關(guān)于全信息成像和layered3D顯示技術(shù)的研究

趙若時(shí)

摘 要：目前的主流顯示技術(shù)仍然是二維平面顯示，然而三維立體顯示已經(jīng)日益發(fā)展普及。人們總是希望擁有更加直觀真實(shí)的顯示技術(shù)和視覺感受，在此需求的刺激之下，全息成像的思想應(yīng)運(yùn)而生。本課題首先對偽全息成像原理與技術(shù)進(jìn)行研究。偽全息成像技術(shù)的固有問難和難點(diǎn)難以突破，難以真正逼近真實(shí)的全息顯示技術(shù)。從而，本課題進(jìn)一步探索和研究MIT于2011年提出的分層三維顯示（Layered 3D）技術(shù)，將待呈現(xiàn)的四維光場進(jìn)行斷層重構(gòu)，以內(nèi)部分層圖像的方式實(shí)現(xiàn)光場的計(jì)算顯示。

關(guān)鍵詞：顯示技術(shù) 渲染光場 MATLAB 偽全息成像 Layered 3D

中圖分類號：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

全息技術(shù)的提出距今已經(jīng)有大約半個(gè)世紀(jì)的歷史。這期間，人們不斷開發(fā)新的全息成像方式，不斷優(yōu)化已有的手段，在不停的實(shí)踐中，各種全息成像技術(shù)的優(yōu)勢和弊端漸漸顯露出來。我們對全息成像的原理和成果有很大的興趣。為什么會(huì)產(chǎn)生立體感，如何產(chǎn)生立體感，可以如何應(yīng)用和改進(jìn)，這些都是我們希望了解和研究的問題。我們從現(xiàn)有的Layered 3D入手，切入到全息成像的本質(zhì)，同時(shí)嘗試著拓寬layered 3D的技術(shù)層面和應(yīng)用層面。在此期間，我們還會(huì)對偽全息成像進(jìn)行探索，嘗試運(yùn)用此技術(shù)制作全息視頻。

我們的研究中，將會(huì)涉及Matlab、POV-Ray、全息膜成像等技術(shù)，這其中包括了我們并不熟悉的領(lǐng)域，需要慢慢了解和學(xué)習(xí)。我們從理論中尋找解決的方法，這些都是我們研究的理論意義。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)踐中，我們能夠檢驗(yàn)理論的合理性，并且做出改進(jìn)和創(chuàng)新。比如渲染圖像的個(gè)數(shù)，光場空間坐標(biāo)的確定，logo設(shè)計(jì)及合成的算法，分辨率的調(diào)整優(yōu)化，強(qiáng)光下的顯示效果，數(shù)據(jù)傳輸延遲的解決，都是需要攻克的難題。而攻克的過程這是我們研究的意義所在。

1 研究方法及過程

首先，我們就偽3d成像（全息金字塔）進(jìn)行了詳細(xì)具體的研究。其成像原理是在播放影像時(shí)，顯示器上的每個(gè)影像經(jīng)過45°的折射后在棱錐里成一個(gè)正立等大的虛像，肉眼通過不同角度的觀察，可以看到物體不同的側(cè)面，從而給人立體的感覺。但全息膜成像技術(shù)不是真的全息，從接近側(cè)棱的位置觀察時(shí)，圖像會(huì)有明顯的錯(cuò)位、重疊或割裂，而影響展示效果。我們首先還原了4面的金字塔，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在視角連續(xù)性差的問題。因此，我們嘗試將四面金字塔改造為了六面金字塔，從而解決這一問題。在改造過程中，我們利用mmd制作了相對應(yīng)的片源。在制作片源的過程中我們發(fā)現(xiàn)，更多的面會(huì)使人物變小，而所需要使用的投影光源的投影范圍也需要更廣，才可以讓人物的像在大小不變的情況下投影出來。可以預(yù)見這一技術(shù)在商業(yè)、博物館等文化媒體領(lǐng)域的重要作用。

除此以外，我們還研究了layered3D顯示技術(shù)。這是一種在平面上利用計(jì)算機(jī)層析顯示出3D效果的圖像的技術(shù)。我們找到了該技術(shù)研發(fā)人員的研究論文和開源MATLAB代碼，學(xué)習(xí)了論文中所闡述的原理：先從多個(gè)只有微小角度差的視角拍攝出多張立體光場模型的圖片，再用其計(jì)算出的函數(shù)將圖片進(jìn)行疊加與衰減，繪制出三或五張衰減層析圖，分別打印在菲林片上后疊在一起就顯示出了3D效果。我們學(xué)習(xí)了MATLAB軟件中的相關(guān)函數(shù)和基本操作方法，用開源代碼附帶的圖片復(fù)現(xiàn)了該技術(shù)。之后，我們學(xué)習(xí)了POV-Ray軟件的使用方式，渲染出了自己的光場，用clock等函數(shù)生成了自己的光場圖像，繼續(xù)使用MATLAB軟件進(jìn)行斷層重構(gòu)分解，將四維光場分解為五幅分層圖像，通過將每一層圖像在菲林片上打印，并用PVC板分隔支撐，構(gòu)成了分層三維顯示的基本原型系統(tǒng)。這一技術(shù)將會(huì)在廣告和媒體的領(lǐng)域起到重要的革新作用。

2 研究結(jié)果分析與討論

我們最終將Layer3D打印出來，實(shí)際觀察到了該技術(shù)的實(shí)物效果，雖然囿于硬件限制只有單色效果，但還是能看出明顯的3D效果。偽全息方面最終實(shí)現(xiàn)了4面和6面金字塔的影像投放。相比4面金字塔，6面金字塔的影像要更小，但更加清晰。

3 結(jié)論與展望

3.1 主要結(jié)論

3d成像技術(shù)還有很多的發(fā)展空間。這個(gè)發(fā)展空間更多的建立在硬件的基礎(chǔ)上。清晰度更高的圖像，更大的現(xiàn)實(shí)源都可以讓3d成像變得更加清晰，成熟。我們發(fā)現(xiàn)可以用更大的投影屏使得其角度更加圓潤自如，增加映像數(shù)目可以提高清晰度。但其中無法顯示背景，投影不清晰的問題依然存在，而其所花費(fèi)的材料和時(shí)間都已經(jīng)大大縮短。隨著3d技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些都是可解決的問題。

3.2 研究存在的不足及展望

偽3d成像技術(shù)對精度有十分高的要求。清晰度越高，容差值越小。在理論上，只要有足夠大的顯示屏和清晰的片源，就可以呈現(xiàn)出栩栩如生的影像。而layer3d計(jì)算復(fù)雜，建模相對來說困難，但只要有模型，制作成本相對較低，在廣告上可以一展身手，等到技術(shù)成熟，就可以輕松應(yīng)用。

偽全息技術(shù)被空間的限制很大。如果要投出一個(gè)3米高清晰的人像，往往需要500立方米甚至更大的空間。而且四周光線對此技術(shù)影響也很大。如果外部光線過于明亮，金字塔內(nèi)部的影像會(huì)變得模糊不清，目前只能在相對黑暗的環(huán)境下進(jìn)行投放。

Layer3d生成的圖像并不復(fù)雜，但是計(jì)算量十分的大。Matlab的程序設(shè)計(jì)上還可以更加簡潔。而且其中有要求實(shí)物拍照，需要25個(gè)攝像頭來拍照。我們認(rèn)為這個(gè)問題可以通過建?；蛘邚V場渲染來解決。雖然最后的材料成本不高，但是之前準(zhǔn)備工作過于繁雜，設(shè)備成本高。

簡而言之，3d成像技術(shù)對人們的生活將會(huì)有越來越大的影響。在如今的生活中，動(dòng)漫，電影都在逐漸向3d轉(zhuǎn)形。這一技術(shù)有著很好的發(fā)展前景和商業(yè)機(jī)會(huì)。也許有一天，電影里那種相隔萬里也可以投下自己身影的技術(shù)，真的會(huì)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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