VCI - 3: 显示

显示设备

显示设备是计算机图形学和人机交互系统中的关键组件，负责将数字信息转换为人类可感知的视觉内容。

现代显示技术包含多种类型：

• 数码管显示器
• 阴极射线显示器
• 等离子显示器
• 液晶显示屏
• 眼镜
• 光场显示器

二维显示技术

数码管显示器

数码管显示器是早期数字显示设备的重要形式。

原理：

• 用大量发光二极管集成控制显示
• 通过控制不同LED的开关状态形成数字和简单图形

应用场景：

• 资讯发布系统
• 户外媒体大屏
• 体育场馆显示系统
• 室内大型显示装置

阴极射线显示器

阴极射线管（CRT）是传统显示技术的核心，广泛应用于早期的计算机显示器和电视设备。

彩色阴极射线管的结构组成：

1. 电子枪 - 产生电子束
2. 电子束 - 携带图像信息
3. 聚焦线圈 - 聚焦电子束
4. 偏向线圈 - 控制扫描方向
5. 阳极接点 - 提供加速电压
6. 电子束遮罩区隔颜色区域 - 确保色彩准确性
7. 荧光幕分别有红绿蓝荧光剂分区涂布 - 产生彩色显示
8. 彩色荧光幕内侧的放大图 - 详细结构展示

扫描显示技术

光栅扫描显示器

光栅扫描是CRT显示器的标准工作模式，电子束按照固定的模式逐行扫描整个屏幕表面。

随机扫描显示器

随机扫描系统的特点：

• 刷新依赖于显示的线数
• 系统周期地按显示文件中的一组命令依次画出组成线条
• 适合矢量图形的显示

显示参数定义

• 像素（Pixel）：每个可由电子束点亮的屏幕点
• 分辨率（Resolution）：屏幕能显示的像素个数
• 纵横比（Aspect Ratio）：像素列数除以行数
• 帧（Frame）：屏幕所显示的一个画面
• 帧率（Frame Rate）：每秒屏幕刷新的帧数
• 隔行扫描（Interlaced Scanning）：保证屏幕亮度均衡，提高帧率

液晶显示屏（LCD）

液晶显示技术是目前最主流的平板显示技术。

液晶显示原理：

• 利用液晶分子在电场作用下的取向变化
• 控制偏振光的透过率
• 结合背光源实现图像显示

LCD结构层次：

• 背光层
• 偏振片
• 液晶层
• 彩色滤光片
• 薄膜晶体管控制层

有机发光半导体显示器（OLED）

OLED是新兴的自发光显示技术，具有优异的显示效果。

OLED技术特点：

• 有机材料电致发光
• 自发光，无需背光源
• 超薄结构设计
• 高对比度和广色域

像素标准（8K超高清）

显示分辨率的发展历程展示了技术的不断进步：

• 1080P高清：1920×1080
• 4K超高清：3840×2160
• 8K超高清：7680×4320

色域

不同的色域标准定义了显示设备能够表现的颜色范围：

• NTSC：美国国家电视标准委员会
• sRGB：微软、HP联合制定
• DCI-P3：Apple推广的影院标准
• BT2020：4K显示标准
• ARGB：Adobe专业标准

高动态范围成像（HDR）

HDR技术能够表现更宽的亮度范围和更丰富的色彩层次。

超分辨率显示技术 GigaPixel Display

超分辨率显示系统通过多屏拼接技术实现十亿像素级别的显示能力。

立体显示原理

双目视觉

立体显示技术基于人类双目视觉的生理特性，通过视差产生深度感知。

立体显示技术

偏振光3D技术

偏振3D系统使用偏振滤镜为左右眼分别提供不同的图像。

工作原理：

• 使用两台投影机分别投射左右眼图像
• 左右眼图像使用不同方向的偏振光
• 观看者佩戴偏振眼镜，每只眼睛只能看到对应的图像
• 大脑融合左右眼图像产生立体效果

裸眼3D技术（固定视点）

裸眼3D技术无需佩戴眼镜即可观看立体图像，包括：

微柱透镜3D技术

• 在LCD屏幕前放置微柱透镜阵列
• 将左右眼图像分别导向不同方向
• 观看者在特定位置可以看到立体效果

光屏障式3D技术

• 在显示屏前设置视差屏障
• 屏障控制左右眼看到不同的像素区域
• 形成立体视觉效果

3D显示技术

光屏障式3D技术

动态裸眼3D + 眼睛跟踪技术的实现方案：

1. 眼睛跟踪 - 实时检测观看者位置
2. 视差屏障动态改变 - 根据位置调整显示参数

三维显示技术

裸眼3D技术（动态视点，非立体）

这种技术通过旋转投影系统实现360度观看的立体显示效果。

光场显示技术

光场显示技术能够重构完整的光场信息，实现真正的三维显示。

光场相机（Lytro）原理：

• 使用微透镜阵列
• 捕获光线的位置和方向信息
• 支持拍摄后重新对焦

全息投影技术

全息显示是最理想的三维显示技术，基于光波的干涉和衍射原理。

光波场表示：

\[O(x,y) = O_0(x,y)\exp[i\varphi_o(x,y)]\]

其中包含振幅和相位信息。

技术挑战：

• 光强只包含振幅信息：$I(x,y) \propto \lvert O_0(x,y) \rvert^2$
• 相位信息丢失：$\exp[i\varphi_o(x,y)] \equiv 1$

解决方案：

• 用参考光干涉获得相位信息
• 利用干涉记录波前信息
• 利用衍射重现物光波场

全息技术过程：

1. 记录阶段：利用干涉记录波前信息
2. 重现阶段：利用衍射重现物光波场

Haptic Display（力反馈显示）

力反馈显示技术为用户提供触觉反馈，增强交互体验。

应用领域：

• 医学手术模拟
• 工程设计验证
• 虚拟现实交互

Tactile Display（触觉显示）

触觉显示通过皮肤感觉提供信息反馈。

Olfactory Display（嗅觉显示）

嗅觉显示技术为虚拟现实系统增加嗅觉维度。

体感互动（Somatosensory interaction）显示

体感互动技术通过感知用户身体动作实现沉浸式交互体验。

沉浸式3D显示技术

不固定视点（立体）显示

沉浸式3D显示结合双目视觉和位姿定位技术：

实现方案：

1. 跟踪头显 - VR头戴设备
2. 裸眼3D + 眼睛跟踪 - 无眼镜立体显示

头显跟踪

虚拟现实头显技术

• Meta Quest (Oculus)
• HTC Vive

增强现实头显技术

• Microsoft Hololens
• Google Glass

增强现实显示技术

增强现实技术分为两种主要类型：

Optical See-through

• Google Glass - 光学透视技术
• 直接在透明显示屏上叠加虚拟信息

Video See-through

• Apple Vision Pro - 视频透视技术
• 通过摄像头捕获现实场景，叠加虚拟内容后显示

---

本笔记基于北京大学视觉计算实验室陈宝权教授的VCI课程第三讲内容整理