模拟人眼看世界——裸眼真三维空间光场显示

作者：董昊翔

封面| 董昊翔, 于迅博, 金秋, 桑新柱, 王葵如, 颜玢玢, 高鑫, 邢树军, 温旭东, 徐斌. 一种基于视点分段式体像素的具有100°正面观看视角的桌面式光场显示系统[J]. 中国激光, 2022, 49(4): 0409001

【封面解读】封面呈现了光场显示技术中空间体像素的构建原理。通过对深度、色彩信息的高效编码以及对光学元件的精确控光，可在空间中还原物体真实的光场分布，实现高质量动态三维显示。利用分段式体像素构建方法实现的桌面式三维光场电子沙盘可以在大视角范围内实现符合多人观看需求的高分辨率、全视差3D图像，在三维地形数据构建、沙盘推演模拟等应用中有极大潜力。

研究背景

人类从未停止过对显示技术的探索，从黑白静态到黑白动态，再到彩色动态，现在已经进入3D显示时代。高性能裸眼三维光显示技术可以为科学研究提供新手段，提高认知和分析能力，有可能改变医学诊疗和装备制造的模式，甚至还有可能在某种程度上影响一场战争的胜负，具有广阔的应用前景，是许多科学家梦寐以求的目标。

目前，三维显示技术仍然存在一些尚未解决的问题。例如视点与分辨率之间存在矛盾、渲染效率低、无法适应多人观看等。为满足三维光场显示系统中高质量+实时计算的需求，亟需一种高效精准的控光方法和高精度复合控光元件，以实现高分辨率大视角的真三维显示。

创新工作

为了解决视点与分辨率的矛盾和渲染速度慢等问题，北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室桑新柱教授团队从模拟人眼看世界出发，建立了三维空间光场分布理论，提出了“以高效控光方法综合提升显示视角、空间分辨率与视点数目，以光线并行追迹、空间结构分层快速编码手段提高显示质量和三维显示实时计算效率”的技术方法，在多重结构控光机制、3D编码并行计算和精准耦合等方面取得了多项创新成果。

为了实现一种高效的控光机制，团队建立了数字化3D空间光场重建显示理论模型，提出了多视角图像信息的空间分辨率融合和单像素多视点化高效控光方法，突破了裸眼3D光显示中空间分辨率和视点数相互制约的瓶颈问题，构建了3D光显示可视化仿真平台，能够优化参数配置综合提升空间分辨率、视点数目、视点密度等核心参数。

图1 具有复杂深度结构的3D显示内容形成

为了提升裸眼3D显示的编码计算效率，团队利用高效密集视点合成与逆向光线追迹并行渲染的编码算法、多层深度结构和纹理映射的数字断层编码算法，突破了裸眼3D显示技术中视点数和计算效率相互制约的瓶颈，攻克了计算量随视点数提高而快速增长的3D内容实时计算难题。

图2 编码算法示意图。（a）高效密集视点合成；（b）逆向并行渲染

为了实现显示器件与光学结构的精准耦合，团队提出了多周期多重光学单元联合全息功能屏的高效3D控光结构，突破了多重光学微结构与显示器件的精确对位耦合匹配难题，综合提升了空间分辨率、视点数目和视点密度等性能指标，首次实现了100°视角的超密集视点裸眼3D光显示。

以上多项创新技术点彼此关联、相辅相成，突破了裸眼3D显示技术中“空间分辨率和视点数相互制约”和“视点数和计算效率相互制约”两大难点，攻克了“高清晰度、超多密集视点、大视角实时裸眼3D光显示”这一业界难题，形成了 “三维光显控关键技术创新及应用”的创新成果，并在国防、科教、重大政治文化活动、智能制造等多个领域推广应用，效益显著。

结论与展望

团队利用空间体像素构建原理还原了物体在三维空间中的真实光场分布，实现了真三维空间光场重建。后续将进一步解决空间分辨率和视点数目以及计算效率的相互制约问题，实现大视角、无畸变、高效编码的3D空间光场显示。

【课题组介绍】

北京邮电大学桑新柱教授团队，依托于信息光子学与光通信国家重点实验室, 长期致力于智能信息处理、新型光电子技术等方面的研究，其中包括：裸眼三维光显示、视频和图像处理、智能交互与态势感知、光电传感技术、光学非线性效应及应用、特种光纤技术以及新型光电子器件等国内外热点课题。 近年来，承担五十多项国家重点研发计划、国家973、国家863、自然科学基金、北京市科委、北京市自然科学基金等重点项目。相关研究成果发表在《中国激光》、Optics Letters、IEEE Photonics Technology Letters、Optics Express、IEEE photonics journal、IEEE Journal of Display Technology等本领域国内外权威学术期刊上，共发表高水平论文200余篇，申请发明专利70余项，获得软件著作权10项，并荣获北京市科技进步一等奖。