浅析裸眼3D显示技术

一、立体视觉原理

人眼产生立体视觉归因于生理和心理两大因素，其中生理因素是立体视觉形成的最主要来源。心理因素感知上的立体视觉通过2D平面介质即可呈现，例如手机屏幕、显示器等，然而生理因素感知的立体视觉需要对人眼产生特殊的视觉刺激，无法通过2D平面介质呈现，需要借助3D显示介质实现。

1.生理因素

立体视觉的生理因素感知主要包括双目视差和移动视差，其中双目视差是产生立体视觉的最重要的生理因素，几乎所有的3D显示技术中都应用到了双目视差的原理。

双目视差：人双眼之间的水平距离约为65mm，当双眼同时观察一个物体时，由于左右眼的观看角度各不相同，因此左、右眼最终获取了两幅略有差异的图像，最后大脑将获取的两幅视差图像进行融合，形成一幅完整的立体图像，将这种左、右眼的视觉差异称为双目视差。

移动视差：是指当观察者在横向移动时观察不同远近的物体，会感觉到物体的移动速度存在差异的一种视觉现象。具体来说，物体距离观察者越近，其感觉上的移动速度越快；物体距离观察者越远，其感觉上的移动速度越慢。因此可以根据物体移动的快慢来判断物体的深度关系。

2.心理因素

心理因素是人们在长期的生活中观察总结得来的经验，他可以“欺骗”大脑，使其产生一种伪立体视觉，虽然具有立体感，但其本质上是一种心理错觉，所显示的仍然是一幅2D的画面，不包含深度信息。心理因素主要包括仿射、遮挡、光照阴影、纹理和先验知识5个部分。

仿射：指人眼所看到景物的大小将随着距离的增大而线性减小，直观感受就是近大远小。

遮挡：前面的物体将会遮挡住后面的物体，可以通过物体间的遮挡关系判断物体间的深度关系。

光照阴影：不同方向的光照会在物体表面产生不同方向的阴影，通常我们认为暗的部分是由于光线被遮挡，亮的部分是由于光线直接照射，对阴影形状的判断可以帮助我们推断物体的三维形状。

纹理：通过有规律重复的动态静态特征分布产生立体视觉。

先验知识：是指在人们对物体的空间形状以及结构有充分的了解后，当再次看到该类型的物体时，即使只是看到物体的一个侧面，也能够联想到物体的整个空间形状，从而产生立体感。

二、裸眼3D显示技术概述

裸眼3D显示技术是指利用人眼视差特性，使观看者无须佩戴任何3D眼镜或VR设备，仅凭肉眼即可获得立体视觉效果的3D显示技术。相比传统2D显示，裸眼3D显示技术可为用户提供更加震撼和沉浸式的视觉体验。

目前主流的裸眼3D显示技术有光栅3D显示、光场显示、全息显示等类别，其中光栅3D显示技术已相对成熟，并应用在多个领域，光场显示技术正逐渐从理论研究走向商业化应用，而全息显示技术则处于技术突破的关键阶段。

1.光栅3D显示

定义：是利用双目视差的原理，借助光栅、柱透镜等光学调控元件的分光作用，使左右眼接收到具有一定视差的图像，再通过大脑的融合实现立体感。

基本原理：依据光栅硬件实现方法不同，光栅3D显示器主要有狭缝光栅、柱透镜光栅等具体技术实现路线。以狭缝光栅技术为例，详细说明其技术原理，如图1所示。狭缝光栅由透光条和遮光条交替排列共同组成，其中一个遮光条与一个透光条构成一组控光单元。黑色条纹为遮光条，完全不透光，用于遮挡来自显示屏上像素的光线，白色条纹为透光条，使来自显示屏上像素的光线透过并被人眼接收。

狭缝光栅3D显示器由显示面板与狭缝光栅两部分组成，其结构示意图如图2所示。不同像素发出的光通过狭缝光栅的透光条进入观看者左右眼，光线进入左右眼后在视网膜上形成两幅视差图像（双目视差），两幅视差图像经过大脑融合后产生具有纵深感的立体图像。其原理跟我们看3D电影戴的3D眼镜类似，可以简单地理解为把3D眼镜集成于显示器中，裸眼就可以观看到3D效果。

2.光场显示

定义：光场显示技术是模拟人眼观察真实三维场景接收到的漫反射光分布，利用特殊显示和控光器件重构三维空间光场信息（光线的方向、强度等）的三维显示技术。

基本原理：光场显示其本质是在特定空间范围内重构出与真实世界相似的光场，使人眼在观察重构光场时获得接近真实的视角感知，从而实现逼真的三维立体视觉效果。依据光场重构实现方法不同，光场显示技术主要有集成成像光场显示、投影阵列光场显示、层叠光场显示等细分技术路线。

下面以集成成像光场显示为例，详细说明其技术实现原理。集成成像技术是基于微透镜阵列来记录和再现三维场景的显示技术，其技术实现包括3D数据获取和3D图像重建两个过程，如图3所示，在3D数据获取过程中，使用图像传感器等记录设备，通过微透镜阵列记录下3D场景中不同角度和位置的信息，合并形成微图像阵列。在3D图像重建过程中，在2D显示器上加载微图像阵列，使用与记录时参数一致的微透镜阵列与之精密耦合。根据光路可逆原理，微透镜阵列将微图像阵列发出的光线重新汇聚还原重建出3D图像。

3.全息显示

定义：全息显示是一种基于光波干涉原理记录物体光波的振幅和相位信息，并根据衍射原理，再现出真实3D图像的技术。

基本原理：目前全息显示有光学全息显示和计算全息显示两类技术路线，以光学全息显示为例，详细说明其实现原理。光学全息显示的实现过程包括两步：第一步，利用干涉方法将物体的振幅和相位信息存储下来，即记录过程如图4所示；第二步，利用光学衍射方法将物体的振幅和相位信息再现出来，即再现过程或称成像过程图如图4所示。

在记录时，具有较高相干性的物光波和参考光波进行干涉，形成具有一定规律的干涉条纹，并将干涉条纹记录在全息干板上，然后经过一系列的显影、定影等后处理过程，形成全息图。在成像时，根据衍射原理，当使用参考光照射全息图时，对应的物光波信息会被重现出来。

三、裸眼3D显示技术在金融领域的应用展望

裸眼3D显示技术提供的立体显示效果与沉浸式感官体验，将推动人机交互方式的变革，使得人机交互从传统2D向3D时代进阶，开启全新的交互篇章。从银行业角度来说，银行网点具有数量较多、人流较大、客户服务需求较旺盛等特点，有望成为裸眼3D显示技术落地应用的试验田。因此，将其应用在网点对客服务、产品营销等领域，有望推动金融服务模式的创新，助力金融服务提质增效。

在对客服务方面，基于裸眼3D显示+实时音视频等技术，在远程银行中心与支行网点之间搭建点对点的裸眼3D视频通话服务，让银行远程柜员与客户通过线上方式远程交流与互动，为客户提供业务办理、咨询和协同等服务，获得和现场面对面相同的服务体验，给客户产生耳目一新的感觉，扩展全新对客服务渠道，助力网点轻型化运营模式创新。

在产品营销方面，基于裸眼3D显示+三维重建等技术，构建裸眼3D产品营销体系，通过对贵金属、信用卡等产品进行三维建模，再配合裸眼3D显示屏向网点客户全方位立体展示金融产品信息，便于客户更直观地了解产品特点，为用户提供全新的产品选购体验，提升网点金融产品营销成功率。

（吴昕颐  中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院 ）