进。它通过采用不同的窄波带原色，将两幅全色图像传送至两只眼睛。红色这一原色波长中心为600nm，而Infitec仅仅将一小段波长范围的红色传输至左眼，中心为650nm，波长范围覆盖50nm(625~675nm)。同时将另一中心居于650nm的小范围波段传送至右眼。用户端戴着经过调节的眼镜，左眼滤波器仅仅能穿过600nm附近的窄波，右眼只能穿过650nm附近的波段。另一个类似的不同方案采用的是绿原色和蓝原色。
        这样的结果是左图可以用一系列的基本滤波器进行分析且只能被左眼看到，右眼如上，只能看到右图。由于编码过程不依赖于偏振，这样子有一个好处就是任意标准投影屏幕都能
        用来看其产生的图像，并且按照所报道出来的，串扰处于较低水平。由于波长偏移，左眼和右眼图像独立地以不同颜色出现。当进行结合后，影响变得不那么显著，颜色信号处理可用于预调节图像颜色，针对一些比较关心颜色的场合很重要。

2.2 立体镜和头盔悬挂显示设备
        设计一个立体镜悬挂头的方法，是采用一对微显示设备和匹配好的扩大光学，来产生一幅有限距离的虚拟图像[6]。
        因微显示器技术已有的增量步骤，以及光学元素[7]以及一些HMD的基本设计原则，在Benton[2]中已经进行了描述。
        一个HMD设计的新方法是用波导替换掉眼前的一对笨重的光学设备[8][9]，波导装置看起来非常像是常规的眼镜。波导装置使得笨重的光学引擎从眼睛前面移除，将其放在眼镜两侧或者中间。
        高精度的波导装置通过显示源的全内反射将光线传递到眼睛，辅以两个衍射光栅。衍射光栅提供in-coupling和out-coupling(内耦合外耦合？)。in-coupling衍射光栅对能将光学引擎的光进行无线聚焦到波导装置。并且，通过波导装置内反射到out-coupling光栅，光路(light order)被改变，以保证可以被折射到波导装置，从而传递到人眼。为了保存图像完整性(integrity)，反射角也被保存下来。波导装置可以额外地作为光学扩展器，扩大出瞳(出射光瞳)的大小因而允许更小大小的显示光可以用于产生更大的眼镜位置的自由度。
        最终的显示允许用户看到覆盖其视角范围的真实世界的全彩色图像，这种技术较标准HMD技术的长远优势是它提供了改进的外形(form factor)，显示关闭后的透明设备，更轻的重量，更少的部件，相同的图像以平面视图地传递到两只眼睛，并且解决了两只眼睛得到图像之间的误对齐。
        波导装置技术也存在问题，保持图像颜色作为内反射的光强，穿过光栅宽向减弱。变化的光栅深度跨越外耦合改变提取光的百分比，因而通过波导装置来补偿信号强度的丢失。红绿蓝之间的效率差异会引起图像上的人工瑕疵，这个问题可以通过堆叠波导装置来进行改善，也引起每一种颜色不同数量的反射 [10] 。
        最近的分析采用衍射理论和光线追踪(ray tracing)，这使得特定设计的倾斜光栅(slanted gratings)蚀刻到眼镜和塑料基板，保证了光线传播主导方向的控制以及内耦合和外耦合效率的提升。倾斜光栅可以被制造用于产生波导装置，通过采用全息接口来创建全息电影(holographic film)[10]。蚀刻技术(etching techniques)使得光栅上一个陡峭的倾斜，这个倾斜可以提高效率，并且也产生了波导装置复制的可能性。

2.3时间序列双目显示
        图像准时交织使得单个显示设备可用于产生两个或者更多可选视图图像。如果视角切换足够快，比每只眼睛58hz更快，以比较大的亮度激励，那么观众将不会感觉到切换或者闪烁。这种方法的一个经典例子是电子快门眼镜，采用LCD单元准时将合适的图像进行切换显示在CRT上。
        1)时间序列偏振方式：一个将开关切换设备挂在眼镜上的替代方案是将此开关设备附加在显示屏幕上。比如，采用偏振机制作为左右视图的编码方式。然后观众戴一双被动偏振眼镜来滤掉偏振光，从而使得眼睛能看到合适的视图图像。这种方法的一个最近的实现是RealD 技术[13]，用于电影和专业市场。这种方法一个重要的部件是一个DLP投影设备，当该设备工作于立体镜模式时，能超过每只眼睛的最小闪烁频率。
        RealD方法是为了适应一个固定的偏振镜，此偏振镜带有一个液晶偏振开关。在Zscreen装置里面，这个设备采用两个pi-cells，两个pi-cell都能提供1/4波延迟，加起来后是一个半波开关，这是考虑到了pi/2旋转角的需求。这将产生要求的准圆偏振，并且可通过用户眼镜上的圆分析仪进行匹配。第二种设计，ALPS，在[13]中有进行详细的介绍，用一堆“被动缓凝剂”(passive retarder) 联合两个LC pi-cells 来完成一个线性偏振解，这需要进行匹配，通过用户的被动眼镜上的线性分析仪来实现。
        有了所有的分析解，“端到端”系统的质量决定了用户的3D效果体验，并且，为了偏振投影，荧幕的选择是非常重要的一个部分。有一个好的偏振保持荧幕，尽管头部和视角都是影响因素，两个系统都能提供比较好的低串扰性能。另外，推荐使用长冲程镜头(long throw lenses)。一个权衡的存在，比如LC快门眼镜，光线的一个重要部分(可以在2D操作模式看到)将会被偏振器件吸收。Further light(深度光？细节光？)将由于后续的序列操作而丢失。
        2)时间序列背光：时间序列显示的一个自动立体镜解决方案是采用定向光SLM(spatial light modulator空间光调制器)显示来导向光，通过两个不同方向的显示。如果如上所述，该显示设备在定向光切换时能足够快速地准时切换，那么用户就不需要配戴3D眼镜也能从该显示设备上看到一幅双目图像。
        Nelson和Brot[14]描述了一个这样的设备，采用一个联合一个双面(凹凸镜加棱镜)lenticular-plus-prism胶片(film)和一个Fresnel镜头元件的背光装置。这种背光装置设计成拥有一个在显示设备的两边都有一个光源，并且在它们中间有一个wave-guide表面。这种背光的光学设计加上那个棱镜胶片，当右手边的光源开启之后，光是直射的，因而显示设备仅可以被用户的左眼看到，同样的道理适合左手边光源。Fresnel 镜头，在prism film 和SLM之间，作为一种扩展显示大小的存在，这可以用在短观看距离的情况下。在一个典型的桌面观看距离 330mm，综合的显示效果允许达到对角500mm的显示。
        这样的显示设计的一个重要好处是，不像很多的自动立体镜3D显示，这种显示设备没有幻视位置。用户要么看到了正确的(且不幻视)3D图像，要么两只眼睛看到了相同的2D图像。一个更深远的优势是它能被相同的视频信号(广泛可用的电子快门眼镜)所驱动。然而，潜在的来自背光设备的迷途(stray)光反射和SLM的慢切换串扰一直存在。Nelson 和Brot明确地建议这只适合开关速度高于90HZ的SLM显示设备，以达到每只眼睛至少45HZ。依赖于亮度和显示大小[11]，这样才能足够快，以避免设计实施方案的闪烁。

2.4 时间并行双目显示
        相比于时间顺序显示，时间并行显示设备同步显示两幅视图到两只眼睛。这些显示通常并不受困于时间上的瑕疵，比如闪光灯，因为双视图是同步驱动的。然而它们的缺陷在于，变化的光学设计要求很多不同的图像交替调度，由于没有标准化，因而也需要图形系统里一个可用的宽范围的驱动。标准的缺乏所带来的结果是在不同的显示类型之间，获取深度再现会发生变化[15]。
        1) 立体时间并行显示设备：显示设备采用眼镜，同时产生两幅图像，包括广泛可用的双投影系统，联合了两个匹配了合适的眼镜的投影器和偏振滤波器。这些都很容易构建，并且目前很多供应商都可以提供。偏光片的质量和偏投影屏幕的偏振属性保留对控制串扰和保持整幅屏幕亮度很重要。另外，显示器设计如[16]，采用双LCD面板和一个半反射镜，达到了一幅图像透射另一幅图像反射的效果，这样可以旋转反射显示器的自然偏振以致线性偏振眼镜可以用来观看。这些很简单，但很有效，Land’s在1937年的一个实施方案[17]采用了打印、偏振板和半反射镜。
        2) 自动立体时间并行显示器：大多数的双目自动立体显示器采用视差(狭缝)屏障或者一个光栅镜头阵列作为导向光元件，同时结合一个SLM设备比如一个LCD面板。狭缝或者镜头垂直对齐，因而半边的显示器对左眼可见，另半边对右眼可见。结果是一个中间观看最佳点显示，这个最佳点距离显示器的距离预先已经设计好。对两边的中间视点，常常会出现很多重复观看位置，这些位置也能提供立体视图。
        Harrold[18]等人描述了一个自动立体双目3D显示器，采用微镜头作为导向光学元件。这种设计采用一摞三元件，其中两个是TFT-LCD和微镜头阵列，形成一个传统的自动立体显示器设计。第三层是一个液晶开关，联合特定设计的偏振激活微镜头，允许3D效果电子打开和关闭。当LC开关在偏振状态时，微镜头激活，另一个状态时关闭。最终结果是2D和3D显示器模式都保留了一定亮度，这比起狭缝，是一个优势。
        屏障固有的阻塞光的特性，降低了显示亮度。这种设计在两种观看通道之间串扰较低，低于“中间观看位置”一个百分点。重复的经验显示低串扰对传送一幅高质量的3D效果和有着显著深度的高对比度的图像是非常重要的[19]。对比所有时间并行设备，使用单LCD面板，每一只眼睛能看到的分辨率是完整面板的一半。一个替代方案是采用双CCD面板，联合bulk或者微光学设备来控制光线，使得一个面板的光传递到左眼，而另一个面板的光传递到右眼。
        Cobb[20]描述了一个这样的方案，采用bulk光学；McKay[21]描述了另一个方案。这两种方案都产生一个立体观看位置，这个观看位置在显示器前面的最佳点，由于没有重复的最佳观看位置，因此这种显示器属于单用户显示器。 这种方法的好处在于，由于两个观看通道互相之间光学独立，它能以零串扰向两只眼睛传递全分辨率图像，其结果是一幅高质量的3D图像。

2.5 头跟踪3D显示设备
        头跟踪系统可以跟踪用户的头的位置，或者更精确来说，跟踪眼睛的位置。对于3D显示设备来讲，简单地跟踪脸部中心线，一般足够用于驱动一个视觉转向机制。这种机制允许左视图跟踪左眼右视图跟踪右眼。
        像夏普微光学双LCD设计[22]显示设备，测试了多种头部跟踪方法，执行IR探测器和视频跟踪系统。在这个自动立体显示设备中，转向机制通过微光学构建，镜头和狭缝阵列机制性地移动使得左右视图跟随观察者。系统性能的关键在于最小化视图移动响应用户头部运动所带来的延时。延时越大，所支持的最大头部运动速度越慢。夏普开发了几种头部跟踪单LCD面板设计[22]。Fraunhofer HHI group也发明了一个类似的设计Free2C。
        头部跟踪系统有很多好处，首先可以扩展横向显示视角范围，在某些设计里，也同样可以扩展垂直方向的视角范围。另外，如果头部位置数据足够准确，那么数据可以反馈到计算机图形系统，并且显示器上的图像随着用户的移动而更新。这样可以带来实际的环视效果，用户可以向周围各个方向看，屏幕上的物体的上面和下面。这种设计也可以移除那些没有正确响应头部运动而留下来的不自然的剪影。
        Perlin展示了一个针对单LCD头部跟踪显示器的设计[24]。这种设计提出采用安置在LCD屏前的电子可编程的狭缝屏障来转动视角。这个设计目标是让这个狭缝来响应用户眼睛位置的变化，允许横向和纵向运动跟踪。另外，这个设计还能响应头部旋转。理论上可以响应用户所有可能的头部运动，并且保持一个正确的立体视图。事实上，构造一个可编程的狭缝屏障面临的挑战是显著的。
        带有每一用户头部跟踪的多用户显示器已经报道出来，比如HELIUM3D显示器[25]。这个设计采用激光器和带有独立瞳孔跟踪系统的快速光阀来同时提供双目图像到几个用户。为了提供不带闪烁的图像给用户，这种方法要求很高的帧率。

       对于3D光学和内容提供商，眼睛跟踪系统的好处在于显示系统的带宽可以减少，支持仅仅传送给用户当前视角位置处的图像信息。这一点，在立体显示设计领域、积分图像领域、伪全息显示器领域已经被开发过[27]。对于后一种情况，眼睛跟踪技术对于减小计算代价和光学带宽是至关重要的，这样才能根据用户移动实时产生图像。