人类社会正处于信息爆炸的时代, 从信息的收集、处理到传播交流各方面都有着突飞猛进的进步, 但在影像信息的展示方面却一直没有取得重大的突破, 始终停留在二维平面展示阶段, 人们想体验到身临其境的3D虚拟现实效果, 还只能用各种3D眼镜等方式来实现, 不仅严重影响了展示的效果, 而且严重制约着虚拟现实技术的发展。
裸眼3D展示因其符合人们日常生活习惯, 方便易用等特点, 一直是科技人员追求的目标, 长期成为世界范围内的热门研究课题, 但由于技术实现难度实在太大, 始终没有本质的研究突破, 本文试图从最基本的多通道投影技术入手进行讨论, 通过对投影方式及投影银幕的改进, 以期实现虚拟现实的裸眼3D影像显示效果, 希望本文能对裸眼3D显示技术的发展起到一点抛砖引玉的作用。
1 多通道投影技术
从理论上说, 要让人产生身临其境的裸眼3D虚拟现实观看感受, 必须要有足够多的影像通道 (也就是足够多的摄影机) , 虽然人只有两只眼睛, 从理论上说只需要两个通道就可以让人产生3D感受, 但在裸观看的情况下就不同了, 在裸眼观看的情况下, 人的头部不可能一动不动, 否则一是导致观众太累, 二是丧失身临其境的效果, 这就决定了, 无论想用任何方式来实现裸眼3D虚拟现实展示, 都必须有足够多的影像信号通道, 才有可能让人在不同位置看到不同的图像, 也才有可能给人带来类似真实场景的3D虚拟现实感受。
对于众多影像通道的影像信号, 按照现有计算机技术已不难进行数字化处理, 既可以同时保存在一个影像文件里, 也可以用多个文件的方式分别保存, 再同步调用, 总之记录方面是没有多少技术障碍的, 最困难的是把众多的影像通道的信号进行还原, 以达到与拍摄时相似的效果, 让观众在不同的观看位置能观看到不同的影像效果, 就是说怎么进行裸眼3D展示的问题。
第一, 实现裸眼3D虚拟现实展示最直接也是最简单的办法, 就是采用足够多的投影机, 从水平方向进行全方位的投影, 再通过特殊的专用投影银幕的反射, 让人的两只眼睛在水平方向任何位置, 都能看到不同角度的影像, 从而达到身临其境的观看感受。从目前的技术发展水平来看, 随着高精度低成本的投影机的大量进入实用, 这一技术实现起来不会太难。
第二, 实现裸眼3D虚拟现实展示的另一种更为理想方式, 采用类似扫描投影的办法, 就是让一台或多台投影机进行水平方向的连续扫描方式投影, 通过投影到特殊的专用投影银幕上, 通过计算机影像处理系统, 在不同的位置产生不同的投影图像。从理论上说采用这种办法可节约投影机的数量, 并再现类似连续的空间影像, 创造出更为逼真的裸眼3D虚拟现实效果, 但具体实现起来可以想象其难度是相当大的。
说到这里, 我们可能已经看出, 无论采用何种方式进行裸眼3D虚拟现实投影, 最终都归结到了特殊的专用投影银幕的设计制作, 这种特殊银幕的具体实现方式才应当是我们要研究的重点。
2 裸眼3D高精密半定向投影银幕的种类
2.1 全定向投影银幕
最简单的裸眼3D高精密全定向投影银幕, 是采用一张光学透镜, 或者是一张球面反射镜, 利用光学透镜或者球面反射镜, 将来自不同位置的投影机光线投射到不同的位置, 也就是让人眼在不同地方能接受到不同的影像。如下图所示:
采用这两种方式都涉及到一个不可忽视的技术问题, 由于这两种方式都是全定向投影方式, 那就是需要相当多的投影机, 几乎需要覆盖满整个观众空间, 才能让人在不同地方都能看到图像。
由于人只有水平方向的两只眼睛, 因而, 我们完全可以省略掉在垂直方向的投影机, 只在水平方向沿一条线进行投影机排列, 这就需要有一种特殊的, 只在水平方向精确投影, 而在垂直方向无论人的头部怎么上下运动画面都不变的投影银幕, 这就是我们所说的半定向投影银幕。
2.2 半定向投影银幕
实现半定向投影银幕的方法可有多种。
2.2.1 狭缝光栅板式
利用大量纵向排列的狭缝光栅线, 从水平方向阻档一部分光线, 对不同投影机的画面进行隔离, 使人的两只眼睛只能分别看到来自不同投影机的画面。如下图所示:
采用狭缝光栅板式半定向投影银幕, 由于通光部分可做成完全通透的缝隙, 因而受干扰小, 画面干净, 但是随着投影机数量的增加, 通光缝隙所占的宽度比例将越来越小, 例如, 在两台投影机时通光缝隙可占整个银幕面积的1/2, 而采用3台投影机时就只能占1/3了, 在投影机太多时会浪费掉大量光线。
2.2.2 柱状透镜光栅式半定向投影银幕
利用柱状透镜的水平聚光作用, 将不同位置的投影影像反射回观众的眼睛, 从理论上说, 其反光效率应当远高于狭缝光栅板式, 但从实践中发现, 这种方式对于柱镜的精度有较高的要求, 并且由于柱镜表面反光的影响很大, 会对透射光形成的影像造成严重干扰, 因而展示效果并不理想, 估计如果在柱镜表面镀上一层高效的增透膜或者改变一下柱镜材料, 可能画面会有所改善。
3 用特殊光学方式设计的真正半定向投影银幕才是未来发展的方向
为了适应3D虚拟现实投影, 必须设计出一种特殊的, 能专门用于裸眼3D投影的高精度半定向投影的银幕, 在这方面已经有了一些比较有前途的设计, 就是对各种反光方式进行组合, 比如将全定向反射与弧面反射相结合, 从而实现水平方向定向反射、垂直方向半分散反射, 从而综合以上各种方式的优缺点, 成为真正意义上的3D银幕, 就应当是很有前途的一种解决方案。这方面目前已经有了比较有希望的构想。
我们有理由相信, 随着3D虚拟现实投影专用半定向投影的银幕的研制成功, 裸眼3D虚拟现实技术距离我们就会越来越近, 裸眼3D虚拟现实技术的普及也就指日可待了。
摘要：如今, 裸眼3D展示因符合人们日常生活习惯, 方便易用等特点, 一直是科技人员追求的目标, 长期成为世界范围内的热门研究课题, 但由于各种原因, 始终没有太大的研究突破。本文试图从最基本的多通道投影技术入手进行讨论, 主要是通过对投影方式及投影银幕的改进, 以期实现虚拟现实的裸眼3D影像显示效果。
关键词：裸眼,3D,虚拟现实,定向投影银幕
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