现实中三维物体之所以能被人眼感知到, 是由于其表面漫反射在三维空间中的光场信息分布被人眼捕获.Gershun^[1]提出光场的概念, 定义为空间中某点向所有方向发出光的集合.1991年, Landy等^[2]提出全光函数的概念, 采用七维函数G(x, y, z, α , β , λ , t)表示光场函数, 其中, (x, y, z)表示发光点三维位置, (α , β )表示发光方向, λ 表示波长, t表示时间.然而, 实际光场在三维空间中呈现无限连续分布的状态, 即使未考虑光线的其它特性(如极性、相位等), 七维函数的计算量依然相当庞大.1996年, Levoy等^[3]将光场函数简化为四维函数, 在忽略光线波长和时间的影响下, 只需考虑光线的方向和位置.一般表征为2个相互平行的平面, 即L(u, v, s, t), 其中, (u, v)、(s, t)表示空间中光线与两平面相交点的坐标.光场函数表征示意图如图1所示.

图1

Fig.1

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	图1 光场函数表征示意图Fig.1 Flow chart of light-field function

光场三维显示系统的设计理念是采用有限个视场以近似空间中连续分布的实际光场.通过对采集的连续光场分别沿空间、角度、时间轴等进行离散采样, 获得有限数量视场表征的光场函数, 经二维显示器件、光场调控器件等进行再呈现, 获得三维显示效果.目前, 学者们已提出多种光场三维显示系统.

1.1.1 基于集成成像光场三维显示技术

集成成像显示技术一般是将微透镜阵列置于微型显示图像阵列之前进行三维场景显示, 包括记录和再现两个过程.每个透镜元下覆盖一幅不同方位视角的微单元图像, 经微透镜阵列投射不同视角的光线, 在三维空间中进行聚集还原, 重现物空间的三维场景, 使人眼在对应的视角位置观察到具有正确视差的图像.该技术的三维显示原理图如图2所示.微型显示图像阵列可采用投影仪阵列或液晶面板等实现.集成成像显示技术可同时实现水平视差和垂直视差, 但分辨率和显示尺寸受限于显示器件, 分辨率不高.

图2

Fig.2

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	图2 基于集成成像技术的三维显示原理图Fig.2 Schematic diagram of integral imaging light-field 3D display

由于微透镜单元间距及其与显示屏之间的距离较小, 导致集成成像三维显示技术视角范围往往较窄.为了有效提高视场角, 研究者利用弯曲透镜阵列^[4]、头部跟踪技术^[5]、双层透镜阵列^{[6, 7]}、全息光学元件^{[8, 9]}等扩大视野范围.Sang等^{[10, 11, 12]}利用高分辨率显示屏, 获得视角达到60° 的三维显示系统, 具体显示效果如图3所示.

图3

Fig.3

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	图3 基于全息显示屏的集成成像三维显示系统显示效果[10, 11, 12]Fig.3 Integral imaging light-field 3D display system based on holographic screen[10, 11, 12]

2019年, Liu等^[13]引入分时复用技术进行多向照明, 提出融合分时复用技术集成成像的三维显示系统, 结构如图4所示.该系统融合优化设计的全息功能屏, 有效解决视场角和分辨率之间的矛盾, 在120° 宽视角的可视范围内构建192个密集视点, 实现清晰的3D显示.

图4

Fig.4

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	图4 融合分时复用技术集成成像的三维显示系统结构[13]Fig.4 Time-multiplexed light-field 3D display system[13]

为了实现更平滑的立体视差和自然的显示效果, 迫切需要增大视点数量.基于集成成像三维显示技术不得不解决其视点数与分辨率之间的矛盾关系.2010年开始, Takaki等^{[14, 15]}围绕新型超视点集成成像显示技术展开系列研究.在超视点显示系统中, 相邻视点的间隔小于瞳孔直径, 可有效解决视觉辐辏调节冲突, 获得三维显示目标自然的聚焦-离焦效果, 具体如图5所示.该系统结合投影系统与集成显示技术, 生成的256个视角图像经16个投影系统投影叠加到公共的显示屏上, 三维分辨率达到256× 192.2019年, Wang等^[16]利用可编程定向背光系统实现低串扰的超视点集成成像显示系统, 实现352个视点.

图5

Fig.5

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	图5 超视点集成成像三维显示系统[14]Fig.5 Super multi-view integral imaging light-field 3D display system[14]

1.1.2 基于多投影仪的光场三维显示技术

基于多投影的光场三维显示系统一般由投影仪阵列和定向散射屏组成, 原理如图6所示.

图6

Fig.6

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	图6 基于多投影仪的光场三维显示技术原理图Fig.6 Illustration of projector-array light-field 3D display

定向散射膜表面由一种特殊的微结构组成, 使照射在其上的光束在水平方向上散射角很小, 只沿着竖直方向上有较大的散射.当投影仪将视角图像投影到定向散射膜上, 观察者只能看到投影光心与视点连线方向上的一条窄带投影子图像.各投影仪投射的窄带图像在屏幕上拼成一个完整图像, 使观察者在该位置获得正确的视角图像.随着观察者的移动, 观察来自同个投影仪不同的窄带子图像, 从而观察不同位置对应的视角图像.通过对投影仪的预处理可实现子图像良好的拼接效果, 是实现立体显示效果的关键技术之一.投影仪的数量决定视点的疏密, 直接影响视点间的连续性.另外, 由于屏幕在竖直方向上散射较大, 一般难以直接产生垂直视差.

基于多投影仪的光场三维显示系统具有良好的延展性的特点, 此光场三维显示技术特别适用于大尺寸、大场景的显示.2005年, Holografika公司推出由96台投影仪阵列组成的HoloVizio三维显示系统^{[17, 18, 19]}, 具体如图7所示.定向散射屏对角尺寸达1.8 m, 水平视角50° , 系统两边添加反射镜将超出视角范围的光线反射回来重新利用, 实现在远程会议、可交互三维地图等领域的应用.

图7

Fig.7

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	图7 HoloVizio三维显示系统[17, 18, 19]Fig.7 HoloVizio projector-array light-field 3D display[17, 18, 19]

2014年, Jones等^{[20, 21]}提出基于超薄投影机的三维显示系统, 具体如图8所示.72台微型投影仪可有效减少投影仪间的间距, 改善显示效果.此系统采用凸曲面反射显示屏, 水平视角范围达到118° , 实现较真实的大屏幕真三维显示.Jones团队在2016年采用216个投影仪, 又实现真人大小的三维光场重现效果, 并实现实时对话.

图8

Fig.8

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	图8 基于超薄投影机的三维显示系统[20, 21]Fig.8 Ultra-thin projector-array light-field 3D display system[20, 21]

Li等^{[22, 23]}进一步将三维显示系统的视角范围扩大至360° , 具体如图9所示.系统由环形排列的多层投影仪阵列和直径3 m、高度1 m以上的圆柱形定向散射屏组成.每个投影仪的分辨率为640× 480, 可用于多人会议等各类大型场景的三维显示.

图9

Fig.9

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	图9 360° 水平投影仪三维显示系统[22, 23]Fig.9 The 360° multiple-projector-type 3D Display system[22, 23]

为了实现更具真实感的三维悬浮效果, 2016年Yoshida等^[24]提出名为fVisiOn的桌面式360° 三维显示系统, 具体如图10所示.系统采用桌面下环形排列的投影仪阵列和锥形背投散射屏, 显示约5 cm高的全彩三维场景.系统提供自然的混合现实环境, 适合交互式的圆桌会议.

图10

Fig.10

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	图10 桌面式360° 投影阵列三维显示系统[24]Fig.10 The 360° viewable projector-array tabletop 3D display system[24]

更清晰连续的显示效果往往需要更密集的投影图像, 2020年Yoshida^[25]为了解决投影仪数量增加受限于物理空间的问题, 将柱面镜引入系统中, 实现约10倍的密集虚拟投影仪数量, 再现由200多个狭缝图像组成的3D显示效果.

1.1.3 基于投影扫描的光场三维显示技术

基于投影扫描式的光场三维显示技术一般通过高速投影仪将显示图像投影到同步旋转的反射式定向散射屏上, 使单个投影仪可实现虚拟投影阵列的投影效果, 自然实现360° 的三维显示, 具体原理如图11所示.屏幕旋转一周投影的图像数决定系统的显示角分辨率.

图11

Fig.11

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	图11 基于投影扫描式光场三维显示技术原理图Fig.11 Diagram of projection scanning light-field 3D display

2007年, Jones等^[26]搭建一套360° 的三维显示系统, 具体如图12所示.投影仪将图像投射到高速旋转的定向散射屏上, 屏幕旋转一周投影288幅图像, 系统刷新频率达到20 Hz, 视角图分辨率达到768× 768.2009年, Jones等^[27]进一步将人脸实时重建技术引入光场显示系统, 实现远程裸眼3D视频会议.但此系统只能显示单色图像, 采用的倾斜屏幕旋转装置无法在显示空间直接与三维显示目标进行交互.

图12

Fig.12

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	图12 360° 单投影仪三维显示系统[26]Fig.12 The 360° single-projector light-field 3D display system[26]

为了实现彩色高清晰显示, 并且便于人机交互功能的实施, Xia等^{[28, 29, 30]}提出桌面式360° 三维显示系统, 每扫描一周投影700幅彩色图像至转速30 rad/s的水平旋转定向散射屏上, 具体如图13所示, 实现虚拟场景可悬浮于屏幕上方的视觉显示效果, 保障人机交互的有效空间.然而, 这类系统只在旋转方向上具有视差.

图13

Fig.13

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	图13 360° 桌面式悬浮三维显示系统[29, 30]Fig.13 System of 360° desktop floating 3D display[29, 30]

2015年, Su等^[31]引入360° 人脸检测技术, 实现竖直运动视差, 同时将反射屏改为透射屏, 解决交互时的投影信息遮挡问题.为了缓解显示效果受限于投影设备速度的影响, Song等^[32]采用多台微型投影仪结合旋转选择性扩散屏, 实现可触摸的360° 光场显示系统, 具体如图14所示.旋转光瞳使屏幕旋转到正确位置才会进行投影, 有效降低显示设备速度, 缓解显示设备速度与光场密集度之间相互制约的问题.

图14

Fig.14

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	图14 基于旋转屏幕的360° 三维显示系统[32]Fig.14 System of 360° 3D display based on rotating selective-diffusing screen[32]

1.1.4 基于多层屏幕的光场三维显示技术

基于多层屏幕的光场三维显示技术通常基于液晶像素复用的原理, 采用多层、离散的液晶屏幕进行空间光调制, 以特定规律形成空间光场分布以逼近拟显示目标无限、连续的光场, 达到真三维显示效果, 使用的数据表示层越多越能获得高阶的近似结果.技术原理图如图15所示.

图15

Fig.15

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	图15 基于多层屏幕的光场三维显示系统原理示意图Fig.15 Schematic diagram of multi-layer light-field 3D display

三维数据经过控制器分解为多组断层显示图像, 分别送到各个液晶面板上.背光光源产生的照明光经过各层液晶面板上像素的逐级调制, 最终产生输出的光场分布.随着视点位置的移动, 看到的光线将穿过各层液晶面板不同的像素点, 引起光线亮度的变化, 实现具有视差的三维感知效果.将目标光场经过计算获得准确的断层成像数据是此技术的关键, 而并非简单的体元切片.基于多层屏幕的三维显示技术可实现全视差, 不但显示光线的空间位置, 也显示光线的传播方向信息, 具有较高的分辨率和连续的方向性.

2011年, Lanman等^{[33, 34, 35, 36, 37]}将多层液晶置于光源之前, 通过调制各液晶像素, 实现光场三维显示系统, 具体如图16所示.系统采用分辨率为1 600× 1 200、间隔17 mm的多层液晶屏幕.该团队连续提出基于非负张量因式分解技术^{[33, 34, 35]}和压缩光场优化方法^{[36, 37]}, 实现三维显示.但是, 基于多层屏幕的三维显示技术视场较小, 往往需要视点跟踪技术^[38]或其它特殊算法进行有效提高.基于多层液晶显示技术视场较小的特点, 在近眼显示方面反而发挥更大的潜力, 可实现人眼的单目聚焦效果.

图16

Fig.16

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	图16 层叠光场三维显示系统[33]Fig.16 Light-field 3D display using multi-layer LCDs[33]

2015年, Huang等^[39]将两层分辨率为1 280× 800的液晶显示屏引入头盔显示系统, 具体如图17所示, 可形成相距约100 cm的2个虚拟图像, 同时实现具有双目视差和聚焦的三维显示效果.

图17

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	图17 基于多层液晶的近眼显示系统[39]

2015年, Cao等^{[40, 41]} 为了提高实时性能, 提出基于压缩感知的多层液晶三维显示系统, 具体如图18所示.系统利用光场的相干性, 赋予更优的初始值进行迭代, 相比随机噪声获得的初始值更接近目标值.基于GPU执行像素并行分解算法, 分解速度提高5.91倍, 大幅缩短计算时间.

图18

Fig.18

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	图18 基于多压缩感知的多层液晶三维显示系统[40, 41]Fig.18 Compressive multi-layer 3D display[40, 41]

1.1.5 向量光场三维显示技术

向量光场三维显示技术依托波动光学理论, 是近年来裸眼三维显示领域的新兴技术.此技术通过控制像素单元的发光方向和发散角度, 利用带有方向的光束重构空间三维物体.由于像素尺寸和光束发散角度足够小, 向量光场显示对光线方向的调制具有高精度和高自由度特点, 实现连续视点、全视差的显示效果.

2013年, Fattal等^[42]采用周期性纳米光栅研制一款定向背光三维显示系统, 系统原理及显示效果如图19所示.

图19

Fig.19

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	图19 多向定向背光3D显示系统原理及显示效果[42]Fig.19 Concept and results of multi-directional backlight 3D display[42]

系统从背光体不同方向导入的平面光波, 经过刻蚀在定向背板上规律排布的光栅, 实现定向光束的调制, 产生宽视野的彩色多视图.与不同视图或颜色关联的像素是在空间上多路复用的, 可由外部快门进行独立处理和调制.该技术最终展示多个手持式全动态视差三维显示系统, 获得分辨率127像素/英寸, 视点数200个, 视角范围90° .

为了平衡视场角与分辨率之间的矛盾, 2021年, Hua等^[43]基于二维超构光栅阵列, 提出可视空间内信息密度渐变的向量光场显示系统, 原理如图20所示.系统依据人眼视网膜上视锥细胞分布的生理特点, 在中心凹视觉范围内分配较密集的视点数量, 在边缘视场分配少量的信息.研究人员在视角调制板上精准刻蚀具有不同周期和方向的纳米级光栅结构, 用于调制入射光场的相位.结合6英寸LCD显示面板, 实现432万个单元像素结构、160° 视场角、无暗区的彩色动态3D显示效果.

图20

Fig.20

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	图20 适用于中心凹裸眼3D显示系统原理图[43]Fig.20 Principle of foveated glasses-free 3D display[43]

体三维显示技术通过重建三维空间中阵列排布的发光体像素实现三维场景的显示.不同于光场三维显示技术, 体三维显示技术是由物理空间真实存在的发光体素堆叠而成, 可准确反映物体尺寸和空间关系.此技术往往自然产生较宽视角, 能直接反映生理深度暗示和心理暗示, 形成令人印象深刻的可视化效果.但是体三维显示技术不能实现遮挡、缺乏足够的表面特性、显示尺寸可扩展性较差.按照不同的实现方式, 体三维显示技术通常可分为固态体三维显示技术、扫描式体三维显示技术及激光体三维显示技术.

1.2.1 固态体三维显示技术

固态体三维显示技术一般采用空间排布的LED阵列、光纤阵列、多层液晶等作为图像显示介质以实现三维显示.具有代表性的产品是LightSpace公司推出的名为DepthCube的三维显示装置^{[44, 45]}, 原理如图21所示.系统由20层分辨率为1 024× 768的液晶屏堆叠而成, 高速投影仪将显示图像投射在显示介质上, 各液晶层通过电控改变其光线透过率, 使不同深度的投影图像恰好在相应深度的液晶屏上显示, 而其它层的液晶在此时为透明状态.通过快速切换, 形成三维场景各层截面影像堆叠显示的效果, 呈现具有深度信息的体三维显示效果.但该系统视场角受限, 仅能在正前方1° 范围内进行观察.该系统与基于多层屏幕的光场显示技术最明显的区别在于, 观察者所视每个体素是来自固定层上固定点, 而非穿过各液晶层被调制后的光线.

图21

Fig.21

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	图21 DepthCube 三维显示系统原理图[44, 45]Fig.21 Principle of DepthCube 3D display[44, 45]

2010年开始, Feng等^[46]对DepthCube系统进行系列改进, 并对系统的投影光路、显示效果等方面进行一系列的优化^{[47, 48]}, 于2017年研发基于三片DMD的高清晰、彩色、动态体三维显示系统^[49], 显示尺寸达到40寸, 刷新速率达到50 Hz, 具体如图22所示.

图22

Fig.22

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	图22 40寸固态体积式三维显示系统[49]Fig.22 40-inch solid-state volumetric 3D display system[49]

1.2.2 扫描式体三维显示技术

扫描式体三维显示技术一般通过高速投影设备配合高速运动的显示屏或高速旋转的发光设备实现.旋转的屏幕或发光设备通过运动序列点亮三维空间中分布的各个体像素, 基于人眼视觉暂留效应, 实现三维场景的显示.

早期典型的设备是1996年由Bahr等^[50]提出的Felix 3D体三维显示系统, 具体如图23所示.系统通过三色激光束扫描一个同步高速转动的螺旋屏, 产生瞬时光点, 随着激光器的偏转和螺旋屏的旋转, 再现三维图像.1998年, Langhans等^[51]将系统体积进一步缩小成便携式体三维显示, 并于2002年实现可交互功能^[52].美国海军曾应用此类技术将机载应答机发送的飞机数据进行三维显示, 直观获悉空中交通情形.美国空军参与开发的OmniViewTM显示设备也曾在此类相关技术上进行尝试.

图23

Fig.23

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	图23 Felix 3D体三维显示系统[50]Fig.23 Felix volumetric 3D display system[50]

2002年, Favalora等^[53]研制世界上第一台商业化的体三维显示系统, 命名为Perspecta, 具体如图24所示.系统通过高速DLP投影仪将图像按时序投影到高速旋转的平面漫散射屏上, 可实现8位256色显示, 具有198个视角数, 体素总数最多可达1亿, 水平视角360° , 垂直视角大于180° .但是系统显示区域为直径为10英寸的球形扫描区域, 扩展性较差, 主要局限于医学领域的应用.

图24

Fig.24

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	图24 Perspecta体三维显示系统[53]Fig.24 Perspecta volumetric 3D display system[53]

Helix3D体三维显示系统(如图25所示)^{[54, 55]}采用DLP投影代替三色激光, 将66个分辨率为1 024× 768的显示投影截面快速投射到高速旋转的螺旋屏幕上.随着螺旋屏的转动, 在不同Z轴位置截获高速投影的二维图像, 在三维空间形成二维图像栈, 获得体素达到1亿的体三维显示.随后, 开展针对三维数据的采集、处理、传输、可视化和真三维显示的实时连接的一系列研究, 由此提出基于螺旋混合屏的三维显示系统, 融合体三维显示与光场显示优势.

图25

Fig.25

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	图25 Helix 3D体三维显示系统[54, 55]Fig.25 Helix volumetric 3D display system[54, 55]

1.2.3 激光体三维显示技术

激光体三维显示技术一般利用扫描光束有选择地激发发光介质中的体元, 使其由于能量跃迁而发光, 产生的发光阵列形成三维图像.

发光介质可为固体或气体介质形式的上转换发光材料、晶体、等离子体等.该技术往往采用两束可独立控制的激光束, 在交点处产生高能量的聚集实现激发发光.早期研究实现的发光介质一般基于氟化物玻璃^[56]、掺杂稀土微粒的玻璃^[57]等.基于ZBLAN立方体的体三维显示系统如图26所示.

图26

Fig.26

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	图26 基于ZBLAN立方体的体三维显示系统[56, 57]Fig.26 The 3D image generated in a ZBLAN cube[56, 57]

2015年, Ochiai等^[58]提出基于普通空气介质的激光电离体三维显示系统, 具体如图27所示.系统通过3D动态聚焦系统, 将超短脉冲激光束聚焦到空气中某点, 当激光功率超过空气电离阈值时发生电离现象而发光, 经过远心场镜快速扫描, 在空气中绘制立体三维轮廓, 利用视觉暂留原理实现三维显示.系统可在空气中形成客观实感的三维图像, 但显示图像尺寸较小, 难以实现大幅面高帧频动态三维场景的显示.

图27

Fig.27

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	图27 基于电离空气介质的体三维显示系统[58]Fig.27 Volumetric 3D display based on Ionized air[58]

随着元宇宙概念的兴起, 全息三维显示技术再次获得关注和快速发展.全息三维显示技术本质上是利用光的干涉原理进行目标体表面光场记录, 再利用衍射原理进行光场再现.Gabor^[59]最早提出全息的概念, 能将三维场景的全部波前信息进行记录, 包括强度、相位、波长等, 重构的三维场景含有所有生理、心理的深度线索, 因此显示效果最接近真实三维场景.全息三维显示原理如图28所示.

图28

Fig.28

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	图28 全息三维显示原理图Fig.28 Schematic diagram of holographic 3D display

但是, 显示色彩和分辨率受感光胶片性能影响较大, 尤其针对动态场景显示需要海量信息处理能力的硬件设备, 现有技术尚难做到高动态实时三维显示.

Zebra公司在静态全息三维显示方面有突出的成果(http://www.zebraimaging.com/zebra-imaging-emerging-technology)^[60], 利用空间光调制器, 在特殊的光致聚合物材料上实现彩色全息图, 具体如图29所示.公司研制的静态彩虹全息地图产品已投入商用和军事应用.

图29

Fig.29

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	图29 Zebra全息静态三维显示系统Fig.29 Static holographic 3D display of Zebra

目前全息三维显示技术主要致力于实现大视角、高帧数的动态显示.学者们一方面对可快速重记录的全息材料进行探索, 另一方面对可快速响应的空间光调制器展开研究.2008年, Benton等^[60]利用计算全息技术首次实现动态全息三维显示, 系统的刷新率达到30 Hz, 视场角达到24° , 显示区域达到80 mm× 60 m× 80 mm.但系统尚难做到实时、全彩色显示.Tay等^[61]提出光折变聚合物全息记录材料, 实现动态彩色全息三维显示, 如图30所示.利用数码全息打印方法, 可保持记录全息图数小时, 并且可被擦除以便写入新的图像, 刷新耗时降至2 s.但此方法在大面积记录材料的制作方面还较困难.

图30

Fig.30

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	图30 基于可擦涂材料的全息三维显示[61]Fig.30 An updatable holographic 3D display[61]

Ding等^[62]提出利用计算机生成真实场景全息图的方法, 使计算全息技术获得快速发展, 但此方法计算数据量巨大、计算时间较长.之后, 学者们又提出很多方法简化3D物体模型的计算量.Chang等^[63]利用快速计算生成全息图的方法, 实现无透镜全息三维显示, 具体如图31所示.由于方法中全息图是由二维平面图像经衍射计算获得的, 而非由三维物体体素生成, 因此可大幅减少计算量, 获得清晰的深度信息.

图31

Fig.31

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	图31 无透镜全息三维显示[63]Fig.31 Lensless holographic 3D display[63]

2019年, Sando等^[64]提出具有360° 水平视区的实时交互式全息3D显示系统, 具体如图32所示.系统采用基于三维快速傅里叶变换的方法合成一套24帧全高清二进制计算机生成的全息图, 并采用图形处理单元获得进一步的加速, 可迅速合成多个传播方向的全息图, 成功演示可交互操作的人头部X射线CT图像.

图32

Fig.32

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	图32 360° 实时交互全息三维显示系统[64]Fig.32 The 360° real-time interactive holographic 3D display[64]

近年来, 超构表面新型光学器件以其单元结构比波长小的特点, 可实现波前任意调控, 为大视角动态全息显示提供新思路.2020年, Gao等^[65]提出空间信道超表面器件的概念, 具体如图33所示.利用DMD调制后的结构光控制超表面上每个空间信道的独立开启与关闭, 使同片超表面器件可实现数亿万幅的全息图动态显示.

图33

Fig.33

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	图33 基于超构表面的全息三维显示[65]Fig.33 Dynamic holographic 3D display based on meta-surface device[65]