1.1 3D显示技术的历史进程

显示技术无形当中改变着人们认知世界的方式，可以说，显示技术在一定程度上反映了一个国家或地区的整体科技水平。显示技术诞生以来，先后经历了阴极射线管显示、黑白显示、彩色显示、高清及后高清显示等几个阶段的技术飞跃，到现在已发展至多种技术线路并存，产业发展迅速的黄金阶段。

时至今日，以3D（立体）显示技术为代表的新型显示技术正悄然改变着人们认知世界的方式，各行各业中3D显示技术的广泛应用更是加速了该项技术的全方位发展。眼镜式3D显示技术是目前较成熟的3D显示技术，大多数3D电视均采用这种显示技术，但在眼镜的成本和舒适度方面有待进一步改善。基于视差的裸眼式3D显示无须佩戴任何特制眼镜或仪器，克服了戴眼镜观看时带来的不方便和不舒适，向自由3D显示迈出了重要一步，但此种条件下受观看角度的影响比较大。

因此，不须佩戴眼镜、观看角度不受限的自由3D显示技术是3D显示技术的一个重要发展方向。由于这一类的3D显示方式基本上都是采用液晶显示屏或等离子体显示器件作为图像显示单元，因此与目前的显示技术产业相互衔接，具有良好的产业基础和产业发展的延续性。

1.1.1 显示技术的出现

1897年，德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩发明阴极射线管（CRT）以来，显示技术发展经历了多个阶段的发展。20世纪40年代，正值第一代黑白显示，人类实现家庭影像播放电影，电视开始普及；50年代初，发展到第二代彩色显示，美国无线电公司向世界展示了一种全电子扫描的彩色电视显像管，到了60年代，能再现自然色彩的电视走进千家万户；进入90年代，第三代高清显示以平板和数字电视为主，电视网与因特网融合，完成了显示从模拟信号到数字信号的转变，到21世纪初，显示分辨率已可以达到1920×1280；进入21世纪，第四代广色域高清显示或后高清显示以激光和3D显示为主，实现全色彩、3D显示，能达到126%NTSC，打破了设备体积和播放地点的局限性。

激光器出现以后，激光在显示方面的应用受到重视，产生了全息显示。为了军事指挥中心的需要，研制出多种大屏幕显示设备。微型计算机的出现和大规模集成电路技术的发展，使显示设备的处理部件得到重大改进，显示软件也得到相应的发展。因此，以电子束管为基础的图形、图像、彩色显示设备的应用进入一个新的发展时期。

1.1.2 3D显示技术的出现

立体图像技术的研究是一个古老的课题，公元前300年前，希腊欧几里得（Euklides）就发现双眼视觉现象，Leonardo da Vinci揭示了三维图像的过程。

1839年，英国科学家查理·惠斯顿爵士根据“人类两只眼睛的成像是不同的”发明了一种能让人们左右眼在看同样图像时产生不同效果的立体眼镜。1844年，David Brewster发明了立体镜（Stereoscope），一种可以观看立体照片的装置，直至第二次世界大战，这个装置一直是西方中产阶级家庭里常用的家什。1849年，David Brewster发明了改良型的立体镜，从而可以方便地观察具有视差效果的立体照片获得立体视觉。第二次世界大战严重冲击着娱乐性的立体相机和它的各种立体图像技术，开创了写实主义摄影的新纪元，使得以黑白的战争纪实的摄影成为主流。

1861年2月5日，费城的Coleman Sellers申请了电影镜（Kinematoscope）专利，该装置与费纳奇镜相似，只是图像内容是时间序列的一连串立体图像对，当通过狭缝观看这些图片时，可以观看到立体图像；而当电影镜的转盘转动时，就可以看到动感的立体动画图像（Stereo Animation Camera）。1900年，Frederick Eugene Ives发明红绿互补色立体图像技术。1902年9月25日，Frederick Eugene Ives（1856–1937）申请了一项具有历史意义的发明——视差立体图及其制作过程（“Parallax Stereogram and Process of Making Same），首次使用狭缝光栅（Parallax barrier）构成立体图片，并且不需要借助任何辅助工具，肉眼可以直接观看到立体影像。这种立体图像即为自由立体图像（“auto-stereoscopic image”）。

1908年，Gabriel Lippmann提出集成立体（Intergral image）显示的思想，认为显示器可以在现实环境中产生视窗（Window view upon reality）。

1915年，Edwin S. Porter发明立体电影放映机，采用红绿互补色方式，使得立体图像成为更加适合电影院这样的公众场合放映的真正意义上的“电影”。第一部立体电影“Niagara Falls”生产于1915年，1922年立体电影“爱的力量”（Power of Love）首次公演。

20世纪30年代初，贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）就委托Herbert Eugene Ives研究立体电视。H.E.Ives由此而研究了立体电视成像系统，并采用立体图片进行了验证。现在普遍使用的柱镜光栅立体（Lenticular sheet）图像、狭缝光栅（Parallax barrier）立体图像、视差照明（Parallax illumination）立体图像都是在那个时期研究并成为立体印刷的原始技术，H.E.Ives也发明了用于拍摄立体图像的立体照相机。随后，全息技术的出现为立体电视技术的发展指明了道路，也吸引了更多的技术人员投入到全息技术的研究中去。而基于视差光栅的立体电视技术的研究也逐渐被淘汰了。

当然，直到20世纪50年代到60年代，美国和欧洲公众才真正意义上拥有了家庭电视。许多人认为，立体电视技术（Three-dimensional broadcast television，3DTV）是下一步电视技术的合乎逻辑的发展方向。不过，虽然在19世纪20年代，John Logie Baird就演示了立体电视技术的基本原理，但是，仍然有许多的技术原因一直阻碍着立体电视技术的成功研究和发展，使得3D显示的技术台阶依然存在至今。图像分析技术、图像渲染技术、数字图像编码以及传输技术的快速发展，也促进了3D显示技术的进步。

1970年，Stephen Benton改进了立体成像结构，设计一种具有电视特征的可以显示全彩色、具有正确遮挡特性的立体图像的三维空间显示系统。这种显示器可以提供具有立体视差的图像，人眼能够看到一对具有视差的图像。由于能为多个观看者提供自然观看的具有运动视差的立体图像，因此这种显示器称作多视点自由3D显示器。而这种多视点3D显示技术也成为了自由3D显示的技术来源。

西方许多国家对3D显示技术的研究开展相对较早，并取得了许多实质性的进展。从20世纪90年代开始，日本东京（Tokyo）大学、早稻田大学、大阪（Osaka）大学、千叶（Chiba）大学、美国纽约（New York）大学、麻省理工学院（MIT）、肯特（KENT）大学、华盛顿（Washington）大学、波士顿（Boston）大学、英国剑桥（Cambridge）大学、蒙特福特（Montfort）大学、德国德累斯顿（Dresden）大学、卡塞尔（Kassel）大学、罗斯托克（Rostock）大学、韩国汉城大学、韩国科技学院、台湾工业技术研究院、俄罗斯电影摄影学院等大学或研究机构也先后着手开始3D显示技术的研究。美国维度（DTI）公司、日本夏普公司（Sharp）、三洋公司（Sanyo）、日立公司（Hitachi）、日本广播公司（NHK）、韩国三星（Samsung）公司、荷兰飞利浦（Philips）公司等世界著名企业已经成功地将立体液晶显示器产品推向市场。其中DTI公司早在1993年就为美国怀特空军基地（Wright-Patterson）的“未来先进座舱”模拟器设计制造座舱自由立体液晶显示器，也为NASA研发全仿真3D显示器。尽管目前3D显示器在IT市场或显示技术市场方面的影响十分微小，但是，其研究进展与技术发展却十分迅速，市场的发展也开始萌发。Sharp公司从2002年开始批量生产立体液晶显示器，成为世界上第一个实现3D显示器批量生产的企业集团。有预测，3D显示器所掀起的一场技术革命即将到来。

20世纪90年代以来，境外许多大的集团投入大量的经费和人力，积极地开展3D显示器的研究竞争，有关3D显示器研发成功的报道不断公布，足见3D显示器的研究已渐渐成为西方发达国家的热点研究方向。

近年，随着电子技术、显示技术，以及网络技术的发展，带动了3D产品的大量普及，3D显示技术作为一种新兴的显示技术正在悄然改变人们认知世界的方式。3D电视、3D相机、3D投影竞相出现在人们眼前，同时，在3D内容建设方面也得到了显著发展，随着3D频道的开通，各类3D节目也应运而生，以3D形式出现的短片也逐渐走入市场。直至2010年，依托数字信息的3D技术诞生了，伴随着《阿凡达》等多部3D影片在全球的热映，人们对3D显示的认知率迅速攀升至80%，进而也全面催化了火爆的3D显示市场，可以说3D显示时代已经来临了。3D电视背后所蕴藏的巨大市场机会以及成为强大经济增长点的可能，激发了各国政府以及相关工业界与产业界的极大热情。目前我们已经可以在世界各地的影院中感受三维电影带来的视觉精彩。

人类经过几个世纪的探索，终于形成了一种新的学科——3D显示。3D显示的历史发展如图1.1所示。

有关3D影像的成因，我们归结起来就是“视觉移位”。人的两眼左右相隔6 cm左右，这意味着当你看一个物体时，两只眼睛是从左右两个视点分别观看的，左眼将看到物体的左侧，而右眼则会看到它的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时，左右两面的影像合起来，就会得到最后的立体感觉。当观看者只以单眼来观看景物时，因为没有了视差，所以立体感也会随之消失。而这种获得立体感的效应就是“视觉位移”。

如图1.2所示，当我们看到下面物体时，左眼只看到阴影部分的一面，右眼则只看到图中标示出来的一面。所以，当两眼看到的物体在视网膜上成像时，左右两面的影像合起来，就会得到最后的立体图像。

由此，我们可得出获得立体视觉的3个条件：①需要左右眼两路影像；②两路影像是不同的，且具有正确的视差；③左右眼的影像要完全分离，左影像进左眼，右影像进右眼。

我们之所以能够感受到立体视觉，是因为人类双眼是横向排列的，且两眼之间有6 cm左右的间隔，使得左眼看到的影像与右眼看到的影像会有些细微的差异，这个差异被称为视差（Parallax）。与此同时，我们的大脑能够解读双眼的视差并借此判断物体远近并产生立体视觉。当观看者只以单眼来观看物体时，因为没有了视差，所以立体感也会随之消失。