1.2 3D显示技术的类别
3D显示技术就是利用各种光学方法，使人的左右眼分别接收不同的视差画面，然后经过大脑合成而感知到立体效果的技术。不同的3D显示实现方式，形成了不同的3D显示技术。
1.2.1 3D显示技术的分类
根据3D显示实现原理的区别和显示效果的差异，以及支撑光学元件等的不同，形成了类别众多的3D显示技术。
1．根据3D显示实现原理分类
如表1-1所示，根据3D显示实现原理的不同，3D显示技术可以分别归纳为2～3个大类。不同的分类方法之间存在技术方向的重叠。
表1-1 3D显示技术的各种分类方法
为使人的左右眼分别接收不同的视差画面，如果光学处理元件需要佩戴在头部，则称为辅助3D显示技术。辅助3D显示技术只能提供一个左眼视差图像和一个右眼视差图像，是典型的双目立体显示技术。如果光学处理元件直接和显示屏集成在一起，观看者不需要佩戴任何辅助元件，则称为无辅助3D显示技术。自由立体显示技术是典型的无辅助3D显示技术。
人的左右眼分别接收到不同的视差画面后，如果大脑感知到立体效果的深度线索是双目视差，则称为双目视差式3D显示技术，也叫立体显示技术。只有双目视差深度线索的3D显示技术容易让人产生视疲劳。如果在双目视差深度线索的基础上加上单目聚焦功能，这样的3D显示技术就可以改善视疲劳，简称为单目聚焦式3D显示技术。此外，给单只眼睛提供辐辏深度线索，而没有双目视差深度线索的单目3D显示技术，不属于立体显示技术的范畴。
3D显示是用光线空间虚拟现实的物质世界，根据光的波粒二象性原理，如果3D显示光线空间采用光的直线传播性能，则称为光线再现式3D显示技术。绝大部分3D显示技术都是光线再现式3D显示技术。如果3D显示光线空间采用光的波动传播性能，则称为波动再现式3D显示技术。光的波动信息包括振幅信息和相位信息。全息3D显示技术是典型的波动再现式3D显示技术。此外，还可以利用光的波动传播性能，即利用光的衍射原理，形成指向背光，用于光线再现式3D显示技术。
3D显示的光线既有位置依存性，也有方向依存性。根据显示屏幕上发光点的位置信息与方向信息的不同组合，把3D显示分为只有3D位置的体3D显示技术、2D位置与2D方向组合的光场3D显示技术和全息3D显示技术、2D位置与2D位置组合的景深融合技术。在2D位置与2D方向组合中，如果只考虑水平视场方向，就是2D位置与1D方向组合的传统光栅分像技术。
2.3D显示技术具体分类
综合以上四种分类方法，3D显示技术可以细分为图1-5所示的各种具体实现方式。
图1-5 3D显示技术的具体分类
3D显示技术按深度线索分为基于双目视差的立体显示技术和不含双目视差的单目3D显示技术。视错觉3D显示是典型的单目3D显示技术，立体显示技术的显示基础是左右眼分别接收到“大同小异”的视差图像。由于视错觉，3D显示技术的显示效果欠佳，目前仅用于静态3D画，极少用于动态显示。所以，3D显示一般指立体显示。
立体显示技术按照是否需要佩戴辅助设备分为辅助立体显示技术和自由立体显示技术。佩戴眼镜或头盔的双目立体显示技术是典型的辅助立体显示技术。眼镜式3D显示技术和早期的头盔式3D显示技术只能实现双视点显示。目前，基于头盔式3D显示技术发展起来的AR/VR技术，一个重要的发展方向就是实现单目聚焦功能。
自由立体显示技术按照光线的位置方向性分为位置3D的体3D显示技术、位置2D与方向1D组合的多视点3D显示技术、位置2D与方向2D组合的光场3D显示技术和全息3D显示技术。体3D显示技术、光场3D显示技术、全息3D显示技术都能实现单目聚焦功能，属于单目聚焦式3D显示技术。其中，全息3D显示技术属于波动再现式3D显示技术。
多视点3D显示技术包括传统的两视图双目立体显示技术和多视点3D显示技术，由于光线的密集程度不够，所以不足以形成单目聚焦功能。传统双视点3D显示技术主要在适合单人观看的移动设备上使用，观看时容易看到重影，所以要和人眼（头部）跟踪技术结合，扩大观看视角。传统多视点3D显示技术存在3D图像分辨率低、反转区重影严重、用户观看舒适度差等局限性，所以要往密集视点3D显示技术的方向发展。密集视点指视点数不少于28个的裸眼3D显示方式；密集视点在分辨率、弱切变无重影、观看舒适性等方面具有显著优势；随着LCD显示屏分辨率的增加，更多视点数的超密集视点、连续视点裸眼3D显示方式将实现产业化。
多视点3D显示技术可以通过视差光栅等光遮挡型3D显示技术、柱透镜等光折射型3D显示技术或指向背光3D显示技术实现。
3．本书的3D显示技术介绍
本书主要根据图1-5所示的分类方法，详细介绍各类3D显示技术。
辅助立体显示技术中的互补色、偏光式、快门式等眼镜式3D显示技术，作为最早实现产业化的3D显示技术，将在第3章详细介绍。头盔式3D显示技术作为AR/VR中的3D显示技术，将在第11章详细介绍。
多视点3D显示技术是实现自由立体显示技术的基础，在第4～6章分别介绍光遮挡型3D显示技术、光折射型3D显示技术、指向背光3D显示技术。第7章的光场3D显示技术是在多视点3D显示技术的基础上增加了一个垂直视场方向，所以紧随其后加以介绍。接着在第8章和第9章分别介绍体3D显示技术和全息3D显示技术两种自由立体显示技术。
第10章的视错觉3D显示技术作为完整3D显示技术的一部分，供读者学习了解。
3D显示离不开人眼的视觉功能，所以在第2章总体介绍人的立体视觉与3D显示的关系。3D显示的效果要顺应人眼的视觉机理，所以在第12章总体介绍3D显示画质与视疲劳。
1.2.2 各类3D显示技术的优缺点
不同的3D显示技术有着各自的优缺点。
1．单目3D显示技术的优缺点
视错觉3D显示是利用心理暗示深度线索，实现简单的3D显示效果。视错觉3D显示的数据量（信息量）相对较少，所以无法再现复杂的3D场景，3D效果欠佳。
2．双目立体显示技术的优缺点
辅助立体显示属于双视点3D显示，显示屏上只显示一幅左眼视差图像和一幅右眼视差图像，利用辅助设备分离后，使左右眼分别接收左眼视差图像和右眼视差图像，形成3D显示效果。辅助立体显示分为波长分割的互补色式、空间（偏振光）分割的偏光式、时间分割的快门式等眼镜式3D显示。头盔式3D显示属于微显示范畴，通过置于左右眼前面的小尺寸显示屏直接对左右眼提供独立的左右视差图像。辅助立体显示需要佩戴眼镜等特殊设备，辐辏与焦点调节不一致，不能表现运动视差。
两视图3D显示技术与辅助立体显示技术一样，都属于双目立体显示技术，都无法表现运动视差。它们的区别是，前者的分光元件集成在显示装置上，后者的分光元件佩戴在头部。两视图3D显示的观看视角很窄，传统的改进对策是增加视点数。采用人眼跟踪技术，可以实现位置可调的多视点3D显示效果。通过人眼跟踪技术跟踪人的位置变化，从而改变视差图像光强的空间分布，使得左右眼观看到相应的视差图像。人眼跟踪技术增加了观看位置的侦测步骤，但减少了数据量的处理工作。
3．多视点3D显示技术的优缺点
自由立体显示技术中的多视点3D显示技术在显示屏上显示多个视差图像，多个视差图像在空间的一定区域内处于分离状态，当左右眼视差图像处于左右眼分别对应的区域内时，可以融合形成3D显示效果。因为能表现运动视差，人具有一定的观看自由度。除光衍射型3D显示技术属于波动光学范畴外，其他多视点3D显示技术都属于几何光学范畴。
光遮挡型3D显示是通过阻挡空间中某些位置的光实现对应位置的不同视差图像分离。光折射型3D显示是通过光学元件的折射改变光的传播路径实现空间中对应位置的不同视差图像分离。光反射型3D显示是通过光学元件的反射改变光的传播路径实现空间中对应位置的不同视差图像分离。光衍射型3D显示是通过光学元件的衍射改变光强的空间分布实现空间中对应位置的不同视差图像分离。
投影型3D显示分为时分法和矩阵法。时分法是在人眼的反应时间内，在空间中投影出足够多的视差图像，通过定向扩散片使得视差图像在相应区域内实现空间分离。矩阵法是通过矩阵分布的投影仪投射足够多的视差图像到定向扩散片，实现密集视差图像的合成与分离。投影型多视点3D显示的视点水平间距小于瞳孔直径，使人能够感知到平滑的运动视差。
指向背光3D显示通过调节背光的光传播方向来实现空间中不同视差图像的光强对应分布。
多视点3D显示可以省去戴眼镜的麻烦，但依然存在辐辏和焦点调节不一致、分辨率提高困难等问题。采用超多视点3D显示，可以改善辐辏和焦点调节不一致的问题，但是数据量大，装置复杂。
4．单目聚焦3D显示技术的优缺点
体3D显示、光场3D显示、全息3D显示等单目聚焦3D显示技术的一个共同优点是可以解决辐辏和焦点调节不一致的问题，改善视疲劳。
体3D显示以体素为单元，通过物理设备在空间中形成3D图像。在3D空间内，处于相应位置的3D图像的每个体素都会反射出全方位散射光，从而使得该设备具有多人、多角度观看特性。体3D显示接近实物的观察效果，但遮挡困难、装置复杂。
光场3D显示技术通过密集的光线束来近似自然光场，实现3D显示，除水平视差信息外，还提供了垂直视差信息。再现自然光场需要非常庞大的数据，这对显示屏的物理像素数量和分光元件的精细度都提出了非常高的要求。如果只是有限的数据量，则光场3D的观看视角较小。
全息3D显示通过介质记录和再现光波所有的特性，即振幅、相位、波长。理论上，再现的全息影像与真实场景的信息是相同的。全息显示接近实物视觉，能表示垂直视差。但是，动画显示困难，数据量太大，并且需要微米级像素的高分辨率显示屏进行支撑。