3D电影背后的科学原理

转自：中国科协

当今科技飞速发展，显影媒介已成为人类探索和体验世界必不可缺少的重要桥梁。自1925年英国工程师约翰·贝尔德发明了第一台机械扫描式黑白电视机诞生以来，从智能手机、高清电视到穿戴式显示设备，各种显示技术不断创新。

然而上述这些给我们带来了便捷和精彩的视觉体验的设备显示的图像通常是二维的，只能展示平面上的景物，缺乏深度信息，无法完整呈现真实世界的立体感。

那么，我们每天使用的智能手机、电脑屏幕、电视，为什么显示的画面总是平面的？能否像我们用双眼看到的世界一样，屏幕上的图像也有深度和立体感？这种真实的三维视觉体验是否可能实现？带着这些疑问，科学家们开启了3D显示的探索。

经过一个世纪的发展，3D显示技术已经演变出多种形式。根据引起人眼立体视觉机制的不同，3D显示主要分为双目视差3D显示和真3D显示两大类。

图1助视三维显示技术原理:(a)偏振式；(b)分色式(互补色一红、青)；(c)快门式；(d)头盔式

双目视差3D显示基于人眼瞳距带来的视差原理，将左、右眼分别提供略有不同的图像，大脑通过融合这些图像感知立体效果。双目视差3D显示可分为助视3D显示和光栅3D显示。助视3D显示需要佩戴特殊设备，例如分色3D利用不同颜色的滤光片，偏振3D使用正交偏振光，快门3D通过同步快门控制图像显示，而头盔3D则直接将图像投射到左右眼。我们常见的光栅卡便属于光栅3D显示，包括了狭缝光栅3D和柱透镜光栅3D，通过特定的光栅结构将左右眼视差图像分离，实现裸眼3D效果，但需要特定的观看位置。

图 2 光栅3D显示原理

相比之下，真3D显示技术可以实现更加逼真的三维体验，包括体3D显示、全息3D显示和集成成像3D显示。体3D显示在空间中通过发光物质或像素形成三维图像，全息3D显示利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体的光波信息，而集成成像3D显示结合微透镜阵列和光学成像技术，使图像具有明显的深度和层次感。

其中，“集成光场3D显示关键技术及应用”项目荣获2023年国家技术发明奖二等奖，这一成就标志着该技术的应用和研究迈上了新的台阶。集成成像3D显示技术可以追溯到20世纪初期，法国科学家G. Lippmann首次提出了“集成摄影术”的概念。1911年，莫斯科国立大学的A. P. Sokolov教授使用针孔阵列代替透镜阵列，首次完整地用实验验证了集成成像。在20世纪末随着电子技术的发展，新型光学图像传感器相继出现，高分辨率的液晶显示器与微透镜阵列的制造技术的进步与趋于成熟，为集成成像提供了高分辨率的记录和显示设备，使其在近几年成为3D显示领域的研究热点。

集成成像3D显示包括两个主要步骤：3D数据获取和3D图像重建。

图 3 集成成像工作原理示意图

在数据获取过程中，通过电荷耦合元件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）等高分辨率记录设备，使用微透镜阵列捕捉3D场景的不同角度和位置的信息。微透镜阵列由多个透镜单元组成，每个透镜单元就像一个小摄像头，从不同角度记录同一个物体的图像，形成一个微图像阵列。每个透镜单元独立地记录特定角度的3D场景信息，这些记录的信息单元被称为图像元。

微透镜阵列的每个透镜单元都会捕捉到来自不同角度的光线，并将其聚焦到后方的CCD或CMOS传感器上。传感器将这些光线信息转换为电信号，并记录下对应的图像数据。这些图像数据排列成一个二维阵列，称为微图像阵列，其中每个图像元对应一个透镜单元。

在微图像阵列中，3D场景中的每个物点都会被多个透镜单元同时记录。这意味着每个物点在微图像阵列中会有多个对应的“同名点”，这些同名点携带了该物点从不同角度的视角信息。通过这种方式，整个3D场景的立体信息得以捕捉和存储。通过这些过程捕获物体的空间位置和结构信息并记录了光线的传播方向和强度，从而确保重建出的3D图像具有高度的真实感和立体感。

在数据获取后，需要进行3D图像重建的过程。这个过程基于光路可逆原理，微透镜阵列会将所有图像元像素发出的光线重新聚集，还原出具有水平和垂直视差的3D图像。这一过程类似于我们观察立体画，每个细节都显得栩栩如生。

我们可以把微透镜阵列的成像过程可以简化为针孔模型。在这种模型中，每个透镜元的投影中心被针孔替代，微透镜阵列被简化为针孔阵列。针孔阵列与图像传感器平面一起工作，记录光线的位置和方向信息。图像传感器上的每个像素点都对应一条通过该点和相应针孔的光线，这条光线不仅记录了光线的空间位置，还记录了光线的传播方向。

图 4集成成像 3D 信息获取过程的光场采样示意图

通过这种方式，每个图像元的像点实际上代表了以该针孔为投影中心的3D场景的透视投影。这些图像元的信息被存储和处理，在重建过程中，系统会根据记录的光线信息，计算和恢复出每个图像元像素点的光线路径，从而形成完整的3D图像。这些光线路径被重新聚集，使得观众可以在没有佩戴特殊眼镜的情况下，直接看到具有真实深度感的3D图像。

集成成像3D显示技术有许多显著的优势，它能提供完整的水平和垂直视差，这意味着观众无论在水平还是垂直方向上移动，都能看到三维图像的不同侧面，使三维信息更加丰富。而且集成成像3D显示提供准连续的视点，观众不需要在固定的距离和位置观看，避免了图像串扰和视疲劳问题，使得论是成人还是儿童，都能享受更加舒适的3D视觉效果。

集成成像3D显示无需使用相干光源的特性使其可以采用普通的二维显示屏和微透镜阵列结合，呈现出全彩色的三维图像。并且观众在观看时无需佩戴任何辅助设备，在一定的视角范围内可以多人同时观看，这使得集成成像3D显示技术在家庭娱乐、教育和公共展示等多种应用场景下有着更广阔的应用市场。

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参考文献

王梓.集成成像3D显示技术研究[D].中国科学技术大学,2017.

邢妍,王琼华.集成成像3D信息获取技术[J].红外与激光工程,2020,49(03):66-77.

张汉乐,邢妍,胡晓帅,等.面向元宇宙的集成成像3D显示技术进展[J].指挥与控制学报,2022,8(03):239-248.

策划制作

作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：李明 中国科学院高能物理研究所 研究员

来源: 星空计划