虚拟现实和增强现实（ARVR）技术的3D技术原理

很多朋友对虚拟现实和增强现实（ARVR）技术的3D技术原理不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

随着虚拟现实和增强现实（ARVR）技术发展至今，市场上已经出现了各种类型的设备。最新的元宇宙厂商Meta's Quest也在上个月发布，它拥有突破性的高分辨率混合现实技术，采用了比上一代更先进的PanCake光学镜头方案，务求给用户最完美的3D视觉呈现。虚拟宇宙是如此受欢迎。你知道什么是3D显示技术吗？让我们来看看吧。

3D技术的原理和起源

目前3D显示技术的概念非常广泛。目前它被广泛定义为一种能够向观看者传达景深的设备。通过一系列光学方法，人脑中的图像具有三个维度。目前，较新的全息显示器和光场显示器可以通过显示内容的立体可视化和成像焦距的精确控制来产生更逼真的视觉效果，同时也大大减轻了视觉疲劳。

3D显示器的基本原理是利用人类双眼成像，通过不同的眼球传输不同的图像，然后原始的2D（只有X和Y图像）在大脑中自动组合，最终形成具有景深的3D图像。通俗地说，我们现在使用的3D显示器，比如ARVR设备，都是利用普尔弗里希效应原理，这是一种心理物理感知。由于人的两只眼睛看到的图像不同，视野中的物体运动（或不同的角度）被视觉皮层解释为具有深度分量。

有一个鲜为人知的知识是，患有白内障、视神经炎或多发性硬化症等眼部疾病的患者很难判断路上迎面驶来的车辆。当时人们不明白这是为什么。后来，海德堡天文台的创始人马克斯沃尔夫发表了一篇关于立体视觉在恒星研究中的局限性的论文，而原本一只眼睛失明的德国物理学家卡尔普尔弗里希注意到论文中的同一颗恒星不同照相底片上星星亮度的变化会产生运动的错觉，然后设计了一种投影装置，然后向一个也有一只眼睛的人很好地演示了这一现象，并于1922年首次公开描述了这种现象。

而第一个3D显示器真正要追溯到英国科学家惠斯通发明的镜面立体镜。 1840年，他因对双眼视觉的解释而获得英国皇家学会皇家奖章。这项研究促使他绘制立体图并建造立体镜。

查尔斯惠斯通镜面立体镜（来源：WIKI）

3D显示技术的发展

通过立体视觉的原理，人们产生的丰富的电影图像和照片给观看者眼睛带来两种不同的图像。这两个图像有轻微的偏差，就像在人眼的位置拍照一样，可以在大脑中创建3D图形。如果想让观众观看舒服，就需要使用一些光学工具。

早期的红色和蓝色镜片

在3D 电影或摄影的早期，两个图像（一红一蓝）通常叠加在屏幕或相纸上。蓝色和红色滤光眼镜可以分别在双眼中看到红色和蓝色图像，然后大脑自动将它们合成为3D形状。

早期的红蓝3D滤光眼镜（来源：网络）

这种分色成像是利用不同的滤光片滤掉图像上某种颜色的光，到达人眼时，出现左右两幅图像，然后大脑会自动合成物体根据红色和蓝色的两个图像看到。位置和颜色，从而形成3D 场景。

分色成像示意图（来源：网络）

偏振光成像原理

红、蓝成像会使人容易产生视觉疲劳，时间长了就会出现视力损伤。事实上，成像效果并不理想，因此科学家发明了偏振光的方法。偏光片（排列成网格的硅晶体镀膜）用于滤除不同偏振方向的光。

偏振光分离成像原理（来源：大同）

这种成像方法需要投射两种不同的偏振光。观看者佩戴不同偏光镜的眼睛，让两个方向的光线进入眼睛，通过大脑合成3D图像。该方案无色差，对人眼危害较小。小，所以目前主流的3D影院基本都是偏光3D方案。

交替快门、视线阻挡和阵列透镜方法

了解了这个原理后，只要人的两个眼睛看到的两个图像不同，大脑在处理同时到达的图像时就会自动合成3D效果。各家公司开始研发各种显示设备，通过显示器与3D快门眼配合，可以高场频刷新两张画面，分别进入左眼和右眼，实现3D效果。

快门式3D显示装置的原理（来源：太平洋）

阻挡视线的想法是在显示屏上制作一个类似栅栏的装置，让特定位置的人眼可以看到从缝隙中进来的不同光线，从而实现3D视觉。

透镜阵列就是在显示屏上制作一组微透镜阵列，使不同排列的LED发出的光分别聚焦在人的左眼和右眼上。

不同的裸眼3D技术（左：视线遮挡，右：透镜阵列）

VR虚拟现实

现在市面上流行的VR头显都是采用两块显示屏通过CPU控制显示不同的图像，然后利用摄像头捕捉人眼的焦点在眼前显示不同的图像，达到大脑成像的3D效果。与Meta 的Quest 和Byte 的Pico 一样，它们是用于短距离成像的复杂光学设备。此类设备需要强大的CPU和GPU来计算要显示的图像，而且它们仍处于起步阶段。

全息成像

最近最热最酷的3D技术就是全息投影技术，它利用光的干涉原理记录拍摄时物体的光波信息，被拍摄物体在激光照射下形成漫射物体光束；另一部分激光束作为参考光束照射全息薄膜，与物光束重叠产生干涉，将物光波上各点的相位和振幅转换为空间变化的强度，因此利用干涉条纹之间的对比度和间隔来变换物光波。记录了干涉条纹的全部信息后，带有干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序就成为全息图。

下一步就是利用衍射原理再现物体的光波信息。利用相干激光照射，可以通过衍射光波产生两个图像，即原始图像和共轭图像。生成的图像具有很强的三维效果和接近真实的视觉效果。由于捕获的全息图记录了物体完整的光学信息，理论上可以通过重建图像来获得原始物体的信息。

现在市场上主流的方案是3D全息透明屏。这种屏幕是透明的，不受光线的影响。它仅显示特定角度的图像。通过调整透明度，屏幕上只留下要显示的图像，实现全息投影。成像目的。

初音未来全息投影演唱会（来源：Google）

但这种投影并不是真正的全息投影，而是在屏幕上播放的2.5D近乎全息的图像。真正的全息图需要使用脉冲激光、高分辨率感光材料，并通过相干光的干涉图案对空间信息进行编码，以记录物体信息。

反射全息图（来源：HoloCenter）

从早期的红蓝到现在的全息投影，技术的发展日新月异，人们对视觉的追求也在不断提高。强大的硬件与复杂的软件完美结合，必将带来全新的视觉体验。虚拟宇宙的到来已经不远了。

黄飞

以上知识分享希望能够帮助到大家！