張 梅 王飛躍 郭 振 唐樂樂 王 曉

沿用至今的平板顯示器件由于無法使觀察者獲得真實(shí)的三維深度信息和完整的表面特性，越來越影響信息獲取、處理、傳遞、人機(jī)交互和決策的準(zhǔn)確度、深度、速度和效率.真三維顯示便是利用人眼雙目視差的特性，在一定顯示介質(zhì)和器件的輔助下,呈現(xiàn)具有一定空間深度感信息的技術(shù).不同于流行的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示等設(shè)備，真三維顯示技術(shù)不需要佩戴眼鏡或頭盔便可裸眼觀看三維場景，而且觀察者可在不同視角下進(jìn)行自然觀察，觀者數(shù)量可不受限制.真三維顯示技術(shù)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種高清晰、全彩色、全視角、無需特定輔助工具的三維顯示效果，猶如置于三維空間的真實(shí)三維目標(biāo)漫反射的整個光場.

真三維顯示技術(shù)從根本上更新信息顯示的概念，可客觀、完全、真實(shí)地模擬和顯示各種三維場景，為觀看者提供栩栩如生的三維感知信息，有效提高觀看者對整個場景更直觀、全面的認(rèn)知.因此，三維顯示技術(shù)一直以來都是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，在醫(yī)療診斷、教育教學(xué)、影視娛樂、商務(wù)會議等各個領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.20世紀(jì)90年代，三維顯示技術(shù)最早在軍事領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用，可在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮、聯(lián)合作戰(zhàn)模擬及武器裝備顯示等方面發(fā)揮重要作用.1996年，美國斯坦福大學(xué)研發(fā)出基于紅外激光二極管的三維體顯示裝置，在美國海軍的資助下，在淺水域潛艇導(dǎo)航、空中交通管制等多方面展開應(yīng)用.

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電顯示技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等快速發(fā)展，各類真三維顯示技術(shù)的成果層出不窮，越來越舒適、真實(shí)的視覺體驗(yàn)展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景.2002年，美國研制名為Perspecta的商業(yè)化三維顯示系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面，將人體結(jié)構(gòu)組織的三維信息進(jìn)行三維可視化呈現(xiàn)，為手術(shù)導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等提供有效的可視化工具.一直以來，LG公司、DTI公司、飛利浦公司、日立公司等多家知名企業(yè)均對真三維顯示器進(jìn)行持續(xù)不懈研究，致力于提高其分辨率等各項(xiàng)顯示性能指標(biāo)，使其沉浸式的視覺感知優(yōu)勢在娛樂影視、虛擬購物、商務(wù)合作等方面獲得廣泛應(yīng)用.2021年，定義為與真實(shí)世界進(jìn)行映射與交互的元宇宙概念開始爆發(fā)式發(fā)展，真三維顯示從本質(zhì)上為虛實(shí)世界的信息鏈接和交互提供最直接的窗口，可為元宇宙概念的構(gòu)建提供沉浸式的人機(jī)交互三維視覺感知效果.

近年來，真三維顯示技術(shù)根據(jù)不同的技術(shù)原理和表現(xiàn)形式，主要可分為光場三維顯示技術(shù)、體三維顯示技術(shù)、全息三維顯示技術(shù).本文針對這3類真三維顯示技術(shù)最新的研究成果進(jìn)行介紹和梳理，在對各類真三維顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，幫助研究者更深入了解當(dāng)前該領(lǐng)域的研究進(jìn)展.

1 各類三維顯示技術(shù)

1.1 光場三維顯示技術(shù)

現(xiàn)實(shí)中三維物體之所以能被人眼感知到，是由于其表面漫反射在三維空間中的光場信息分布被人眼捕獲.Gershun[1]提出光場的概念，定義為空間中某點(diǎn)向所有方向發(fā)出光的集合.1991年,Landy等[2]提出全光函數(shù)的概念，采用七維函數(shù)G(x,y,z,α,β,λ,t)表示光場函數(shù),其中,(x,y,z)表示發(fā)光點(diǎn)三維位置，(α,β)表示發(fā)光方向，λ表示波長，t表示時間.然而，實(shí)際光場在三維空間中呈現(xiàn)無限連續(xù)分布的狀態(tài)，即使未考慮光線的其它特性(如極性、相位等),七維函數(shù)的計(jì)算量依然相當(dāng)龐大.1996年，Levoy等[3]將光場函數(shù)簡化為四維函數(shù)，在忽略光線波長和時間的影響下，只需考慮光線的方向和位置.一般表征為2個相互平行的平面，即L(u,v,s,t)，其中，(u,v)、(s,t)表示空間中光線與兩平面相交點(diǎn)的坐標(biāo).光場函數(shù)表征示意圖如圖1所示.

圖1 光場函數(shù)表征示意圖

光場三維顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是采用有限個視場以近似空間中連續(xù)分布的實(shí)際光場.通過對采集的連續(xù)光場分別沿空間、角度、時間軸等進(jìn)行離散采樣，獲得有限數(shù)量視場表征的光場函數(shù)，經(jīng)二維顯示器件、光場調(diào)控器件等進(jìn)行再呈現(xiàn)，獲得三維顯示效果.目前，學(xué)者們已提出多種光場三維顯示系統(tǒng).

1.1.1基于集成成像光場三維顯示技術(shù)

集成成像顯示技術(shù)一般是將微透鏡陣列置于微型顯示圖像陣列之前進(jìn)行三維場景顯示，包括記錄和再現(xiàn)兩個過程.每個透鏡元下覆蓋一幅不同方位視角的微單元圖像，經(jīng)微透鏡陣列投射不同視角的光線，在三維空間中進(jìn)行聚集還原，重現(xiàn)物空間的三維場景，使人眼在對應(yīng)的視角位置觀察到具有正確視差的圖像.該技術(shù)的三維顯示原理圖如圖2所示.微型顯示圖像陣列可采用投影儀陣列或液晶面板等實(shí)現(xiàn).集成成像顯示技術(shù)可同時實(shí)現(xiàn)水平視差和垂直視差，但分辨率和顯示尺寸受限于顯示器件，分辨率不高.

圖2 基于集成成像技術(shù)的三維顯示原理圖

由于微透鏡單元間距及其與顯示屏之間的距離較小，導(dǎo)致集成成像三維顯示技術(shù)視角范圍往往較窄.為了有效提高視場角，研究者利用彎曲透鏡陣列[4]、頭部跟蹤技術(shù)[5]、雙層透鏡陣列[6-7]、全息光學(xué)元件[8-9]等擴(kuò)大視野范圍.Sang等[10-12]利用高分辨率顯示屏，獲得視角達(dá)到60°的三維顯示系統(tǒng)，具體顯示效果如圖3所示.

圖3 基于全息顯示屏的集成成像三維顯示系統(tǒng)顯示效果[10-12]

2019年，Liu等[13]引入分時復(fù)用技術(shù)進(jìn)行多向照明，提出融合分時復(fù)用技術(shù)集成成像的三維顯示系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖4所示.該系統(tǒng)融合優(yōu)化設(shè)計(jì)的全息功能屏，有效解決視場角和分辨率之間的矛盾，在120°寬視角的可視范圍內(nèi)構(gòu)建192個密集視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)清晰的3D顯示.

圖4 融合分時復(fù)用技術(shù)集成成像的三維顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[13]

為了實(shí)現(xiàn)更平滑的立體視差和自然的顯示效果，迫切需要增大視點(diǎn)數(shù)量.基于集成成像三維顯示技術(shù)不得不解決其視點(diǎn)數(shù)與分辨率之間的矛盾關(guān)系.2010年開始，Takaki等[14-15]圍繞新型超視點(diǎn)集成成像顯示技術(shù)展開系列研究.在超視點(diǎn)顯示系統(tǒng)中，相鄰視點(diǎn)的間隔小于瞳孔直徑，可有效解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突，獲得三維顯示目標(biāo)自然的聚焦-離焦效果，具體如圖5所示.該系統(tǒng)結(jié)合投影系統(tǒng)與集成顯示技術(shù)，生成的256個視角圖像經(jīng)16個投影系統(tǒng)投影疊加到公共的顯示屏上，三維分辨率達(dá)到256×192.2019年，Wang等[16]利用可編程定向背光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_的超視點(diǎn)集成成像顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)352個視點(diǎn).

圖5 超視點(diǎn)集成成像三維顯示系統(tǒng)[14]

1.1.2基于多投影儀的光場三維顯示技術(shù)

基于多投影的光場三維顯示系統(tǒng)一般由投影儀陣列和定向散射屏組成，原理如圖6所示.

圖6 基于多投影儀的光場三維顯示技術(shù)原理圖

定向散射膜表面由一種特殊的微結(jié)構(gòu)組成，使照射在其上的光束在水平方向上散射角很小，只沿著豎直方向上有較大的散射.當(dāng)投影儀將視角圖像投影到定向散射膜上，觀察者只能看到投影光心與視點(diǎn)連線方向上的一條窄帶投影子圖像.各投影儀投射的窄帶圖像在屏幕上拼成一個完整圖像，使觀察者在該位置獲得正確的視角圖像.隨著觀察者的移動，觀察來自同個投影儀不同的窄帶子圖像，從而觀察不同位置對應(yīng)的視角圖像.通過對投影儀的預(yù)處理可實(shí)現(xiàn)子圖像良好的拼接效果，是實(shí)現(xiàn)立體顯示效果的關(guān)鍵技術(shù)之一.投影儀的數(shù)量決定視點(diǎn)的疏密，直接影響視點(diǎn)間的連續(xù)性.另外，由于屏幕在豎直方向上散射較大，一般難以直接產(chǎn)生垂直視差.

基于多投影儀的光場三維顯示系統(tǒng)具有良好的延展性的特點(diǎn)，此光場三維顯示技術(shù)特別適用于大尺寸、大場景的顯示.2005年，Holografika公司推出由96臺投影儀陣列組成的HoloVizio三維顯示系統(tǒng)[17-19],具體如圖7所示.定向散射屏對角尺寸達(dá)1.8 m，水平視角50°,系統(tǒng)兩邊添加反射鏡將超出視角范圍的光線反射回來重新利用，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程會議、可交互三維地圖等領(lǐng)域的應(yīng)用.

圖7 HoloVizio三維顯示系統(tǒng)[17-19]

2014年，Jones等[20-21]提出基于超薄投影機(jī)的三維顯示系統(tǒng)，具體如圖8所示.72臺微型投影儀可有效減少投影儀間的間距，改善顯示效果.此系統(tǒng)采用凸曲面反射顯示屏，水平視角范圍達(dá)到118°，實(shí)現(xiàn)較真實(shí)的大屏幕真三維顯示.Jones團(tuán)隊(duì)在2016年采用216個投影儀,又實(shí)現(xiàn)真人大小的三維光場重現(xiàn)效果，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時對話.

圖8 基于超薄投影機(jī)的三維顯示系統(tǒng)[20-21]

Li等[22-23]進(jìn)一步將三維顯示系統(tǒng)的視角范圍擴(kuò)大至360°，具體如圖9所示.系統(tǒng)由環(huán)形排列的多層投影儀陣列和直徑3 m、高度1 m以上的圓柱形定向散射屏組成.每個投影儀的分辨率為640×480，可用于多人會議等各類大型場景的三維顯示.

圖9 360°水平投影儀三維顯示系統(tǒng)[22-23]

為了實(shí)現(xiàn)更具真實(shí)感的三維懸浮效果，2016年Yoshida等[24]提出名為fVisiOn的桌面式360°三維顯示系統(tǒng)，具體如圖10所示.系統(tǒng)采用桌面下環(huán)形排列的投影儀陣列和錐形背投散射屏，顯示約5 cm高的全彩三維場景.系統(tǒng)提供自然的混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境，適合交互式的圓桌會議.

圖10 桌面式360°投影陣列三維顯示系統(tǒng)[24]

更清晰連續(xù)的顯示效果往往需要更密集的投影圖像，2020年Yoshida[25]為了解決投影儀數(shù)量增加受限于物理空間的問題，將柱面鏡引入系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)約10倍的密集虛擬投影儀數(shù)量，再現(xiàn)由200多個狹縫圖像組成的3D顯示效果.

1.1.3基于投影掃描的光場三維顯示技術(shù)

基于投影掃描式的光場三維顯示技術(shù)一般通過高速投影儀將顯示圖像投影到同步旋轉(zhuǎn)的反射式定向散射屏上，使單個投影儀可實(shí)現(xiàn)虛擬投影陣列的投影效果，自然實(shí)現(xiàn)360°的三維顯示,具體原理如圖11所示.屏幕旋轉(zhuǎn)一周投影的圖像數(shù)決定系統(tǒng)的顯示角分辨率.

圖11 基于投影掃描式光場三維顯示技術(shù)原理圖

2007年，Jones等[26]搭建一套360°的三維顯示系統(tǒng)，具體如圖12所示.投影儀將圖像投射到高速旋轉(zhuǎn)的定向散射屏上，屏幕旋轉(zhuǎn)一周投影288幅圖像，系統(tǒng)刷新頻率達(dá)到20 Hz，視角圖分辨率達(dá)到768×768.2009年，Jones等[27]進(jìn)一步將人臉實(shí)時重建技術(shù)引入光場顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程裸眼3D視頻會議.但此系統(tǒng)只能顯示單色圖像，采用的傾斜屏幕旋轉(zhuǎn)裝置無法在顯示空間直接與三維顯示目標(biāo)進(jìn)行交互.

圖12 360°單投影儀三維顯示系統(tǒng)[26]

為了實(shí)現(xiàn)彩色高清晰顯示，并且便于人機(jī)交互功能的實(shí)施，Xia等[28-30]提出桌面式360°三維顯示系統(tǒng)，每掃描一周投影700幅彩色圖像至轉(zhuǎn)速30 rad/s的水平旋轉(zhuǎn)定向散射屏上，具體如圖13所示，實(shí)現(xiàn)虛擬場景可懸浮于屏幕上方的視覺顯示效果，保障人機(jī)交互的有效空間.然而，這類系統(tǒng)只在旋轉(zhuǎn)方向上具有視差.

圖13 360°桌面式懸浮三維顯示系統(tǒng)[29-30]

2015年，Su等[31]引入360°人臉檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)豎直運(yùn)動視差，同時將反射屏改為透射屏，解決交互時的投影信息遮擋問題.為了緩解顯示效果受限于投影設(shè)備速度的影響，Song等[32]采用多臺微型投影儀結(jié)合旋轉(zhuǎn)選擇性擴(kuò)散屏，實(shí)現(xiàn)可觸摸的360°光場顯示系統(tǒng)，具體如圖14所示.旋轉(zhuǎn)光瞳使屏幕旋轉(zhuǎn)到正確位置才會進(jìn)行投影，有效降低顯示設(shè)備速度，緩解顯示設(shè)備速度與光場密集度之間相互制約的問題.

圖14 基于旋轉(zhuǎn)屏幕的360°三維顯示系統(tǒng)[32]

1.1.4基于多層屏幕的光場三維顯示技術(shù)

基于多層屏幕的光場三維顯示技術(shù)通?；谝壕袼貜?fù)用的原理，采用多層、離散的液晶屏幕進(jìn)行空間光調(diào)制，以特定規(guī)律形成空間光場分布以逼近擬顯示目標(biāo)無限、連續(xù)的光場，達(dá)到真三維顯示效果，使用的數(shù)據(jù)表示層越多越能獲得高階的近似結(jié)果.技術(shù)原理圖如圖15所示.

圖15 基于多層屏幕的光場三維顯示系統(tǒng)原理示意圖

三維數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器分解為多組斷層顯示圖像，分別送到各個液晶面板上.背光光源產(chǎn)生的照明光經(jīng)過各層液晶面板上像素的逐級調(diào)制，最終產(chǎn)生輸出的光場分布.隨著視點(diǎn)位置的移動，看到的光線將穿過各層液晶面板不同的像素點(diǎn)，引起光線亮度的變化，實(shí)現(xiàn)具有視差的三維感知效果.將目標(biāo)光場經(jīng)過計(jì)算獲得準(zhǔn)確的斷層成像數(shù)據(jù)是此技術(shù)的關(guān)鍵，而并非簡單的體元切片.基于多層屏幕的三維顯示技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全視差，不但顯示光線的空間位置，也顯示光線的傳播方向信息，具有較高的分辨率和連續(xù)的方向性.

2011年，Lanman等[33-37]將多層液晶置于光源之前，通過調(diào)制各液晶像素,實(shí)現(xiàn)光場三維顯示系統(tǒng)，具體如圖16所示.系統(tǒng)采用分辨率為1 600×1 200、間隔17 mm的多層液晶屏幕.該團(tuán)隊(duì)連續(xù)提出基于非負(fù)張量因式分解技術(shù)[33-35]和壓縮光場優(yōu)化方法[36-37]，實(shí)現(xiàn)三維顯示.但是，基于多層屏幕的三維顯示技術(shù)視場較小，往往需要視點(diǎn)跟蹤技術(shù)[38]或其它特殊算法進(jìn)行有效提高.基于多層液晶顯示技術(shù)視場較小的特點(diǎn)，在近眼顯示方面反而發(fā)揮更大的潛力，可實(shí)現(xiàn)人眼的單目聚焦效果.

圖16 層疊光場三維顯示系統(tǒng)[33]

2015年，Huang等[39]將兩層分辨率為1 280×800的液晶顯示屏引入頭盔顯示系統(tǒng)，具體如圖17所示，可形成相距約100 cm的2個虛擬圖像，同時實(shí)現(xiàn)具有雙目視差和聚焦的三維顯示效果.

圖17 基于多層液晶的近眼顯示系統(tǒng)[39]

2015年，Cao等[40-41]為了提高實(shí)時性能，提出基于壓縮感知的多層液晶三維顯示系統(tǒng)，具體如圖18所示.系統(tǒng)利用光場的相干性，賦予更優(yōu)的初始值進(jìn)行迭代，相比隨機(jī)噪聲獲得的初始值更接近目標(biāo)值.基于GPU執(zhí)行像素并行分解算法，分解速度提高5.91倍，大幅縮短計(jì)算時間.

圖18 基于多壓縮感知的多層液晶三維顯示系統(tǒng)[40-41]

1.1.5向量光場三維顯示技術(shù)

向量光場三維顯示技術(shù)依托波動光學(xué)理論，是近年來裸眼三維顯示領(lǐng)域的新興技術(shù).此技術(shù)通過控制像素單元的發(fā)光方向和發(fā)散角度，利用帶有方向的光束重構(gòu)空間三維物體.由于像素尺寸和光束發(fā)散角度足夠小，向量光場顯示對光線方向的調(diào)制具有高精度和高自由度特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)視點(diǎn)、全視差的顯示效果.

2013年，F(xiàn)attal等[42]采用周期性納米光柵研制一款定向背光三維顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)原理及顯示效果如圖19所示.

圖19 多向定向背光3D顯示系統(tǒng)原理及顯示效果[42]

系統(tǒng)從背光體不同方向?qū)氲钠矫婀獠ǎ?jīng)過刻蝕在定向背板上規(guī)律排布的光柵，實(shí)現(xiàn)定向光束的調(diào)制，產(chǎn)生寬視野的彩色多視圖.與不同視圖或顏色關(guān)聯(lián)的像素是在空間上多路復(fù)用的，可由外部快門進(jìn)行獨(dú)立處理和調(diào)制.該技術(shù)最終展示多個手持式全動態(tài)視差三維顯示系統(tǒng)，獲得分辨率127像素/英寸，視點(diǎn)數(shù)200個，視角范圍90°.

為了平衡視場角與分辨率之間的矛盾，2021年，Hua等[43]基于二維超構(gòu)光柵陣列，提出可視空間內(nèi)信息密度漸變的向量光場顯示系統(tǒng)，原理如圖20所示.系統(tǒng)依據(jù)人眼視網(wǎng)膜上視錐細(xì)胞分布的生理特點(diǎn)，在中心凹視覺范圍內(nèi)分配較密集的視點(diǎn)數(shù)量，在邊緣視場分配少量的信息.研究人員在視角調(diào)制板上精準(zhǔn)刻蝕具有不同周期和方向的納米級光柵結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制入射光場的相位.結(jié)合6英寸LCD顯示面板，實(shí)現(xiàn)432萬個單元像素結(jié)構(gòu)、160°視場角、無暗區(qū)的彩色動態(tài)3D顯示效果.

圖20 適用于中心凹裸眼3D顯示系統(tǒng)原理圖[43]

1.2 體三維顯示技術(shù)

體三維顯示技術(shù)通過重建三維空間中陣列排布的發(fā)光體像素實(shí)現(xiàn)三維場景的顯示.不同于光場三維顯示技術(shù)，體三維顯示技術(shù)是由物理空間真實(shí)存在的發(fā)光體素堆疊而成，可準(zhǔn)確反映物體尺寸和空間關(guān)系.此技術(shù)往往自然產(chǎn)生較寬視角，能直接反映生理深度暗示和心理暗示，形成令人印象深刻的可視化效果.但是體三維顯示技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)遮擋、缺乏足夠的表面特性、顯示尺寸可擴(kuò)展性較差.按照不同的實(shí)現(xiàn)方式，體三維顯示技術(shù)通常可分為固態(tài)體三維顯示技術(shù)、掃描式體三維顯示技術(shù)及激光體三維顯示技術(shù).

1.2.1固態(tài)體三維顯示技術(shù)

固態(tài)體三維顯示技術(shù)一般采用空間排布的LED陣列、光纖陣列、多層液晶等作為圖像顯示介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)三維顯示.具有代表性的產(chǎn)品是LightSpace公司推出的名為DepthCube的三維顯示裝置[44-45]，原理如圖21所示.系統(tǒng)由20層分辨率為1 024×768的液晶屏堆疊而成，高速投影儀將顯示圖像投射在顯示介質(zhì)上，各液晶層通過電控改變其光線透過率，使不同深度的投影圖像恰好在相應(yīng)深度的液晶屏上顯示，而其它層的液晶在此時為透明狀態(tài).通過快速切換，形成三維場景各層截面影像堆疊顯示的效果，呈現(xiàn)具有深度信息的體三維顯示效果.但該系統(tǒng)視場角受限，僅能在正前方1°范圍內(nèi)進(jìn)行觀察.該系統(tǒng)與基于多層屏幕的光場顯示技術(shù)最明顯的區(qū)別在于，觀察者所視每個體素是來自固定層上固定點(diǎn)，而非穿過各液晶層被調(diào)制后的光線.

圖21 DepthCube 三維顯示系統(tǒng)原理圖[44-45]

2010年開始，F(xiàn)eng等[46]對DepthCube系統(tǒng)進(jìn)行系列改進(jìn)，并對系統(tǒng)的投影光路、顯示效果等方面進(jìn)行一系列的優(yōu)化[47-48]，于2017年研發(fā)基于三片DMD的高清晰、彩色、動態(tài)體三維顯示系統(tǒng)[49]，顯示尺寸達(dá)到40寸，刷新速率達(dá)到50 Hz，具體如圖22所示.

圖22 40寸固態(tài)體積式三維顯示系統(tǒng)[49]

1.2.2掃描式體三維顯示技術(shù)

掃描式體三維顯示技術(shù)一般通過高速投影設(shè)備配合高速運(yùn)動的顯示屏或高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)光設(shè)備實(shí)現(xiàn).旋轉(zhuǎn)的屏幕或發(fā)光設(shè)備通過運(yùn)動序列點(diǎn)亮三維空間中分布的各個體像素，基于人眼視覺暫留效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三維場景的顯示.

早期典型的設(shè)備是1996年由Bahr等[50]提出的Felix 3D體三維顯示系統(tǒng)，具體如圖23所示.系統(tǒng)通過三色激光束掃描一個同步高速轉(zhuǎn)動的螺旋屏，產(chǎn)生瞬時光點(diǎn)，隨著激光器的偏轉(zhuǎn)和螺旋屏的旋轉(zhuǎn)，再現(xiàn)三維圖像.1998年，Langhans等[51]將系統(tǒng)體積進(jìn)一步縮小成便攜式體三維顯示，并于2002年實(shí)現(xiàn)可交互功能[52].美國海軍曾應(yīng)用此類技術(shù)將機(jī)載應(yīng)答機(jī)發(fā)送的飛機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示，直觀獲悉空中交通情形.美國空軍參與開發(fā)的OmniViewTM顯示設(shè)備也曾在此類相關(guān)技術(shù)上進(jìn)行嘗試.

圖23 Felix 3D體三維顯示系統(tǒng) [50]

2002年，F(xiàn)avalora等[53]研制世界上第一臺商業(yè)化的體三維顯示系統(tǒng)，命名為Perspecta，具體如圖24所示.系統(tǒng)通過高速DLP投影儀將圖像按時序投影到高速旋轉(zhuǎn)的平面漫散射屏上，可實(shí)現(xiàn)8位256色顯示，具有198個視角數(shù)，體素總數(shù)最多可達(dá)1億，水平視角360°，垂直視角大于180°.但是系統(tǒng)顯示區(qū)域?yàn)橹睆綖?0英寸的球形掃描區(qū)域，擴(kuò)展性較差，主要局限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.

圖24 Perspecta體三維顯示系統(tǒng)[53]

Helix3D體三維顯示系統(tǒng)(如圖25所示)[54-55]采用DLP投影代替三色激光，將66個分辨率為1 024×768的顯示投影截面快速投射到高速旋轉(zhuǎn)的螺旋屏幕上.隨著螺旋屏的轉(zhuǎn)動，在不同Z軸位置截獲高速投影的二維圖像，在三維空間形成二維圖像棧，獲得體素達(dá)到1億的體三維顯示.隨后，開展針對三維數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、可視化和真三維顯示的實(shí)時連接的一系列研究，由此提出基于螺旋混合屏的三維顯示系統(tǒng)，融合體三維顯示與光場顯示優(yōu)勢.

圖25 Helix 3D體三維顯示系統(tǒng)[54-55]

1.2.3激光體三維顯示技術(shù)

激光體三維顯示技術(shù)一般利用掃描光束有選擇地激發(fā)發(fā)光介質(zhì)中的體元，使其由于能量躍遷而發(fā)光，產(chǎn)生的發(fā)光陣列形成三維圖像.

發(fā)光介質(zhì)可為固體或氣體介質(zhì)形式的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料、晶體、等離子體等.該技術(shù)往往采用兩束可獨(dú)立控制的激光束，在交點(diǎn)處產(chǎn)生高能量的聚集實(shí)現(xiàn)激發(fā)發(fā)光.早期研究實(shí)現(xiàn)的發(fā)光介質(zhì)一般基于氟化物玻璃[56]、摻雜稀土微粒的玻璃[57]等.基于ZBLAN立方體的體三維顯示系統(tǒng)如圖26所示.

圖26 基于ZBLAN立方體的體三維顯示系統(tǒng)[56-57]

2015年，Ochiai等[58]提出基于普通空氣介質(zhì)的激光電離體三維顯示系統(tǒng)，具體如圖27所示.系統(tǒng)通過3D動態(tài)聚焦系統(tǒng)，將超短脈沖激光束聚焦到空氣中某點(diǎn)，當(dāng)激光功率超過空氣電離閾值時發(fā)生電離現(xiàn)象而發(fā)光，經(jīng)過遠(yuǎn)心場鏡快速掃描，在空氣中繪制立體三維輪廓，利用視覺暫留原理實(shí)現(xiàn)三維顯示.系統(tǒng)可在空氣中形成客觀實(shí)感的三維圖像，但顯示圖像尺寸較小，難以實(shí)現(xiàn)大幅面高幀頻動態(tài)三維場景的顯示.

圖27 基于電離空氣介質(zhì)的體三維顯示系統(tǒng)[58]

1.3 全息三維顯示技術(shù)

隨著元宇宙概念的興起，全息三維顯示技術(shù)再次獲得關(guān)注和快速發(fā)展.全息三維顯示技術(shù)本質(zhì)上是利用光的干涉原理進(jìn)行目標(biāo)體表面光場記錄，再利用衍射原理進(jìn)行光場再現(xiàn).Gabor[59]最早提出全息的概念，能將三維場景的全部波前信息進(jìn)行記錄，包括強(qiáng)度、相位、波長等，重構(gòu)的三維場景含有所有生理、心理的深度線索，因此顯示效果最接近真實(shí)三維場景.全息三維顯示原理如圖28所示.

圖28 全息三維顯示原理圖

但是，顯示色彩和分辨率受感光膠片性能影響較大,尤其針對動態(tài)場景顯示需要海量信息處理能力的硬件設(shè)備，現(xiàn)有技術(shù)尚難做到高動態(tài)實(shí)時三維顯示.

Zebra公司在靜態(tài)全息三維顯示方面有突出的成果(http://www.zebraimaging.com/zebra-imaging-emerging-technology)[60]，利用空間光調(diào)制器，在特殊的光致聚合物材料上實(shí)現(xiàn)彩色全息圖，具體如圖29所示.公司研制的靜態(tài)彩虹全息地圖產(chǎn)品已投入商用和軍事應(yīng)用.

圖29 Zebra全息靜態(tài)三維顯示系統(tǒng)

目前全息三維顯示技術(shù)主要致力于實(shí)現(xiàn)大視角、高幀數(shù)的動態(tài)顯示.學(xué)者們一方面對可快速重記錄的全息材料進(jìn)行探索，另一方面對可快速響應(yīng)的空間光調(diào)制器展開研究.2008年，Benton等[60]利用計(jì)算全息技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)動態(tài)全息三維顯示，系統(tǒng)的刷新率達(dá)到30 Hz，視場角達(dá)到24°，顯示區(qū)域達(dá)到80 mm×60 m×80 mm.但系統(tǒng)尚難做到實(shí)時、全彩色顯示.Tay等[61]提出光折變聚合物全息記錄材料，實(shí)現(xiàn)動態(tài)彩色全息三維顯示，如圖30所示.利用數(shù)碼全息打印方法，可保持記錄全息圖數(shù)小時，并且可被擦除以便寫入新的圖像，刷新耗時降至2 s.但此方法在大面積記錄材料的制作方面還較困難.

圖30 基于可擦涂材料的全息三維顯示 [61]

Ding等[62]提出利用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)場景全息圖的方法，使計(jì)算全息技術(shù)獲得快速發(fā)展，但此方法計(jì)算數(shù)據(jù)量巨大、計(jì)算時間較長.之后，學(xué)者們又提出很多方法簡化3D物體模型的計(jì)算量.Chang等[63]利用快速計(jì)算生成全息圖的方法，實(shí)現(xiàn)無透鏡全息三維顯示，具體如圖31所示.由于方法中全息圖是由二維平面圖像經(jīng)衍射計(jì)算獲得的，而非由三維物體體素生成，因此可大幅減少計(jì)算量，獲得清晰的深度信息.

圖31 無透鏡全息三維顯示[63]

2019年，Sando等[64]提出具有360°水平視區(qū)的實(shí)時交互式全息3D顯示系統(tǒng)，具體如圖32所示.系統(tǒng)采用基于三維快速傅里葉變換的方法合成一套24幀全高清二進(jìn)制計(jì)算機(jī)生成的全息圖，并采用圖形處理單元獲得進(jìn)一步的加速，可迅速合成多個傳播方向的全息圖，成功演示可交互操作的人頭部X射線CT圖像.

圖32 360°實(shí)時交互全息三維顯示系統(tǒng)[64]

近年來，超構(gòu)表面新型光學(xué)器件以其單元結(jié)構(gòu)比波長小的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)波前任意調(diào)控，為大視角動態(tài)全息顯示提供新思路.2020年，Gao等[65]提出空間信道超表面器件的概念，具體如圖33所示.利用DMD調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光控制超表面上每個空間信道的獨(dú)立開啟與關(guān)閉，使同片超表面器件可實(shí)現(xiàn)數(shù)億萬幅的全息圖動態(tài)顯示.

圖33 基于超構(gòu)表面的全息三維顯示[65]

2 各類顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析及討論

人眼之所以具有三維立體感知，是因?yàn)槿祟愐曈X系統(tǒng)從視網(wǎng)膜上的二維影像之中獲取三維線索，主要可分為生理深度線索和心理深度線索.生理上的深度線索包含調(diào)節(jié)、雙目會聚、運(yùn)動視差和雙目視差.心理上的深度線索包含線性透視、遮擋、光照陰影、紋理、先前認(rèn)知.各類三維顯示技術(shù)在三維線索、分辨率、數(shù)據(jù)量、視場角及可擴(kuò)展性等顯示效果呈現(xiàn)方面的表現(xiàn)各有優(yōu)劣，具體如表1所示.

由表1可看出，每種顯示系統(tǒng)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢和不足.基于集成成像的光場三維顯示系統(tǒng)具有全視差顯示效果.但是，由于系統(tǒng)往往采用微透鏡陣列等元件對顯示屏進(jìn)行多視場分割從而形成三維顯示，各視場分辨率與視點(diǎn)數(shù)相互制約，分辨率、視點(diǎn)數(shù)的大幅提高受限.基于投影儀的多視場光場三維顯示系統(tǒng)通過增加投影儀數(shù)量以有效提高視場范圍和分辨率，具有良好的可擴(kuò)展性，但若采用足夠多投影儀以達(dá)到自由視點(diǎn)效果，系統(tǒng)體積巨大、價格昂貴，校準(zhǔn)工作繁重.基于多層屏幕光場三維顯示系統(tǒng)在有限視場范圍內(nèi)能較好地逼近連續(xù)光場分布情況，具有良好的分辨率和視場連續(xù)性，但視場角較小，視野受限，亮度不足.體三維顯示系統(tǒng)可自然實(shí)現(xiàn)360°全視角觀察，但難以將三維場景的遮擋線索和光照陰影線索完美體現(xiàn).全息顯示系統(tǒng)可完美呈現(xiàn)與真實(shí)場景媲美的三維顯示效果，但若要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)全彩顯示效果，需要高分辨率、高刷新率的硬件支持，計(jì)算量巨大.

表1 各類真三維顯示系統(tǒng)優(yōu)勢與不足

總之，目前真三維顯示技術(shù)的研究一直圍繞如下2個影響顯示性能提高的核心問題.

1)解決分辨率、視場角、密集視點(diǎn)之間的矛盾問題.能承載高空間帶寬積的顯示源是3D顯示的硬件基礎(chǔ).當(dāng)前各類顯示系統(tǒng)的空間帶寬積往往受限，導(dǎo)致分辨率、視場角等性能的提高相互制約.分辨率達(dá)到媲美2D顯示器的水平，是3D顯示具備實(shí)際應(yīng)用性的基本需求，而狹窄的視角范圍難以滿足人眼觀察習(xí)慣.研究者一方面針對不同顯示技術(shù)的特點(diǎn)，通過增加投影儀數(shù)量、采用高密度像素屏幕、研制高性能空間光相位調(diào)制器等方式以提升空間帶寬積，另一方面往往通過人眼跟蹤、時空復(fù)用、多角度照明等方案以滿足分辨率、視場角及視點(diǎn)數(shù)的要求.

2)解決視覺輻輳-調(diào)節(jié)矛盾.人眼對目標(biāo)場景的深度感知往往是由多種生理因素和心理因素共同作用而產(chǎn)生的.輻輳是指當(dāng)兩眼共同注視目標(biāo)時，雙眼內(nèi)向或外向的相互協(xié)同運(yùn)動.調(diào)節(jié)是指通過改變?nèi)搜劬铙w的光焦度調(diào)整眼屈光系統(tǒng)的焦距，使不同距離的目標(biāo)能清晰成像在視網(wǎng)膜上.當(dāng)人眼注視不同距離的目標(biāo)時，不僅需要雙眼集合運(yùn)動，還需要配合每只眼的調(diào)節(jié)作用，使雙目同時看清同個目標(biāo).然而，在觀看3D顯示屏幕時，提供的雙目視差信息往往基于目標(biāo)在顯示屏幕前或后，而實(shí)際單眼調(diào)焦獲得的目標(biāo)卻恰好位于屏幕處.因此，輻輳和單眼調(diào)節(jié)獲得的目標(biāo)空間深度信息并不一致，導(dǎo)致感知系統(tǒng)混亂.研究者提出超視點(diǎn)3D顯示方法，使來自多個視點(diǎn)的光線進(jìn)入同只人眼系統(tǒng)，完成更接近目標(biāo)的自然光場分布，有效緩解輻輳-調(diào)節(jié)矛盾.

那么，從近些年真三維顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，未來發(fā)展趨勢可表現(xiàn)在如下方面.

1)新型三維顯示機(jī)理.在各種三維顯示技術(shù)“百花齊放”的今天，每種單一顯示模式都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和不足.但在這些系統(tǒng)中，往往存在數(shù)據(jù)處理量較大、顯示光能利用率較低、系統(tǒng)過于復(fù)雜龐大、顯示分辨率有待提高等各類問題.針對這些問題，新的解決方案不斷被提出.突破現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)或融合現(xiàn)有多種顯示模式為一體的新型真三維顯示技術(shù)是其中一種有效的解決方式，可彌補(bǔ)各自顯示效果的不足.2018年，Su等[66]結(jié)合多視角投影與全息顯示，采用單個空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)重建多個視點(diǎn)的幅度信息，利用定向衍射裝置實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)光場的相位信息.Deng等[67]融合集成成像顯示技術(shù)與全息顯示技術(shù)，利用透鏡陣列全息光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)AR立體顯示.2021年，Jo等[68]提出投影型多層體式光場三維顯示系統(tǒng)，基于投影儀結(jié)合斷層顯示與集成成像技術(shù)，大幅提高體場景分辨率，克服傳統(tǒng)集成成像顯示系統(tǒng)受像素?cái)?shù)限制的缺陷.

新的顯示機(jī)理和實(shí)現(xiàn)手段的提出也是另一種有效的途徑之一.2019年，Hirayama等[69]提出多模聲阱顯示系統(tǒng)，利用超聲波技術(shù)控制微小粒子在三維空間中的快速運(yùn)動，繪制三維場景，并可同步傳輸聽覺信息和觸覺信息.這些新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)有力促進(jìn)真三維顯示技術(shù)的快速發(fā)展，為各類關(guān)鍵技術(shù)的突破提供新思路.

2)高適應(yīng)性三維人機(jī)交互技術(shù).三維人機(jī)交互技術(shù)是指在三維虛擬空間中完成以三維顯示物體作為交互對象的用戶交互行為.隨著技術(shù)的更新迭代，交互方式從視點(diǎn)交互、手勢交互到觸覺交互等,涌現(xiàn)越來越自然的模式.實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互是真三維顯示設(shè)備走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵技術(shù)之一.2017年，Yamaguchi[70]結(jié)合觸覺交互與光場三維顯示系統(tǒng)，當(dāng)觀者觸摸3D影像時，通過檢測其指尖散射光獲得用戶觸摸，實(shí)現(xiàn)交互式三維觸摸界面.Tian等[71]利用視點(diǎn)交互彌補(bǔ)原懸浮光場顯示系統(tǒng)中豎直視差的不足問題，采集人臉信息獲得眼睛的高度位置，更新該視點(diǎn)正確的投影圖像.總之，三維人機(jī)交互往往存在交互模式多樣化、交互對象復(fù)雜、交互操控要求較高等特點(diǎn)，要求交互技術(shù)必須具有精準(zhǔn)、高速和實(shí)時處理的能力.因此，對新型自然的三維交互模式、交互數(shù)據(jù)高速處理的能力等涉及的關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步突破.

3)真三維顯示的高動態(tài)化和實(shí)時化.任何顯示技術(shù)的動態(tài)化和實(shí)時化是其獲得廣泛應(yīng)用的必要要求之一.高動態(tài)化往往體現(xiàn)在高刷新率的三維目標(biāo)視頻顯示；高實(shí)時化往往是指三維信息的實(shí)時傳輸顯示.在保障大視場角、高分辨率顯示的情況下，針對真三維數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、處理和傳輸均需要對每秒近萬幅的圖像進(jìn)行解析和傳輸.2019年，Yu等[72]演示一款視角達(dá)到90°的交互式動態(tài)光場三維顯示系統(tǒng)，通過3個分辨率為3 840×2 160的投影儀實(shí)時渲染編碼圖像，使觀察者可與3D動態(tài)場景進(jìn)行自然交互.動態(tài)視頻全息顯示一直是3D全息顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)，海量的像素和數(shù)據(jù)處理是其需要解決的最核心問題.多家研究機(jī)構(gòu)提出結(jié)合眼動跟蹤、非像素化SLM及SLM拼接、漫射器擴(kuò)展視角等各種獨(dú)特的解決方法[73].然而，距離真正的商業(yè)化應(yīng)用尚有諸多技術(shù)障礙需要攻克.因此，在未來幾年若想實(shí)現(xiàn)真三維顯示技術(shù)的高動態(tài)化和實(shí)時化，需要在密集視點(diǎn)動態(tài)實(shí)時三維數(shù)據(jù)快速獲取、高速處理和傳輸?shù)确矫娅@得突破性進(jìn)展.

4)便攜式三維顯示器件及系統(tǒng).手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等電子設(shè)備已成為人們?nèi)粘９ぷ魃钪兄饕男畔⒔涣鞴ぞ?隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展和交互技術(shù)的成熟及多樣化，便攜式三維顯示器件及系統(tǒng)是未來需要發(fā)展的應(yīng)用方向之一.便攜式的三維顯示系統(tǒng)不僅需要良好的三維顯示效果，更需具備體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn).在顯示器件體積嚴(yán)重受限的情況下，實(shí)現(xiàn)高空間帶寬積是需要突破的瓶頸之一.El-Ghoroury等[74]推出首個光微處理器-量子光子成像器，每個像素都可單獨(dú)控制發(fā)光方向，體積小，能耗低，可廣泛用于新型顯示應(yīng)用中.Wan等[75]利用像素化超構(gòu)表面光柵進(jìn)行3D光場相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)寬視場、彩色的動態(tài)全息三維顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在未來有望用于移動顯示設(shè)備開發(fā).2020年，An等[76]采用光線控制背光單元和全息視頻處理器，實(shí)現(xiàn)一款超薄交互式全息視頻顯示系統(tǒng)，總厚度小于10 cm，有效空間帶寬積提高30倍，讓觀眾可從多個角度觀看高分辨率的3D視頻，有望嵌入移動設(shè)備中.這些研究成果的提出均有助于高性能、便攜式真三維顯示系統(tǒng)的研發(fā).

5)智能顯示.作為虛實(shí)數(shù)據(jù)交互平臺的真三維顯示技術(shù)，不僅需要高質(zhì)量、逼真生動的三維顯示呈現(xiàn)，更需要融合強(qiáng)大的計(jì)算能力、智能交互能力，擁有顯示、感知與交互為一體的復(fù)合功能.

首先，有效合理的顯示數(shù)據(jù)建模是實(shí)現(xiàn)智能顯示的基礎(chǔ).在元宇宙的構(gòu)建中也需要通過海量虛擬數(shù)據(jù)完成虛擬世界的構(gòu)建.然而，有效豐富三維數(shù)據(jù)源的缺乏一直以來也制約著三維顯示技術(shù)的發(fā)展.基于集成成像的光場三維顯示技術(shù)需要透鏡陣列相機(jī)實(shí)現(xiàn)信息采集，基于投影儀的光場三維顯示技術(shù)需要相機(jī)陣列獲取多視圖信息，全息三維顯示技術(shù)往往通過計(jì)算全息圖獲得顯示數(shù)據(jù)源.每種技術(shù)需要的數(shù)據(jù)源并不統(tǒng)一，對應(yīng)的采集方式各不相同，獲得的數(shù)據(jù)信息也各有優(yōu)缺點(diǎn).近年來，深度學(xué)習(xí)等技術(shù)在三維數(shù)據(jù)源的獲取和改善方面發(fā)揮很大潛能.深度學(xué)習(xí)因其在圖像處理上的優(yōu)勢，被成功引入到集成成像中[77-78]，對采集的低分辨率子圖像實(shí)現(xiàn)超分辨率處理，有效提高子圖像的質(zhì)量.Chen等[79]引入無監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)，合成多視差視圖，利用現(xiàn)有視圖獲得密集的虛擬視圖，為3D光場顯示提供足夠的視圖數(shù)據(jù).

其次，對目標(biāo)光場的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行更精準(zhǔn)的自主調(diào)控顯示，對顯示性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估和反饋，是實(shí)現(xiàn)其與各類應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行更自然的融合和交互的關(guān)鍵.當(dāng)前的各類顯示技術(shù)往往將目標(biāo)光場進(jìn)行離散的采樣顯示，在顯示內(nèi)容、顯示硬件、顯示效果上往往還存在各種不足，難以精準(zhǔn)、完備地再現(xiàn)實(shí)際光場.另外，人眼的三維感知視覺機(jī)制往往體現(xiàn)一種綜合性信息處理過程，在極短時間內(nèi)對龐大復(fù)雜的信息實(shí)現(xiàn)有效處理.而當(dāng)前的各類顯示系統(tǒng)卻總是不能使觀看者獲得完美的視覺體驗(yàn)，甚至引起眩暈等一些生理不適.通過人眼視覺感知情況引導(dǎo)顯示系統(tǒng)進(jìn)行更精準(zhǔn)的性能優(yōu)化是有必要的.

Pei等[80]基于平行智能理論,提出光場顯示深度感知平行優(yōu)化系統(tǒng)，解決顯示深度感與舒適度的優(yōu)化問題.平行智能理論最早由王飛躍[81]提出并成功應(yīng)用于智能交通、社會計(jì)算、智慧醫(yī)療等多個領(lǐng)域[82-85]，包括人工社會(Artificial Societies)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(Computational Experiments)、平行執(zhí)行(Para-llel Execution)三部分，核心思想就是針對復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，構(gòu)建與實(shí)際系統(tǒng)對應(yīng)的人工系統(tǒng)，以計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)與評估，通過循環(huán)虛實(shí)互動為實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行持續(xù)性的引導(dǎo).光場顯示深度感知平行優(yōu)化系統(tǒng)[80]基于平行智能理論，包含光場顯示評價模型、顯示渲染系統(tǒng)和人工深度感知測量系統(tǒng).綜合考慮場景視差、內(nèi)容、視覺對焦等多種深度感知影響因素以建立評估模型，通過評價模型學(xué)習(xí)進(jìn)行最優(yōu)視覺焦點(diǎn)的選擇，實(shí)現(xiàn)自由視點(diǎn)重渲染.最后利用視頻處理平行系統(tǒng)進(jìn)行“虛擬”數(shù)據(jù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)3D視頻聚焦位置的精準(zhǔn)跟蹤，獲得良好的顯示效果.

隨后，王飛躍等[86-87]又提出平行光場的基本框架和構(gòu)建流程，利用采集的實(shí)際光場信息構(gòu)建增強(qiáng)的人工世界光場，并在其中進(jìn)行光場實(shí)驗(yàn)，獲得最優(yōu)的采集方案或顯示方案，最終可通過平行執(zhí)行完成人工世界光場和物理世界光場間的虛實(shí)互動，形成完整的光場生成和融合系統(tǒng).基于ACP的平行智能顯示理論與元宇宙構(gòu)建的理念不謀而合，為高性能顯示與自然交互等提供高效可靠的決策指導(dǎo).

3 結(jié) 束 語

本文對代表性的真三維顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理及系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行梳理與分析，重點(diǎn)介紹各類光場三維顯示技術(shù)、體三維顯示技術(shù)及全息三維顯示技術(shù)的研究.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，真三維顯示技術(shù)取得諸多成果，但各類顯示技術(shù)各有獨(dú)特的優(yōu)勢與不足，距離真正有效的實(shí)際應(yīng)用尚存在一定距離.隨著計(jì)算成像、人工智能、光電子技術(shù)、通信技術(shù)等各領(lǐng)域的快速發(fā)展，及5G通信、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的蓬勃興起，未來真三維顯示技術(shù)將在高性能成像顯示、海量光場信息處理、智能化交互等方面重點(diǎn)展開關(guān)鍵技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)可滿足不同具體應(yīng)用需求的高顯示質(zhì)量、可實(shí)時交互的真三維顯示系統(tǒng).