童月恒 TONG Yueheng武汉理工大学，武汉430070 （Wuhan University of Technology ， 430070 Wuhan）

10真三维显示技术在景观环境实时表现中的应用展望*

童月恒 TONG Yueheng
武汉理工大学，武汉430070 （Wuhan University of Technology ， 430070 Wuhan）

真三维显示具有真实感的数字景观场景，观察者以裸眼即可看到高清晰的立体图像，而能产生身临其境之感。该技术能够展示一个最接近客观现实的立体画面，符合人们观察世界的真实感受。基于现有景观环境设计采用二维屏幕实现三维图像显示技术的局限性，研究探讨了将真三维显示技术应用于景观环境实时表现中的可行性和技术性优势，进而指出真三维显示技术在景观环境实时表现中实际的应用场景和应用价值。

真三维显示技术；景观环境；实时表现；应用展望

一、引言

现有景观环境的渲染或演示技术，一般采用平面显示或视差立体显示装置作为观察平台。平面显示图像在深度信息数据获取方面存在缺陷，无法直接表达组织结构与空间结构［1］；视差立体显示通常需要人佩戴眼镜观看，此种显示方式存在的缺陷是：长时间观看会让人产生一定的眩晕感，图像水平与深度的显示比例容易失真，立体视区之间存在着一定的互扰，最佳视点偏少，获得垂直视差亦很困难，无法实现360°环视［2］。其现有视差立体显示成像系统则存在着再现深度小、视场角度小和成像范围小等诸多难以克服的技术瓶颈，无法满足三维显示技术在实际景观环境实时表现中的诸多应用需要。为了弥补平面配图的缺陷，在实际的景观环境实时表现应用过程中，通过配备实物模型以帮助表现景观环境的实时状况，不仅需要花费大量的时间与费用，而且携带困难。此外，根据实际需要对实物模型进行即时修改的难度也很大。

在现有的航空交通管制、军事战术和战略战场的显示与重现、医学诊断等应用领域，三维信息往往是结构性的——即视觉上属于三维结构，也可说是数值性的超多维数据。现有三维显示技术容易丢失第三维信息，无法显示具有真实空间感的三维立体图像［3］，只能够算得上是“伪三维显示图像”。而真三维显示技术则能够克服传统三维显示技术的局限，满足观察者身临其境的感觉，成了当今最佳三维显示技术的解决方法。真三维显示通过特有方式激励体内部介质，产生可见光辐射而形成体像素。这些分散在三维空间的体像素相互关联构成三维立体图像，观察者无需配戴任何立体眼镜，就能看到一种带有深度信息的视差图像，即真实的三维立体图像。

真三维显示的图像确实是存在于真实三维空间，能展示一个最接近于真实物体的立体图像，符合人们观察世界的真实感受，满足所有对于观察者所需要的生理与心理上的深度暗示［4］。通过真三维显示系统可以进行全角度裸眼观看［5］，较之现有的视差立体显示技术，真三维显示图像更接近于最终的显示目标。真三维技术通过特有的三维显示器就可以直接显示三维图像，从多个角度直接观看物体，类似于直接观察身边鱼缸中游动的金鱼。该技术展示的三维立体图像既有心理景深又有物理景深。随着科技水平的不断提高，现有真三维显示技术逐步实现了大尺度、高分辨率、全彩色、高亮度、实时显示和人机交互的功能，已经能够满足景观环境实时表现所需要的全局化、全维化、智能化和透明化等技术方面的要求。

二、真三维显示技术概述

图1　真三维显示系统原理图

1.真三维显示的概念及原理

按显示原理，真三维显示可以分为静态体显示和扫描体显示。静态体显示在一个相对固定的空间中产生体像素，主要采用红外转换方式。该系统中所使用的较高功率的红外波段激光会对眼睛带来一定的伤害，限制了其应用的范围。基于体扫描的真三维技术则主要依靠机械结构的周期性运动来产生体像素。图1左为基于旋转LED （Light Emitting Diode）阵列真三维显示系统原理图，图1右则为基于光扫描旋转面的真三维显示系统原理图［6］。体扫描使用可见光成像，对眼睛无伤害，除扫描机械的结构限制外，体扫描空间尺寸不受其它因素制约。真三维成像除了和本文引言部分所述一般的三维成像不同之外，与现有的幻影成像与伪全息成像也有本质的区别。幻影成像和伪全息成像通常采用简单的光学原理获得影像浮空，都不能呈现立体画面，而真三维成像能在空间上重构三维数据的实像，可在水平360°和垂直180°的位置进行观看。

2.真三维显示技术的国内外研究现状

真三维显示技术是当今国际信息电子产业的最前沿热门研究方向之一。自从 20 世纪 40 年代以来，人们就提出了关于真三维显示技术的设想，并不断尝试制作一些真三维显示装置，然而由于技术的限制一直没有多大的进展。21世纪以来，由于激光、电子、计算机、信息等技术的高速发展，许多国家开始在真三维显示技术方面投入了更大精力的研究，如美国、德国、日本、韩国和中国，都获得了相当大的进展，其中尤以美国和德国取得的成果最为显著。如美国斯坦福大学的3DTL实验室（3D Technology Laboratory）率先研究出基于红外激光二极管的真三维立体显示系统［7］；美国的Actuality Systems公司开发出一种基于平面旋转屏和高帧频单投影机的360°可视的真三维显示系统，通过对扫描体数据的重建技术获得真三维图像，该系统可以显示逼真的 3D 图像［8］；德国布伦瑞克工业大学的飞行器导航和控制所研制出旋转面球状显示的真三维系统FELIX和FELIXH，已将其应用于飞行器的CAD/CAM设计之中［9］。

近年来，国内的浙江大学、中国科学院自动化研究所、华东师范大学、南京航空航天大学、上海大学、长春光学精密机械与物理研究所等单位都对真三维显示技术进行了较为深入的研究，该技术正在走向成熟，并获得了部分成果。浙江大学致力于基于 LED阵列的旋转式三维显示技术的研究，并在体素生成、图像彩色显示等关键技术上取得了巨大进展——图1左图为浙江大学研制的基于旋转LED真三维显示装置，体显示空间达292×165mm3，体分辨率达64×256×512，1 bit灰阶；中科院自动化所研制出了高帧频投影机和螺旋屏的真三维显示装置；北京理工大学也成功研制出基于多投机旋转屏的真三维显示系统；南京航空航天大学和中国科学院自动化研究所共同研制出如图1右图所示的基于光扫描旋转面的真三维显示Helix-3D样机。

真三维立体显示器的出现是三维显示技术的又一次飞跃，它摆脱了视野的限制，真实地再现物体，观察者如同置身于真实物体之前，这样的视角效果正是许多领域所需要的。美国宇航局（NASA）将具有真实物理深度和全视景观察的真三维球状显示技术应用到航空、宇航和地球科学等研究领域；美国 SPAWAR（The Space and Naval Warfare）系统中心将真三维立体显示器应用于空中交通管制和潜水艇导航；在医学方面，美国的Johns Hopkins Hospital 和 Georgetown University研究利用真三维显示技术来诊断癌症。随着真三维技术发展和社会对大容量复杂信息要求的提高，真三维技术成果在医学诊断与手术、军事战场环境、空中交通管制、教学演示等领域都得到了推广应用。在医学领域，利用真三维立体显示技术可以清楚的从各个方位观察身体器官，并且对感兴趣的区域可以进行分割，单独专门对其显示，使医生诊断更为准确；在微创手术方面，使用真三维显示器显示立体图像，则可以使医生了解待手术部位的细微状况，从而准确进行手术，提高手术的成功率；在军事领域，战场可视化技术已经成为影响现代战争结局的关键性技术之一。真三维显示技术更能准确地模拟当前的战场环境，指挥员能够多角度、多层次最大限度地了解战场环境，有利于指挥作战；在空中交通管制系统中，真三维立体显示器可以用来补足两维雷达显示器在安全紧急观察任务中所需要的性能；在科教领域，真三维显示技术能够达到通过实物模型进行讲解的类似效果。此外，人们还开始尝试将真三维立体显示技术应用于广告、娱乐等方面。

从国内公开的现有研究成果来看，真三维显示技术在建筑与环境设计这一对三维立体图像应用较多的领域却还没有得到应有的重视，所以未能得到深入的研究或者是推广与使用。究其原因，可能是建筑领域相关技术人员对真三维图像显示技术发展状况和应用前景缺乏了解。因此，将真三维显示技术介绍给建筑与景观环境设计等领域的相关技术人员，让他们了解真三维显示技术并切实将其用于建筑与景观环境领域中，对推动建筑与景观环境艺术设计的信息与商业化发展具有不可低估的意义。

三、真三维显示技术应用于景观环境实时表现中的可行性

1.真三维显示技术的可视化过程

真三维显示以复杂的光学系统及相应的控制算法为基础，在真实三维空间中再现三维物体上各点的位置和光强信息；真三维立体显示以适当方式激励位于透明显示体积内的物质，利用可见光辐射的吸收或散射形成体素，当体积内许多方位的物质都被激励之后，便能形成由许多分散体素构成的三维图像［10］。这样的图像浮现在观察者所在的真实三维空间中，可多人、多角度、同时和裸眼观察，且无需任何的助视仪器，符合人类在视觉观察及深度感知方面的自然生理习惯。各点组合出三维物体的真实形貌，使观察者产生强烈的真实感，从而形成真实的具有丰富深度信息的三维视觉。真三维立体显示技术利用屏幕的旋转和光投影等技术，将原来的一个个二维图像合并成一个有真实立体感觉的三维图像，使之看起来和真实物体没有任何差别。不仅能提供其他显示技术中的心理景深，而且还能提供真正的物理景深，可以直接观察到具有物理景深的三维图像。总而言之，真三维立体显示技术图像逼真、具有全视景和实时交互的优点。

因此，这种全新技术可以应用于与图像处理和图像显示有关的诸多领域。需要肯定，基于真三维显示的可视化系统在景观环境实时表现中具有巨大的潜在优势。

2.真三维显示在景观环境实时表现中应用的可行性及技术优势

真三维显示系统能演示静态和动态景观环境模型，呈现的虚拟物体具有较高的图像分辨力，具有较大的显示体积，支持人机互动。真三维立体显示不受二维显示平面的限制，能够在三维空间中显示具有物理景深的三维立体图像。真三维显示技术可在空间绘制模型图像，利用此技术能够将三维影像代替二维视图，快速高效地展示更加直观准确的信息，比如在景观环境设计中即时展现景观环境模型的分解、组合、展开和投影等过程［11］。真三维显示技术可以即时展示模型的表面和内部结构，具有很强的感染力和表现力。基于此等优势，可以将真三维显示技术应用于景观环境设计即时表现中，如此就能够展示出具有真实感的景观环境场景，进而获得如下的效果。

（1）对景观环境全景图像信息予以精确表达；

（2）通过细化、放大，从不同维向了解设计对象关键区域范围中的全维化图像信息；

（3）通过安装不同类型的图像传感器从多个角度观察景观环境，并利用真三维显示操作系统方便多维度的切换功能显示景观环境，利用数据挖掘和图像处理等智能手段，对高信息量的三维原始图像进行分析、处理，实现景观环境的在线修改及互动；

（4）真三维显示技术所特有的物理景深可供多人观察的三维表达方式，能使观察者不会产生视觉偏差；

（5）通过一系列的智能化图像信息处理，最大限度地将图像信息转化为设计判定依据；

（6）可以提高设计者的效果和效率。后期使用真三维立体显示技术进行仿真也可以获得更加直观的图像静态和动态性能的仿真结果；

（7）实现无偏差和透明化全程图像信息，通过可视化系统，达到如同身临其境般的观察体验景观设计效果。

由此可见，真三维显示技术在景观环境实时表现中有着巨大的潜在技术优势，是目前其它可视化技术无法比拟的。故而将真三维技术应用于景观环境实时表现既有可行性又具有极大的应用前景。

四、真三维显示技术在景观环境实时表现中的应用前景

目前，基于三维可视化技术的三维景观设计，大多采用CAD与数字模型方法进行设计，在AUTOCAD环境下，生成景观环境的三维工程模型，并在三维图形软件平台下进行渲染和应用动画等景观表现手段的设计［12］。而设计单位的常规做法是将设计过程中获得的平、纵、横数据，经过专业的软件（如3DMAX）处理后得到景观环境模型，然后再通过添加数字环境模型与景观，实现景观环境的三维显示［13］。即便如此，这种伪三维显示设计需要专业的三维图形技术人员的工作才能完成，而且在模型制作过程中离不开非常精细化的手工操作，当设计数据需要作丝毫修改和调整时，相应的三维效果图必须推倒重来，这种重复工作造成了很大的人员、时间和经费的浪费，极大地影响了工作效率。

随着真三维显示技术的发展与成熟，利用真三维显示技术对景观环境进行实时三维可视化表现已成为可能［14］。现有的真三维显示系统由图形工作站、嵌入式真三维数据转换单元、真三维显示屏幕装置、空间光学控制单元等构成。为了适应景观环境的复杂度与表现真实度的要求，通过人机交互平台，将采集到的二维信息经过计算机辅助设计，再经真三维图形处理器进行相关运算，通过控制系统，转变为可投射的真三维图像所需格式直接传送给投影机系统进行光学投射，即可实现真三维立体显示。该系统既可进行多人、全角、裸眼立体观看，也能够实现与真三维显示器中的三维虚拟物体进行人机交互，便于设计方案的及时修改。其中，真三维数据转换器从图形工作站获取原始图像数据，通过转换器硬件进行原始图像的图像分割、三维建模和真三维采样，通过嵌入式硬件算法来响应空间光学触控器传送的指令信息，最后把校正后的位置信息传递给真三维数据转换器。采用OpenGL （开放性图形库）与ODI （图像数据接口）来处理立体图像数据信息，并经过编译器与代码的优化和开发，获得一种具有高度智能化的应用软件［15］。在设计软件结构，开发流程与界面，不同类型模型的读取方面相对容易。因此，该图像处理技术对于相关景观环境设计领域的技术专业人员相当适用。真三维显示技术在景观环境实时表现中可以应用在如下场合。

（1）建筑规划方面。基于真三维显示技术在交互性、实时性和立体性的优势，可以开发超越传统表现方式的创新性信息交流界面，使设计者不仅可以亲身体验真实的三维空间，还可以实时对三维场景进行修改调整，也可进行信息搜索和其他多媒体信息的集成应用等。应用真三维显示技术能够为规划方案的比较推敲、思想内涵的扩展、设计特点突现和其他相关信息的展示提供一个绝佳的应用平台［13］。观察者通过与虚拟建筑规划方案的场景及现实的交互作用，生动的体验建筑规划的整体环境，获得更加完美的建筑规划设计。

（2）景观与环境设计方面。设计者通过人机交互，使之置身于虚拟的设计方案场景之中，体会身临其境的感觉，并且实施交互，可以更加直观地亲身感受自己的景观与环境设计方案，找出其中的不足与隐患，最终将景观设计的特点充分展现出来［16］，特别是在小区景观设计的应用领域具有非常好的发展前景和发展空间。

（3）景观环境的实时展示方面。用户通过接收和感受真三维显示景观与环境的各种感官信息，与其中虚拟的人及事物进行互动和思想交流，使用户有身临其境的体会［17］。观察者能够进行360°全视角观察，在多维信息空间上构建一个开发虚拟的信息环境，让用户具有与环境完善的交互作用，产生身临其境的沉浸感，并有助于加深体验，实现真实三维环游［18］。

（4）建筑产品推介、建筑以及环艺教学等方面。三维显示在建筑领域的商业销售方面以及教学方面都有比较广泛的应用前景。在小区销售中，真三维显示技术通过设计景观真三维显示能够为广大客户提供更方便、更快捷的传播产品信息的方式［19］。观察者能够通过真三维显示系统实现在虚拟小区景观中的行走、参观，而且还是在任意角度、任意光线的条件下，这样的表现方式彻底打破了传统的被动观察、无法互动交流等方式的局限性，为观察者带来了许多从来没有体验过的真实感和现场感。同样，该技术在教学方面也可以增加受教育者的学习兴趣，提高其理解能力。

五、 结论

针对真三维显示的技术特点，结合国内外利用该技术在医学诊断、军事战场环境等少数领域所取得的初步应用成果，根据景观环境实时表现中对图像显示信息技术的要求，最终可以得出：真三维显示技术在景观环境实时表现中具有广阔的应用前景。可以将该技术应用于景观环境实时表现的三维可视化设计、展示漫游和交互操作等方面。相信该技术的应用能大大减少设计建模的工作量，对景观环境三维建模技术的发展起到重要的推动作用。

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Application Prospect of Real 3D Display Technology on Landscape Real-time Performance

Real 3D display technology can display realistic digital landscape scene for the viewer to see high-defi nition 3D images with naked eyes and have an onsite experience. It displays a most real 3D picture to enable a true experience. Present technology is limited by the use of on 2D screen to display 3D images. The paper studies the feasibility and technical advantages of applying the real 3D display technology to the real-time performance of landscape design， and points out its potential application prospect in the real-time performance of landscape design.

real 3D display technology；landscape environment；real-time performance；application prospect

J0-05

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.02.010（0062-06）

2016-03-30

2015年度国家大学生创新训练计划项目（20151049716001）。

童月恒，武汉理工大学艺术与设计学院本科生。