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裸眼3D技术:打造沉浸式视觉盛宴

来源:  发布时间:2024-03-12

文 王 越 胡金华 陈俊晖

  

  一直以来,人们对虚拟世界和现实世界之间交互融合的探索从未停止。裸眼3D技术凭借其出众的创新性、颠覆性和前瞻性,引起国内外科研团体的关注。

  在一间如同浴室般大小的“3D全息电话亭”中,即使与远在千里之外的朋友对话,使用者也可以“面对面”进行交流沟通。值得注意的是,这种“沉浸式”的3D通信,无须佩戴VR头显、智能眼镜等设备,便可轻松获得如同面对真人一般的体验。从中我们窥见,裸眼3D技术的发展正在驶入快车道,且拥有十分广阔的前景。那么,这项技术从发现提出到实际运用,走过了怎样的历程?未来又将在哪些领域“施展拳脚”?


怎样“欺骗”人眼


  2009年,影片《阿凡达》在北美正式上映。作为一部大制作3D电影,“潘多拉”星球的全新视觉效果和体验让观众感觉如临其境、身在其中。一时间,3D电影成为观影主流,电影也由此进入3D时代。

  相比于先前的2D电影,3D电影以蒙太奇手法为观众推开一扇又一扇虚拟世界的大门,通过三维影像对感官高强度、全方位地刺激,给观众以沉浸式的真实感。但随着3D电影不断向前发展,也有不少观众提出“幸福”的苦恼:每次看电影时,都要佩戴一副3D眼镜,这让很多佩戴近视眼镜的人左右为难——如果两副眼镜叠加佩戴,会让鼻梁承受双倍重量;如果摘掉其中一个,就会失去3D应有的观感和体验。

  很快,裸眼3D技术的出现,让人们看到了新的可能。裸眼3D技术,顾名思义就是不借助VR眼镜、头显等设备实现3D显示的方法,肉眼可以直观看到立体的视觉效果。这项技术,可以让人们更加直观、自然地获得更为逼真、更具沉浸感的立体感受。

  裸眼3D技术的本质是利用视觉位移来“欺骗”视觉神经,其基本成像原理也并不复杂。举例说明,一名普通成年人的瞳距一般在60毫米到65毫米之间,当观看物体的时候,左眼和右眼视网膜上的物体成像会存在一定程度的水平差异,同时两幅具有视差的图像也会自动传递到大脑。通过视神经中枢的融合反射和视觉心理的反应所形成的三维立体感觉,就是裸眼3D技术的呈现效果。

  那么,裸眼3D技术“欺骗”人眼的主要方式有哪些呢?

  一是狭缝式液晶光栅。在屏幕前加上狭缝式光栅后,本该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时,不透明的条纹会遮挡右眼;同理,应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时,不透明的条纹会遮挡左眼,通过将左眼和右眼的可视画面分开,使观者看到3D影像。

  二是柱状棱镜。它的原理是在液晶显示屏的前面加上柱状透镜,通过透镜的折射原理,将左右眼对应的像素点分别投射在左右眼中,实现图像分离。其最大的优势便是亮度不会受到影响,但考虑到某种原因,其分辨率有待提升。

  三是指向光源。简单来说,就是精确控制两组屏幕,分别向左、右眼投射图像产生视差,为人眼带来较为出色的3D效果。但相关技术尚未成熟,未能广泛投入使用。

  作为一种沉浸感更强的新型显示技术,裸眼3D技术正在为文化、娱乐等多个产业赋能,改变着人们的生活,值得我们期待。


“佩珀尔幻象”照进现实


  20239月,在杭州第19届亚运会开幕式上,“数字火炬手”和火炬手汪顺以全球首创的“数实融合”方式点燃主火炬塔“钱江潮涌”,并完成点火仪式。得益于裸眼3D技术等科学技术的赋能,这个跨江而来、穿越人群的“弄潮儿”数字人火炬手,以其悬浮空中、惟妙惟肖的震撼立体效果,让全球观众见证了一场令人叹为观止的视觉盛宴,更让世界看到了中国科技力量的广阔发展前景。

  一时间,网友热议纷纷,广大“科技发烧友”更是围绕裸眼3D技术纷纷展示自己的观点和看法。不少人认为,作为一系列先进技术的“融合体”,裸眼3D技术的应用和发展,正是随着科技的发展应运而生的新鲜事物。

  其实并不然。早在1862年,由英国科学家约翰·佩珀尔发现的“佩珀尔幻象”原理,就是利用光学错觉技术“欺骗”人眼产生的视差,让人们看到舞台上的“幽灵”。虽然表演过程让人们惊呼“不可思议”,但其背后的成像原理并不复杂——当灯光照射在舞台下真实表演者的身上,再透过在舞台前呈45度角放置的一块透明玻璃,表演者的影像就会在舞台上的特定区域形成虚拟影像,飘浮的“鬼影”就呈现在观众的眼前。

  从那以后,在数百年的发展历程中,科学家们始终致力于为将“佩珀尔幻象”照进现实而努力,进行着艰辛的探索和研究。但由于早期技术的限制,虽然经历了漫长的发展阶段,除了立体电影曾经出现过昙花一现的辉煌,3D技术特别是裸眼3D技术一直没能实现重大突破及广泛应用。直到1983年,飞利浦公司在德国柏林消费电子展上展示了3D电视的原型机。尽管由于观看点位的限制,且长时间观看会产生眩晕症状,导致飞利浦暂停了裸眼3D显示类产品的销售,但仍为这项技术开创了先河。

  《阿凡达》等电影的热映,带动3D观影迅猛发展的同时,还将技术和产品的商业竞争带入以“进一步提升用户体验”为核心的裸眼3D产品,一系列搭载裸眼3D技术的产品不断推陈出新。热度飙升的背后,我们也要冷静地看到,尽管裸眼3D技术帮助人们摆脱了眼镜的束缚,提供了更好的视觉效果,但不可否认的是,目前的裸眼3D技术也并非完美,其在近年来的发展节奏也是忽快忽慢,尚处于萌芽阶段。

  ——技术尚不成熟。尽管裸眼3D技术有着巨大的优势与潜力,但其在可视距离、可视角度、分辨率等层面仍未取得突破性进展,在实际体验中尚不能完全替代相对技术成熟的头显设备。

  ——成本相对较高。随着手机、游戏机、电视等各类型终端设备的更新和升级,让裸眼3D技术“飞入寻常百姓家”有了理论上的可能,但其高昂的研发成本和不菲的市场价格,还是让广大消费者望而却步。

  ——影响视力健康。有研究表明,长时间观看裸眼3D大屏幕,会对视力健康带来一定程度的影响,导致视觉疲劳,甚至造成散光加重、近视加深等多种不良影响。

  然而瑕不掩瑜。放眼当下,随着人们对创意显示的需求越来越高,更加真实地还原现实世界的三维信息,逐渐成为时代发展的主流。作为一种不用佩戴任何设备就能看到鲜活立体影像的技术,裸眼3D技术的应用和发展,也必将给广告、游戏、直播、电商等行业带来难以估量的提升空间。


裸眼3D技术加速到来


  放眼未来,裸眼3D技术作为一种综合技术集成的发展目标,其持续完善、更新、升级的发展趋势是不可阻挡的。现有的裸眼3D技术实现手段,一定会被新技术、新载体、新媒介所取代,变得更有想象力、更有创造力。

  在中国温州举行的2023世界青年科学家峰会上,虚拟主持人“唯思”身着科技感十足的白色科研服,既能与观众挥手打招呼,又可以和嘉宾实时互动,这种新颖的虚实互动方式,成为此次峰会的一个亮点。据相关负责人介绍说,为了让“唯思”拥有专业真人主持的动作、声音和表情,他们实时捕捉幕后真人的动作表情,并运用裸眼3D技术交互、实时高帧率虚拟人渲染技术等手段,在一场充满科技感的沉浸式交互体验中,给现场观众留下深刻印象。

  作为一项新兴的技术,裸眼3D技术正以其多感知性、沉浸感、交互性等优势和特点,带来无限商机与发展机遇,展现出高质量的发展前景和应用潜能,并在多个领域得到推广应用。

  在教学领域,裸眼3D技术可以提供更加直观和生动的学习体验。学生们通过立体直观图像,对抽象的定义、空间的概念有了更深的理解和认知;在医疗卫生领域,裸眼3D技术既可用于模拟手术,也可实现远程治疗,提高医疗救护的质量和安全性;在建筑设计领域,裸眼3D技术的运用,可以更好地呈现设计思路和最终效果,为沟通交流和敲定方案提供有力参考……

  此外,裸眼3D技术对军工行业的应用意义同样不可小觑。国外已有媒体报道,将裸眼3D技术应用于构建逼真的虚拟作战环境,为部队快速适应陌生战场环境、提前谋划推演作战进程提供支持。与此同时,裸眼3D技术还可以在军事教学、立体摄影侦察、星际遥感遥测成像分析等领域得到推广应用。

  前不久,一家世界知名市场调研机构在其发布的《裸眼3D技术发展趋势分析报告》中指出,在技术、产品、内容和应用场景等方面,裸眼3D技术已具备了完善的生态环境,未来用户体验的提升将带动裸眼3D技术进入“市场爆发期”。

  未来,裸眼3D技术时代或将加速到来。随着技术的不断进步和应用场景的扩大,我们完全可以期待这项技术在未来发展中发挥更大的作用,让世界变得更加令人憧憬。

 (文章转载自《解放军报》20231222日第11版)


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2024年5月

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