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立体显示原理

由于人眼有4 - 6cm的距离,所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图象是有差别的。两幅不同的图象输送到大脑后,我们看到的是有景深的图象。这就是计算机和投影系统的立体成像 原理。依据这个原理,结合不

       由于人眼有4 – 6cm的距离,所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图象是有差别的。两幅不同的图象输送到大脑后,我们看到的是有景深的图象。这就是计算机和投影系统的立体成像原理。依据这个原理,结合不同的技术水平有不同的立体技术手段。

立体显示原理图:左右眼观察到的图象有区别
立体显示原理图:左右眼观察到的图象有区别

      只要符合常规的观察角度,即产生合适的图象偏移,形成立体图象并不困难。从计算机和投影系统角度看,根本问题是图象的显示刷新率问题,即立体带宽指标问题。如果立体带宽足够,任何计算机、显示器和投影机显示立体图象都没有问题。

#p#

     存在的问题和解决方法

      图象闪烁问题 

      但如果从观察者的角度去看我们会发现有很多区别。由于我们平时观察物体时并没有所谓的刷新率等问题,这就产生了我们要讨论的立体图象质量的问题。 
       我们观看计算机显示器时会发现,当刷新频率低于60时我们的眼睛会感到屏幕图象在闪烁,长时间观看眼睛就会不舒服。所以在选择计算机的显示器时,没有人会选择低刷新率的设备,因为我们都清楚选不好会有什么结果。 由于很多人实际上不了解计算机和投影系统立体图象输出可能会出的问题,以至于在实际应用中出现了很多问题。因此有必要对此进行说明。 
      如前所叙,对计算机而言,立体成像的关键是能对应人的左右眼输出两幅图象。
       由于现在计算机发展水平的限制,两幅图象不能同时输出,必须交替输出,因而实际上左或右图象的刷新率只能达到计算机平时图象刷新率的一半。如果计算机的刷新率为96Hz,左右眼的立体图象刷新率实际为48Hz。 
       早期由于投影技术水平的限制,我们在建显示系统时将计算机信号直接连接投影机进行放大输出,我们在屏幕上看到的立体图象刷新率与我们在显示器上看到的没有任何区别。即使投影机本身图象刷新率指标高也无济于事,因为高刷新率图象根本没有到达投影机!一方面是图形计算机的原因,另一方面是中间设备原因(如外接的边缘融合设备等)。这就是应用多年的主动 立体技术,与之配套的主动立体眼镜实际上是计算机同步控制的左右眼液晶开关,开和关与屏幕图象显示同步。带来的问题之一就是立体眼镜的频繁开关闪烁带来眼睛的不适,每个用过的人都深有体会。 
      到了上世纪末出现了解决这个问题的办法,我们称之为被动立体显示技术。原理并不复杂:计算机端信号特性没有任何变化,只是先将图象输出到信号分转设备,再连接到两台有立体显示功能的投影机输出到屏幕。由于我们看被动立体图象时用的是偏振立体眼镜,其外观、感觉与平时的眼镜几乎没有区别,观看图象时不会产生频繁开关的闪烁现象,消除人们对传统立体的不好感觉。

主动立体眼镜和同步发射器           
主动立体眼镜和同步发射器
 
 被动产体眼镜
被动立体眼镜

#p# 图象立体亮度问题 

        亮度是投影系统的技术指标之一,对有些类型的应用(例如汇报演示系统)可能还非常重要。由于很多人对立体亮度原理缺乏了解,加之部分厂商的误导,经常在这方面出问题。例如将能达到的立体亮度指标与投影机说明书的指标混淆。有人选择亮度为4000ANSI流明的投影机建立系统,等实际应用时才发现,使用环境必须要暗,需要拉窗帘才能工作。所以有必要解释这里边的道理。

主动立体流明 

     任何品牌和型号的投影机,如果能做主动立体显示,输出光线的利用率一定低于16%。因为:投影机做立体图象显示时,输出的左右图象的实际亮度为标称立体亮度值(投影机说明书标称)的45%(理想值为50%),光线通过液晶立体眼镜片后亮度至少要减少65%,因此剩余的亮度为45%*35% < 16%)。 如果亮度因素特别重要,用低亮度的投影机做主动立体显示时效果不能令人满意。例如亮度为4000流明的投影机,实际主动立体亮度只有为640流明,比普通电影院的亮度(800流明)还低。如果应用要求环境比较亮,这种指标是不行的。


 

     
主动立体技术的先天,不足促进了人们对被动立体技术的研发。现在这个问题已经得到了很好的解决。当然不同的技术对光的利用率也有较大差别,下面我们讨论这个问题。

被动立体流明 


 

       
被动立体是通过光的偏振来实现的。光的偏振有内部和外部两种实现方法。BARCO的LCD技术投影机采用的是内部偏振技术,光经过偏振后的利用率是 70%,经过优化后的被动立体眼镜对光的利用率是 84%, 可以计算出投影机输出光线到达眼睛的利用率接近59%。例如SIM6(或IQ 350系列)单机的亮度指标是3000流明,我们能看到的立体信号亮度能达到1770流明。BARCO的DLP或CRT采用外部偏振方法,投影机输出光线的利用率为45%(同主动立体),被动立体眼镜对光的利用率是 84%,因此到达眼睛的光线利用率为38%。 利用Z-screen方法的单台投影机方法

 

      
所有的投影机都可以通过使用ZScreen方法进行被动立体显示,实际上是将输出的主动立体信号在镜头前进行转换。 由于ZScreen 显示需要更多的黑场(左右镜片切换空白),使得投影机输出光线的利用率只有40%. 经过偏振后剩余35%,再经过立体眼镜 84%的利用率, 最终结果是光线亮度只有12%。例如:投影机的输出亮度为4000流明,到达每只眼睛中只有480流明。

#p#被动立体的边缘融合问题 

        被动立体显示如果要想取得理想的效果,每个通道需要用到2台投影机,这给多通道的边缘融合带来难题。最好的解决方案是光学融合方法(Optical blending)和电子融合方法(electrical blending) 相结合进行边缘处理,否则会带来严重的重叠区亮带问题。具有投影系统集成能力的厂家(不一定生产投影机)一般都能解决好这个问题,而只能生产投影机不做投影集成的厂家则无能为力。 
       Barco公司1978年就推出了多通道主动立体显示系统,之后很多年其它公司才推出该技术的商用系统。现在Barco新一带被动立体技术已经给我们的应用带来众多的益处并在所有指标上超过主动立体,2000年以后逐渐为高端用户所接受并开始在国际上普及。最新统计表明,国际上新显示系统装机量被动立体比例已占压倒性多数。在石油天然气、汽车制造等行业,即使将以前所有的显示系统计算在内,被动立体系统装机量所占比例已经超过60%。

关于圆周偏振技术 

        其原理是:光线传播时,垂直传播方向的360度都有光波震荡传输。光的偏振实际上是利用某一特定方向的光波进行显示的原理。 以前的线性偏振的原理是偏振片方向不动,光只能以固定的角度传输,此方法的缺点是头部不能偏移,因此现在已被淘汰。

     
        圆周偏振技术的原理是光的偏振方向可旋转变化,左右眼看到的光线的旋转方向相反。基于圆周偏振技术,观察者的头部可以自由活动,因为光线的方向变化不影响显示。

 

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