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介绍了3D显示领域的技术*新进展

内容简介

本书为电子工程师、物理学者、平板显示设计工作者、学生以及其他学科的相关科学家全面学习3D显示技术提供帮助，详细全面地介绍*新的3D显示技术。涵盖5种实现3D知觉的方法，即立体显示技术、自由立体显示技术、集成成像技术、全息显示技术及体显示技术。本书旨在促进对3D系统的光电效应及寻址电路的完整理解。本书重点介绍立体显示技术和自由立体显示技术，因为这些技术*接近商业化，并且，立体显示器的基本组成部分是阵列式偏光膜和更小角度的线栅偏振器。本书侧重于全面介绍3D显示领域的发展全面和*新进展，为技术的未来发展和产业化服务，适合当前技术和产业发展的需要。

作者简介

余宏生，湖北理工学院计算机学院院长、教授，毕业于北京理工大学，获博士学位，在北京理工大学光电成像国家重点实验室工作学习多年，目前在澳大利亚墨尔本做访问学者。 Ernst Lueder（恩斯特.吕德尔）是美国一家大学的教授，从事3D显示技术和液晶显示技术的研究和教学工作。

目录

第1章 3D感知心理学 1
1．1 双目视觉或人类立体视觉 1
1．2 位置和视差的失配及焦深、景深 3
1．3 视差的距离定标 7
1．4 两眼间的串扰 7
1．5 深度感知的心理学效应 11
1．6 高级感知因子 11
致谢 12
参考文献 12
第2章 立体3D显示器 14
2．1 立体显示器与区域复用 14
2．1．1 产生偏振的相位差片 14
2．1．2 处理第二幅视图的线栅偏振器 21
2．1．3 具有两个LCD显示器的立体显示 24
2．2 联合区域分割复用和时间分割复用的3D显示器 27
2．3 时序立体显示器 33
2．3．1 采用有源相位差膜的时序显示 33
2．3．2 采用OCB LCD的快速时序3D显示器 35
2．3．3 采用黑色插入的时序3D显示器 36
2．4 立体显示的特殊方法 42
2．5 立体投影仪 50
2．6 AMOLED和AMLCD的隔行寻址、同时寻址及逐行寻址 62
2．7 相位差膜和分束器的光导校准 70
致谢 70
参考文献 72
第3章 自由立体显示器 74
3．1 采用柱状透镜的空间复用多视图自由立体显示器 74
3．2 空间复用多视图立体显示技术与可切换柱状透镜 87
3．3 采用固定和可切换视差障栅的自由立体显示器 96
3．4 时序自由立体显示器和定向背光 105
3．4．1 采用特殊反射镜或3D薄膜的时序显示器 106
3．4．2 采用定向切换背光的时序显示器 110
3．5 深度融合的3D显示器 117
3．6 采用光导的单视图和多视图3D显示器 127
3．7 3D显示和医学应用的测试 130
致谢 130
参考文献 132
第4章 3D显示的质量评价 134
4．1 引言与综述 134
4．2 从给定图像中提取质量数据 136
4．3 基于客观测量提供视差图或深度图的算法 137
4．3．1 基于绝对误差和的算法 137
4．3．2 图像平滑和边缘检测 141
4．4 基于主观测量的算法 146
4．5 KLT特征跟踪算法 154
4．6 2D到3D转换的特殊方法 158
4．6．1 基于运动视差2D到3D图像的转换 158
4．6．2 基于静止图片的深度线索从2D到3D转换 160
4．6．3 基于灰度和亮度设置从2D到3D转换 161
4．7 根据单视图2D或3D原始图像从视差图重建3D图像 164
4．7．1 深度图预处理 164
4．7．2 创建左眼和右眼视图的图像变形 166
4．7．3 遮挡去除和空洞填充 172
4．7．4 基于深度图像的绘制（DIBR）的特殊系统 174
致谢 181
参考文献 183
第5章 集成成像技术 185
5．1 集成成像技术基础 185
5．2 深度、可视角度和3D集成图像分辨率的增强 188
5．2．1 深度的增强 189
5．2．2 视场角的增大 193
5．2．3 分辨率的提高 195
5．3 集成摄像术 197
5．4 可转换2D/3D集成成像技术 206
致谢 211
参考文献 212
第6章 3D全息显示器 214
6．1 引言与综述 214
6．2 记录全息图和原始3D图像的重现 214
6．3 全息屏幕 223
6．4 基于傅里叶变换的数字全息技术 225
6．5 全息激光投影仪 229
致谢 231
参考文献 232
第7章 体3D显示器 233
7．1 体显示的性质 233
7．2 访问和激活在静态体显示器中的体素 234
7．3 扫描式体3D显示器或机械式3D显示器 241
致谢 247
参考文献 247
第8章 3D技术评估简介 248
术语表 251

前言/序言

译 者 序

3D显示利用两眼视差产生3D立体逼真图像，与2D显示相比，3D显示更具深度感、层次感及真实感，使观众通过视觉感知产生心理愉悦。3D显示技术在机器视觉、虚拟现实与增强现实、3D TV、3D电影、3D游戏，甚至军事、医疗、教育及航空航天等领域具有广阔的应用前景，正受到越来越多的科技工作者的关注，吸引了大批科研人员开展3D显示技术方面的研究。但是，我国在3D显示技术方面的研究相对滞后，很多专业名词术语从国外著作中翻译而来，3D显示技术方面的中文著作非常少，网络上关于3D显示的技术词汇五花八门，给研究者的学习和交流造成不便和困扰。

2015年，译者受国家留学基金委资助赴澳大利亚RMIT访问学习期间，向电子工业出版社提出希望翻译“3D displays”这本书，想法得到出版社的大力支持。于是，我们迅速组织光学、材料科学、计算机科学及数学等专业的教授、博士组成翻译团队，在大家的通力合作下，在RMIT Henry Wu教授的大力支持下，本书的翻译得以在短期内完成。

全书共分8章。余宏生教授负责翻译前言、第2章、全书图表及封底；王彤彤副教授负责翻译第4章、第5章；梅军进副教授负责翻译第1章、第3章；王凤博士负责翻译第6章；杨萌副教授负责翻译第7章、第8章；华东副教授负责翻译术语表及图表的审订；全书由余宏生教授统稿。

本书可作为通信工程、计算机科学与技术、信息与计算科学、应用物理等相关专业的本科或者研究生教材、参考书，也可作为3D显示技术的研究者或者科技爱好者的参考书。

本书的翻译在忠实于原文的前提下，专业词汇尽量采用国内大多数研究者的习惯性表述，由于译者水平所限，书中难免存在不妥之处甚至错误，真诚希望读者不吝赐教，批评指正；也欢迎读者相互交流，译者通信邮箱：yhs99981@sina.com。需要本书相关的教案和课件等学习资料的读者可在网站www.hxedu.com.cn下载。

本书的翻译出版受以下项目资助：

? 国家留学基金委2014年地方合作项目（录取文号：留金法[2014]5050号）

? 湖北省优秀青年科技创新团队资助计划项目（No：13xtz05）

? 湖北省教育厅青年项目（No：Q20123004）

? 湖北省教育厅科学研究计划指导性项目（No：B2016273）

? 湖北理工学院青年项目（No：15xjz04Q）

序

2000年，Lueder教授为Wiley-SID显示技术系列丛书撰写了他的第一本书《液晶显示技术》。那本书在整套丛书中销售最好，现在已经是第2版了。因此，这次就3D显示技术的主题给Ernst Lueder的新作写序，我感到很高兴。

大多数视力正常的人就具有3D知觉。我们对在我们周围所看到的一切很熟悉，我们知道一些目标比其他目标更近；我们知道远处的物体在穿越我们的视野时，似乎比那些离我们较近的物体移动得更慢，等等。虽然熟悉3D电影和电视的人很少，但是正在逐渐增加。然而，我们的大脑如何通过视觉刺激生成我们所熟悉的世界的三维视图，绝大多数人对此只有一个模糊的了解。当谈到在显示器上产生3D图像时，要求更加复杂，不仅要避免由于显示不一致或视觉线索误导造成的眼睛疲劳，而且要以足够的速度处理巨量的数据，以实现实时3D可视化。

本书开始以坚实的数学知识为基础提出主题。在对3D的生理感知进行概述后，详细描述立体显示器以及最先进的3D显示器—自由立体显示器。考虑到已有大量2D的相关内容，本书更多地关注从2D内容合成到3D这个最重要的主题。接着，本书阐述质量问题，尤其注重提高3D图像的视觉质量和减少传输所需带宽的方法，特别强调被称为基于深度图像的绘制方法。最后，本书描述三种类型的显示器（集成成像显示器、全息显示器和体显示器），虽然它们的发展没有立体显示技术和自由立体显示技术那么完善，但是，当视图随着观众的位置改变而变化时，能够呈现真三维图像，使得越近的目标越清晰，越远的目标越模糊。这与仅提供三维错觉相反，许多立体图像存在这种情况。

这本书最后一章名为“3D技术评估简介”，与其说这是猜测接下来是什么，不如说是已经描述的技术和方法在未来的逻辑延伸。全书内容完整，都是必要的方程、插图和参考引用。虽然这个主题很复杂，但是得到了清楚的阐述，这将为读者提供良好的技术基础，以此进一步将他们引领到激动人心的三维显示的科学领域。

Anthony Lowe

2011年于英国Braishfield

前 言

现在平板显示技术和生产已经很成熟，市场需要引入3D显示技术。本书内容涵盖5种实现3D知觉的方法，即立体显示技术、自由立体显示技术、集成显示技术、全息技术和体显示技术。

感谢Tony Lowe博士对这本关于3D技术著作的支持，他对学术的发展趋势的了解非常透彻。Dan Schott有关平板显示技术的出色学识使我受益颇多，对此非常感激。Christof Zeile博士对新的显示技术富有前瞻性的评价，据此使我注意到各种新的出版物。非常感谢他的支持。

对排版人员出色完成工作表达谢意。Neil Manley主要完成索引，对此表示由衷感谢。非常感谢Heidi Schuehle辛勤而细致地打印手稿，Rene Troeger非常专业地完成图表的绘制。

Ernst Lueder

2011年10月于美国Scottsdale

引 言

目前，显示器的设计和生产已足够成熟，人们可以向市场推出三维（3D）显示设备。移动设备以近眼显示方式率先采用3D显示器，接着是家用电视机。

本书涵盖5种实现3D知觉的方法，即立体显示技术、自由立体显示技术、集成成像技术、全息显示技术及体显示技术。本书旨在促进对3D系统的光电效应及寻址电路的完整理解。在书中的方程式通常不是简单地陈述，而是推导得到的；或者如果不完全这么做，至少给出推导的提示。用向量解释全息技术的基础就是这个概念的一个例子，本书将对其进行概述，但是也可以从电子工程或琼斯向量获取相关知识，这使得与全息图像相关的复杂事实更容易理解。

由于立体显示技术和自由立体显示技术最接近商业化，本书将对其重点介绍。立体显示器的基本组成部分是图形化相位差膜和更小角度的线栅偏振器。自由立体显示器依赖于分束器、柱状透镜、视差障栅、光导和不同类型的3D薄膜。这些内容将在本书中做详细介绍。

立体显示器要求的眼镜根据左右眼视场可以分为快门式和圆偏振式，线偏振眼镜存在对头部摆动比较敏感的缺点。本书还特别关注3D系统工作于空间复用、时间复用或二者联合复用时新颖快速的寻址方案。为了抑制串扰和模糊，首选240 Hz的帧频，采用并行处理方法及最近发表的交叉存取寻址方法可提高寻址速度，这个速度可以处理图像。本书还详细概述了自由立体显示方法是如何提供物体的透视图和侧视图。

本书为理解集成图像（Integral Image，II）开辟了一条途径，其信息收集阶段类似于自由显示技术的柱状透镜。采用这项技术将真实图像和虚拟图像放在一起，非常自然地得到具有独创性的集成图像投影仪的设计，该设计使观察者可以在虚拟的显示物体周围漫步，从而享受真3D显示的成果。

全息显示器这一章引导读者了解数字计算机生成全息图的方法，目前全息图还不能进行实时处理。体显示器由一堆LCD组成，每一片LCD对应于特定的深度，此处图像融合的限制值得注意。第4章尤其着力于使平板显示器的设计者熟悉由计算机科学家在3D图像质量评价和进展方面的工作；基于客观和主观判据及所选择特征的运动跟踪，介绍了评价3D显示特性的算法；特别关注建立视差图以及采用节省带宽的“基于深度图像的绘制”（DIBR）准备即将传送的3D图像，由一组单一的观察者接收3D图像的头部跟踪方法不包括在内。