3D電影背后的科學原理

當今科技飛速發(fā)展，顯影媒介已成為人類探索和體驗世界必不可缺少的重要橋梁。自1925年英國工程師約翰·貝爾德發(fā)明了第一臺機械掃描式黑白電視機誕生以來，從智能手機、高清電視到穿戴式顯示設備，各種顯示技術不斷創(chuàng)新。

然而上述這些給我們帶來了便捷和精彩的視覺體驗的設備顯示的圖像通常是二維的，只能展示平面上的景物，缺乏深度信息，無法完整呈現(xiàn)真實世界的立體感。

那么，我們每天使用的智能手機、電腦屏幕、電視，為什么顯示的畫面總是平面的？能否像我們用雙眼看到的世界一樣，屏幕上的圖像也有深度和立體感？這種真實的三維視覺體驗是否可能實現(xiàn)？帶著這些疑問，科學家們開啟了3D顯示的探索。

經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，3D顯示技術已經(jīng)演變出多種形式。根據(jù)引起人眼立體視覺機制的不同，3D顯示主要分為雙目視差3D顯示和真3D顯示兩大類。

圖1助視三維顯示技術原理:(a)偏振式；(b)分色式(互補色一紅、青)；(c)快門式；(d)頭盔式

雙目視差3D顯示基于人眼瞳距帶來的視差原理，將左、右眼分別提供略有不同的圖像，大腦通過融合這些圖像感知立體效果。雙目視差3D顯示可分為助視3D顯示和光柵3D顯示。助視3D顯示需要佩戴特殊設備，例如分色3D利用不同顏色的濾光片，偏振3D使用正交偏振光，快門3D通過同步快門控制圖像顯示，而頭盔3D則直接將圖像投射到左右眼。我們常見的光柵卡便屬于光柵3D顯示，包括了狹縫光柵3D和柱透鏡光柵3D，通過特定的光柵結(jié)構將左右眼視差圖像分離，實現(xiàn)裸眼3D效果，但需要特定的觀看位置。

圖 2 光柵3D顯示原理

相比之下，真3D顯示技術可以實現(xiàn)更加逼真的三維體驗，包括體3D顯示、全息3D顯示和集成成像3D顯示。體3D顯示在空間中通過發(fā)光物質(zhì)或像素形成三維圖像，全息3D顯示利用光的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體的光波信息，而集成成像3D顯示結(jié)合微透鏡陣列和光學成像技術，使圖像具有明顯的深度和層次感。

其中，“集成光場3D顯示關鍵技術及應用”項目榮獲2023年國家技術發(fā)明獎二等獎，這一成就標志著該技術的應用和研究邁上了新的臺階。集成成像3D顯示技術可以追溯到20世紀初期，法國科學家G. Lippmann首次提出了“集成攝影術”的概念。1911年，莫斯科國立大學的A. P. Sokolov教授使用針孔陣列代替透鏡陣列，首次完整地用實驗驗證了集成成像。在20世紀末隨著電子技術的發(fā)展，新型光學圖像傳感器相繼出現(xiàn)，高分辨率的液晶顯示器與微透鏡陣列的制造技術的進步與趨于成熟，為集成成像提供了高分辨率的記錄和顯示設備，使其在近幾年成為3D顯示領域的研究熱點。

集成成像3D顯示包括兩個主要步驟：3D數(shù)據(jù)獲取和3D圖像重建。

圖 3 集成成像工作原理示意圖

在數(shù)據(jù)獲取過程中，通過電荷耦合元件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）等高分辨率記錄設備，使用微透鏡陣列捕捉3D場景的不同角度和位置的信息。微透鏡陣列由多個透鏡單元組成，每個透鏡單元就像一個小攝像頭，從不同角度記錄同一個物體的圖像，形成一個微圖像陣列。每個透鏡單元獨立地記錄特定角度的3D場景信息，這些記錄的信息單元被稱為圖像元。

微透鏡陣列的每個透鏡單元都會捕捉到來自不同角度的光線，并將其聚焦到后方的CCD或CMOS傳感器上。傳感器將這些光線信息轉(zhuǎn)換為電信號，并記錄下對應的圖像數(shù)據(jù)。這些圖像數(shù)據(jù)排列成一個二維陣列，稱為微圖像陣列，其中每個圖像元對應一個透鏡單元。

在微圖像陣列中，3D場景中的每個物點都會被多個透鏡單元同時記錄。這意味著每個物點在微圖像陣列中會有多個對應的“同名點”，這些同名點攜帶了該物點從不同角度的視角信息。通過這種方式，整個3D場景的立體信息得以捕捉和存儲。通過這些過程捕獲物體的空間位置和結(jié)構信息并記錄了光線的傳播方向和強度，從而確保重建出的3D圖像具有高度的真實感和立體感。

在數(shù)據(jù)獲取后，需要進行3D圖像重建的過程。這個過程基于光路可逆原理，微透鏡陣列會將所有圖像元像素發(fā)出的光線重新聚集，還原出具有水平和垂直視差的3D圖像。這一過程類似于我們觀察立體畫，每個細節(jié)都顯得栩栩如生。

我們可以把微透鏡陣列的成像過程可以簡化為針孔模型。在這種模型中，每個透鏡元的投影中心被針孔替代，微透鏡陣列被簡化為針孔陣列。針孔陣列與圖像傳感器平面一起工作，記錄光線的位置和方向信息。圖像傳感器上的每個像素點都對應一條通過該點和相應針孔的光線，這條光線不僅記錄了光線的空間位置，還記錄了光線的傳播方向。

圖 4集成成像 3D 信息獲取過程的光場采樣示意圖

通過這種方式，每個圖像元的像點實際上代表了以該針孔為投影中心的3D場景的透視投影。這些圖像元的信息被存儲和處理，在重建過程中，系統(tǒng)會根據(jù)記錄的光線信息，計算和恢復出每個圖像元像素點的光線路徑，從而形成完整的3D圖像。這些光線路徑被重新聚集，使得觀眾可以在沒有佩戴特殊眼鏡的情況下，直接看到具有真實深度感的3D圖像。

集成成像3D顯示技術有許多顯著的優(yōu)勢，它能提供完整的水平和垂直視差，這意味著觀眾無論在水平還是垂直方向上移動，都能看到三維圖像的不同側(cè)面，使三維信息更加豐富。而且集成成像3D顯示提供準連續(xù)的視點，觀眾不需要在固定的距離和位置觀看，避免了圖像串擾和視疲勞問題，使得論是成人還是兒童，都能享受更加舒適的3D視覺效果。

集成成像3D顯示無需使用相干光源的特性使其可以采用普通的二維顯示屏和微透鏡陣列結(jié)合，呈現(xiàn)出全彩色的三維圖像。并且觀眾在觀看時無需佩戴任何輔助設備，在一定的視角范圍內(nèi)可以多人同時觀看，這使得集成成像3D顯示技術在家庭娛樂、教育和公共展示等多種應用場景下有著更廣闊的應用市場。

參考文獻

王梓.集成成像3D顯示技術研究[D].中國科學技術大學,2017.

邢妍,王瓊?cè)A.集成成像3D信息獲取技術[J].紅外與激光工程,2020,49(03):66-77.

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文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。

作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國科學院高能物理研究所 研究員