关于全信息成像和layered3D显示技术的研究

赵若时

摘 要：目前的主流显示技术仍然是二维平面显示，然而三维立体显示已经日益发展普及。人们总是希望拥有更加直观真实的显示技术和视觉感受，在此需求的刺激之下，全息成像的思想应运而生。本课题首先对伪全息成像原理与技术进行研究。伪全息成像技术的固有问难和难点难以突破，难以真正逼近真实的全息显示技术。从而，本课题进一步探索和研究MIT于2011年提出的分层三维显示（Layered 3D）技术，将待呈现的四维光场进行断层重构，以内部分层图像的方式实现光场的计算显示。

关键词：显示技术 渲染光场 MATLAB 伪全息成像 Layered 3D

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

全息技术的提出距今已经有大约半个世纪的历史。这期间，人们不断开发新的全息成像方式，不断优化已有的手段，在不停的实践中，各种全息成像技术的优势和弊端渐渐显露出来。我们对全息成像的原理和成果有很大的兴趣。为什么会产生立体感，如何产生立体感，可以如何应用和改进，这些都是我们希望了解和研究的问题。我们从现有的Layered 3D入手，切入到全息成像的本质，同时尝试着拓宽layered 3D的技术层面和应用层面。在此期间，我们还会对伪全息成像进行探索，尝试运用此技术制作全息视频。

我们的研究中，将会涉及Matlab、POV-Ray、全息膜成像等技术，这其中包括了我们并不熟悉的领域，需要慢慢了解和学习。我们从理论中寻找解决的方法，这些都是我们研究的理论意义。实践是检验真理的唯一标准，从实践中，我们能够检验理论的合理性，并且做出改进和创新。比如渲染图像的个数，光场空间坐标的确定，logo设计及合成的算法，分辨率的调整优化，强光下的显示效果，数据传输延迟的解决，都是需要攻克的难题。而攻克的过程这是我们研究的意义所在。

1 研究方法及过程

首先，我们就伪3d成像（全息金字塔）进行了详细具体的研究。其成像原理是在播放影像时，显示器上的每个影像经过45°的折射后在棱锥里成一个正立等大的虚像，肉眼通过不同角度的观察，可以看到物体不同的侧面，从而给人立体的感觉。但全息膜成像技术不是真的全息，从接近侧棱的位置观察时，图像会有明显的错位、重叠或割裂，而影响展示效果。我们首先还原了4面的金字塔，发现确实存在视角连续性差的问题。因此，我们尝试将四面金字塔改造为了六面金字塔，从而解决这一问题。在改造过程中，我们利用mmd制作了相对应的片源。在制作片源的过程中我们发现，更多的面会使人物变小，而所需要使用的投影光源的投影范围也需要更广，才可以让人物的像在大小不变的情况下投影出来。可以预见这一技术在商业、博物馆等文化媒体领域的重要作用。

除此以外，我们还研究了layered3D显示技术。这是一种在平面上利用计算机层析显示出3D效果的图像的技术。我们找到了该技术研发人员的研究论文和开源MATLAB代码，学习了论文中所阐述的原理：先从多个只有微小角度差的视角拍摄出多张立体光场模型的图片，再用其计算出的函数将图片进行叠加与衰减，绘制出三或五张衰减层析图，分别打印在菲林片上后叠在一起就显示出了3D效果。我们学习了MATLAB软件中的相关函数和基本操作方法，用开源代码附带的图片复现了该技术。之后，我们学习了POV-Ray软件的使用方式，渲染出了自己的光场，用clock等函数生成了自己的光场图像，继续使用MATLAB软件进行断层重构分解，将四维光场分解为五幅分层图像，通过将每一层图像在菲林片上打印，并用PVC板分隔支撑，构成了分层三维显示的基本原型系统。这一技术将会在广告和媒体的领域起到重要的革新作用。

2 研究结果分析与讨论

我们最终将Layer3D打印出来，实际观察到了该技术的实物效果，虽然囿于硬件限制只有单色效果，但还是能看出明显的3D效果。伪全息方面最终实现了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 结论与展望

3.1 主要结论

3d成像技术还有很多的發展空间。这个发展空间更多的建立在硬件的基础上。清晰度更高的图像，更大的现实源都可以让3d成像变得更加清晰，成熟。我们发现可以用更大的投影屏使得其角度更加圆润自如，增加映像数目可以提高清晰度。但其中无法显示背景，投影不清晰的问题依然存在，而其所花费的材料和时间都已经大大缩短。随着3d技术的进一步发展，这些都是可解决的问题。

3.2 研究存在的不足及展望

伪3d成像技术对精度有十分高的要求。清晰度越高，容差值越小。在理论上，只要有足够大的显示屏和清晰的片源，就可以呈现出栩栩如生的影像。而layer3d计算复杂，建模相对来说困难，但只要有模型，制作成本相对较低，在广告上可以一展身手，等到技术成熟，就可以轻松应用。

伪全息技术被空间的限制很大。如果要投出一个3米高清晰的人像，往往需要500立方米甚至更大的空间。而且四周光线对此技术影响也很大。如果外部光线过于明亮，金字塔内部的影像会变得模糊不清，目前只能在相对黑暗的环境下进行投放。

Layer3d生成的图像并不复杂，但是计算量十分的大。Matlab的程序设计上还可以更加简洁。而且其中有要求实物拍照，需要25个摄像头来拍照。我们认为这个问题可以通过建模或者广场渲染来解决。虽然最后的材料成本不高，但是之前准备工作过于繁杂，设备成本高。

简而言之，3d成像技术对人们的生活将会有越来越大的影响。在如今的生活中，动漫，电影都在逐渐向3d转形。这一技术有着很好的发展前景和商业机会。也许有一天，电影里那种相隔万里也可以投下自己身影的技术，真的会实现。

参考文献

[1] 青岛大学物理科学学院11级光信息科学技术，浅谈全息技术及3d全息投影技术的简单应用.

[2] 百度百科.

[3] 李明.激光全息技术的发展及应用趋势研究.激光杂志，2005.

[4] 王典民.激光全息照相技术[M].吉林科学技术出版.1993：2-8.