裸眼3D顯示技術(shù)的應(yīng)用探討

宋曉燕，金佳斌，黃火梅，崔鑫儒，梁蔓竹，莫葉伶，梁德成

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院，上海 200025）

裸眼3D顯示技術(shù)運用眼球的視覺差異原理：給左、右眼傳送不同的畫面，當(dāng)左、右眼的畫面在大腦合并時，就能產(chǎn)生立體的視覺效果，無需任何輔助工具[1]。目前，裸眼3D技術(shù)主要分為光屏障式技術(shù)、柱狀透鏡技術(shù)、指向光源技術(shù)和多層顯示技術(shù)。光屏障式技術(shù)實現(xiàn)方法是在背光模組與LCD面板間安置“視差障壁”，該裝置形成的條紋狀光柵能夠?qū)τ^看者的左、右眼進行選擇性阻擋，導(dǎo)致左、右眼看到的畫面不一樣，進而形成立體圖像；柱狀透鏡技術(shù)則是在液晶顯示屏前加了一層柱狀透鏡，使像素被分解后投射到不同的方向，觀看者的雙眼看到不同方向的像素也就形成了立體圖像；指向光源技術(shù)在3D顯示設(shè)備的基礎(chǔ)上搭配了兩組LED并配合高速的CPU，將分別對應(yīng)左、右眼的影像依次快速顯示，再利用人的雙眼視差經(jīng)過大腦對影像信號的處理形成立體影像；多層顯示技術(shù)用一前一后兩個不同的屏幕模擬深度，系統(tǒng)顯示前景與背景圖像時，就能顯示出任意角度的三維圖像[2]。

裸眼3D顯示技術(shù)因為體驗感優(yōu)、舒適性強等特點而得到快速發(fā)展，并促進了許多領(lǐng)域的技術(shù)革新，應(yīng)用前景不可估量?；诖?，本文主要就裸眼3D顯示技術(shù)在教育、培訓(xùn)、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探索，以期為裸眼3D顯示技術(shù)今后的應(yīng)用方向提供一定參考，從而推動裸眼3D顯示技術(shù)的發(fā)展。

1 裸眼3 D顯示技術(shù)的應(yīng)用

1.1 教育方面

1.1.1 基礎(chǔ)教育

與傳統(tǒng)2D視頻教學(xué)相比，3D視頻教學(xué)能更生動形象地展現(xiàn)教授內(nèi)容，提高學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)效率，使課堂教學(xué)效果達到最佳。而裸眼3D顯示技術(shù)的出現(xiàn)和運用，克服了戴眼鏡看3D視頻所帶來的眩暈感和視角受限等缺點。如在地理的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物體的結(jié)構(gòu)組成等一些基礎(chǔ)知識教育中，應(yīng)用裸眼3D顯示技術(shù)可以使學(xué)生對物質(zhì)的空間構(gòu)造和運作原理有更深層次地了解，降低學(xué)習(xí)難度，加深學(xué)生對原理和所必備的基礎(chǔ)知識的記憶和掌握。

1.1.2 實驗教學(xué)

裸眼3D實驗教學(xué)視頻比2D視頻更逼真地呈現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容，減少實驗教學(xué)環(huán)境與真實場景的差異，增強實驗的說服力，提高學(xué)生的體驗感，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更準(zhǔn)確地掌握操作技巧，而且裸眼3D視頻還可以重復(fù)使用，降低成本支出。因此，對于設(shè)備和資源價格昂貴的實驗，教師可以通過相關(guān)的3D視頻在課堂中演示，不僅能使學(xué)生更好地掌握所學(xué)的知識要點，還節(jié)約成本和時間。此外，對于具有安全隱患的實驗，利用3D顯示技術(shù)可以減少各種不確定因素導(dǎo)致的危險。

1.1.3 醫(yī)學(xué)教育

在醫(yī)學(xué)教育中，僅僅依靠課本圖片和2D教學(xué)視頻，學(xué)生是無法細致全面地了解人體和器官的結(jié)構(gòu)組成的。同時，經(jīng)典的“師傅帶徒弟”式臨床學(xué)習(xí)方式受帶教老師專業(yè)水平、學(xué)習(xí)場所條件等因素制約，學(xué)習(xí)效果會大打折扣[3]。然而，若在課堂上利用裸眼3D視頻進行教學(xué)，學(xué)生將會更直觀地認(rèn)識到人體和各器官以及病灶的內(nèi)外部立體構(gòu)造與三維特征，并且無需佩戴輔助工具，方便了師生或?qū)W生之間的互動，不但提高學(xué)生上課的積極性，也節(jié)約了老師講解模型的時間，保證教學(xué)進度與質(zhì)量（見圖1）。此外，裸眼3D視頻資源可以并購到圖書館，作為共享學(xué)習(xí)資源讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并且還可以設(shè)立專門的裸眼3D學(xué)習(xí)教室，用于特殊教學(xué)。

圖1 上海理工大學(xué)宋曉燕副教授團隊研發(fā)的“基于裸眼3D顯示的醫(yī)學(xué)教育、培訓(xùn)與臨床顯示系統(tǒng)”

1.2 培訓(xùn)方面

培訓(xùn)一般以實地觀摩教學(xué)為主，但由于人眼視覺、場地等條件受限，受訓(xùn)者很難全方位觀察到操作的詳細情況。若使用裸眼3D技術(shù)，將老師的實操過程拍攝成視頻或在線直播，受訓(xùn)者可以通過3D影像從任意角度觀察，“身臨其境”地學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

如在微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)中，平面的手術(shù)操作影像無法使觀看者準(zhǔn)確把握切割位點和病灶信息。利用裸眼3D技術(shù)將醫(yī)生手術(shù)過程通過立體影像投射出來，受訓(xùn)者便可通過觀看3D影像了解手術(shù)過程和病灶信息，然后進行學(xué)習(xí)。培訓(xùn)過程還可以通過“互聯(lián)網(wǎng)+裸眼3D顯示”的方式，采取直播觀看和在線點播相結(jié)合的方式進行培訓(xùn)，減少了人數(shù)過多、空間過小及手術(shù)室無菌原則等對培訓(xùn)的影響，還能使更多基層地區(qū)和不同需求層次的人獲得公平共享的學(xué)習(xí)機會，有效解決醫(yī)療資源分布不均的問題[4]。與此同時，實訓(xùn)生可以通過實時傳輸或者錄制的裸眼3D影像，實現(xiàn)足不出戶考察多個工廠或醫(yī)院等實踐場地的目標(biāo)，也方便老師對實訓(xùn)生進行管理，還能克服實訓(xùn)地點遙遠或者經(jīng)濟條件有限等困難。

1.3 醫(yī)療方面

1.3.1 診斷輔助

在醫(yī)學(xué)會診和遠程診斷中，醫(yī)生都需要借助醫(yī)學(xué)影像來獲取病人的相關(guān)信息，以此對患者的病情做出全面細致的思考和分析，從而獲取正確的診斷和制訂治療方案。因此，讓醫(yī)學(xué)影像最大化地反映實物顯得尤為重要。目前的醫(yī)學(xué)影像大多通過普通的2D平面顯示器呈現(xiàn)，對病灶區(qū)域的表現(xiàn)力不足，無法真實地展示病情，不利于醫(yī)生從各個角度觀察病灶，容易誤診。裸眼3D顯示技術(shù)能將病灶部分的具體三維結(jié)構(gòu)逼真地展示在醫(yī)生眼前，同時免去佩戴3D眼鏡的麻煩，更方便交流互動。對于遠程會診，裸眼3D顯示技術(shù)與5G技術(shù)的配合使用，能實時傳輸會診視頻，3D的立體效果又讓每位醫(yī)生有親臨現(xiàn)場之感，有助于進行診斷，能夠提高醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確性和效率。

1.3.2 手術(shù)輔助

醫(yī)生在進行微創(chuàng)手術(shù)時，需要觀看醫(yī)學(xué)影像了解人體內(nèi)情況。2D影像不利于醫(yī)生準(zhǔn)確把握患病部位的定點切除和治療，有可能導(dǎo)致手術(shù)的失誤。裸眼3D技術(shù)可以通過立體影像的投射，很好地展示患者的病灶信息，方便醫(yī)生進行手術(shù)定位，直接抵達病灶進行治療，避免手術(shù)操作對其他重要生理結(jié)構(gòu)的損傷，從而縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)的精確性和成功率，實現(xiàn)直觀手術(shù)引導(dǎo)，同時也提高了醫(yī)生觀看的便捷性和舒適性。因此，利用裸眼3D顯示技術(shù)進行手術(shù)輔助特別適用于口腔、腹腔、胃腸等需要借助醫(yī)學(xué)影像進行操作的手術(shù)。

1.3.3 治療輔助

立體的3D影像能使人沉浸于虛擬場景之中，對人的知覺與感覺產(chǎn)生一定的影響。因此，利用裸眼3D顯示技術(shù)可以對一些受場景影響較大的疾病進行治療，如精神疾病的診斷和治療。精神疾病鑒別診斷要結(jié)合身體檢查和具體的知覺、情感、意志行為的表現(xiàn)，有些精神病患者在生活中的表現(xiàn)與常人無異，但在特定場景下受到刺激就會導(dǎo)致病發(fā)，如強迫癥、狂躁癥等。因此，我們可以利用裸眼3D顯示技術(shù)虛擬場景，輔助精神病人的診斷和治療。當(dāng)然，還有很多疾病或者身體問題可以通過裸眼3D顯示技術(shù)制造場景來輔助治療，如近視眼、術(shù)后康復(fù)等。

1.4 工業(yè)方面

1.4.1 機械維修

當(dāng)高精深的儀器和設(shè)備損壞時，修理師需要借助顯微鏡對其復(fù)雜而細微的結(jié)構(gòu)進行修理。傳統(tǒng)的顯微鏡只能看到平面圖像，對于需要準(zhǔn)確定位和判斷故障的修理不利。如果通過裸眼3D顯示屏幕來觀察需要修理的部位，立體真實的效果更有助于故障的排除和判斷，提高修理的效率。如納米機器人的維修、機械鐘表的維修等。

1.4.2 工作輔助

裸眼3D技術(shù)可以應(yīng)用于3D內(nèi)窺鏡設(shè)備的研發(fā)，不僅能對彎曲管道深處探查，觀察不能直視到的部位，還能在密封空腔內(nèi)觀察內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，實現(xiàn)遠距離觀察與操作，從而準(zhǔn)確地觀察物體內(nèi)表面的真實狀況。這一技術(shù)，可以用于汽車、航空發(fā)動機、管道、機械零件等的開發(fā)設(shè)計和無損檢測，還可以應(yīng)用于建筑設(shè)計和制造等。

1.5 其他方面

在文化展示方面，如在博物館、康養(yǎng)文化館內(nèi)運用裸眼3D技術(shù)展示內(nèi)容，更能使遨游其中的人體驗到文化的熏陶。在餐飲領(lǐng)域，裸眼3D菜單讓客人能更直觀、清晰地了解每道菜的大小和狀態(tài)，增強顧客的體驗感。在人工智能方面，機器人家庭醫(yī)生很有可能在未來普及。應(yīng)用裸眼3D技術(shù)的機器人可以通過網(wǎng)絡(luò)將主人病情的具體情況傳送給醫(yī)生，通過立體的影像，醫(yī)生能更準(zhǔn)確地了解到病人的身體情況，以此決定治療措施，這給行動不便的老人提供了便捷，避免了路途奔波和醫(yī)院排隊的麻煩。在閱讀方面，裸眼3D顯示的閱讀器使讀者在翻頁時有看紙質(zhì)書的感覺，同時閱讀器還能針對老花眼和近視眼自動調(diào)節(jié)文字模式，避免了戴眼鏡的煩惱。在健身方面，受天氣約束或者喜歡在家鍛煉的人可以通過裸眼3D展示的健身教學(xué)視頻，實時直播健身，其他人可以通過觀看互相交流心得、相約鍛煉。在服裝方面，只要把每種服裝和不同體型的人穿上的效果的視頻錄入裸眼3D顯示器，顧客就可以根據(jù)顏色和體型的需要點擊相關(guān)的視頻進行3D立體播放，從而更直觀地了解服裝的效果。這適用于不能試穿的服裝店，不但節(jié)約試衣間的安裝空間，還能吸引顧客。

此外，關(guān)于裸眼3D顯示技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多，這里就不一一贅述，但是它必將成為未來人類社會必不可少的一項技術(shù)。

2 裸眼3 D顯示技術(shù)的發(fā)展

裸眼3D顯示技術(shù)目前還存在著分辨率較低、制作成本高、可視角度和距離小等缺點，因此，未來仍需要在以下三個方面對裸眼3D顯示技術(shù)進行改進和創(chuàng)新。

首先，我們要培養(yǎng)技術(shù)開發(fā)人才，充分發(fā)揮大眾的智慧。因此，政府可以通過適當(dāng)增加對各高?；蚱髽I(yè)相關(guān)技術(shù)研發(fā)經(jīng)費的補貼，企業(yè)可以對研發(fā)人員實行合理的獎勵機制，各高校需要通過舉辦比賽或者科普知識等方式來激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，以此培養(yǎng)行業(yè)領(lǐng)域3D技能人才，滿足發(fā)展的需求。同時，鑒于大眾對裸眼3D技術(shù)地了解程度較低，還需要推廣并促進裸眼3D顯示技術(shù)地應(yīng)用，讓人們體驗到裸眼3D顯示技術(shù)的優(yōu)越性。

其次，我們要豐富裸眼3D視頻資源，加強相關(guān)硬、軟件的建設(shè)。由于裸眼3D顯示技術(shù)還沒有大規(guī)模投入使用，所以我們目前具備教學(xué)、培訓(xùn)價值的裸眼3D教學(xué)視頻有限，需要繼續(xù)擴大教學(xué)資源庫的建設(shè)。同時，裸眼3D技術(shù)在我國還處于研發(fā)的初步階段，對于3D技術(shù)可視化表達、相應(yīng)支持工具、展示工具及播放平臺的研究尚顯不足，且隨著用戶對體驗感要求的提高，裸眼3D視頻的分辨率、刷新頻率、色彩度等所帶來的數(shù)據(jù)越來越龐大，未來幾年應(yīng)加大軟、硬件的開發(fā)，以便更好地服務(wù)于教與學(xué)[5]。

最后，我們要開發(fā)新型顯示材料，探索新型顯示方式。我們可以通過開發(fā)新型顯示材料，降低裸眼3D技術(shù)的應(yīng)用成本，提高立體影像的分辨率和可視角度及距離，還可以從新的角度探索裸眼3D技術(shù)，摒棄目前主流的雙目視差的實現(xiàn)方式，在物理空間上真實呈現(xiàn)3D立體特征，或者直接繞過眼睛得到視覺信息這一環(huán)節(jié)，從腦信息層面實現(xiàn)3D立體的視覺感受[6]，有助于提升顯示效果和體驗感。

3 結(jié)束語

不管是遠程操作，還是近處觀察，裸眼3D顯示技術(shù)以其巨大的優(yōu)越性，將在教育、培訓(xùn)、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。但是，裸眼3D顯示技術(shù)目前分辨率低、成本高和可視角度及距離小的問題還有待解決。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，未來必將突破現(xiàn)有的瓶頸，提高裸眼3D技術(shù)在人類生活中的應(yīng)用。