丁守谦:非近轴光学让中国人讲自己的3D故事

2018-01-12 09:18

丁守谦,这位电子光学出身、勤于实干的老教授,从1990年退休,不甘赋闲养老,立下了“让立体像像立体声一样走进千家万户”的宏愿,放弃了走激光全息的高精尖技术路线,开始针对3D信息的显示与获取两个薄弱环节,不用传统的傍轴光学。另辟蹊径,而探索出一整套非傍轴光学(Non-ParaxialOptics)成像的新路。


丁守谦教授近二十多年来一直在思索:随着3D在各个历史时期的几起几落,原因何在?特别是随着阿凡达立体电影在世界各地的热播,2010年被称为3D元年,各地掀起了一股3D的热浪,仅过了4年Facebook以20亿美元之巨收购了Oculus,于是又掀起了一轮VR(虚拟现实)及AR(增强现实)的高潮,各种头戴式的VR设备应运而生,2015年国内的VR厂商蜂拥而上,大多是在此基础上进行仿制,这些同质化产品可以统称为手机盒子。但在2016年第三季度开始,逐渐出现VR寒冬,据报道原有的200多家厂家已倒闭70%,分析其原因主要是3D显示不过关,清晰度不高,放大过度,马赛克明显,观看不久就头昏目眩。基础不牢,终将坍塌。

究竟怎样的3D图像才能被大众喜闻乐见,而且又是现时能实现的?丁守谦教授是我国第一批接触电子光学的人,对成像理论能从更高更阔的视野进行考察。经过艰难的求索,最终导出和高斯理想成像相类似的公式,建立了一套有别于原高斯光学的完整成像体系,叫非近轴光学,也可像欧几里得几何和非欧几何一样,叫非高光学。丁教授近二十年来一直沉迷于立体显示的研究,寻找到一种最便捷的方法,而又能保证图像在这一过程中不遭遇任何损伤。自此以后,益发不可收拾,据此新原理,引发了一系列的发明,讲述了中国人自己的3D故事。

《通信产业报》:您所提出的非近轴成像理论与高斯光学有何不同?为什么说是对高斯光学的重新定义与进一步发展?

丁守谦:传统的光学成像理论无论是光线光学或电子、离子光学都是基于近轴光学(ParaxialOptics),专门研究旋转轴对称透镜的对称轴附近一些理想成像法则,于1841年由德国科学家C.高斯建立。所以又称为高斯光学。所谓近轴条件,指的是光线与旋转对称轴的夹角α的正弦值可用角值(单位为弧度)代替,即sinα≈tanα≈α,cosα≈1。人眼观看时,总是对准旋转轴对称透镜的对称轴,例如显微镜、望远镜等。我所提出的非近轴光学是一块未被开垦的处女地,专门研究离轴较远的光线成像的规律,人眼不是对准这种旋转对称轴而是在偏离一定的距离处进行观看,此距离称偏心距,观看时发现这些经放大的像整体进行相应的位移而并不破坏图像的完整性,并从理论证明这种非近轴光线的成像也满足类似于高斯光学的一些法则,但非近轴光线的焦点(Focus)需重新定义(不是对高斯光学的重新定义)。当偏心距逐渐趋于零时,即回到高斯光学。所以与高斯光学并不矛盾,而是对其扩充,正如欧几里德几何与非欧几何一样,前者是研究平面上的几何学,后者是硏究曲面上的几何学。当曲面逐渐趋成平面时非欧几何就与欧氏几何一致。

《通信产业报》:为什么非近轴光学移位法远优于现有各种方法?其试制产品成像质量优于国外同类产品?

丁守谦:我正是利用这一特性另辟蹊径提出3D纯光学移位合成法,即通过左偏心透镜对原始采集的左眼像在虚像空间放大后向右移,而右眼像经右偏心透镜在虚像空间放大后向左移,使在成像位置彼此进行无损重合,由此做出的各种立体观像器不改变原显示器左右眼图像的亮度、清晣度、灰度等级、对比度以及色彩饱和度,又无串扰、闪烁,从而看出完美的栩栩如生的立体像。我据此做出了多个样机,就成像质量而言优于现在流行的各种方法如用液晶快门、偏振片做成的3D眼镜,也优于用隔离光柵或柱镜光柵制成的裸眼3D,及其他类似的各种立体显示器。这一新理论等于在实践上得到证明。一种理论最好能找到它的实用价值才会显得更有意义,正如黎曼几何(它本身就是一种非欧几何)在爱因斯坦的广义相对论中得到应用才显得更有价值。

《通信产业报》:您所设计的个人立体影院是如何做到“随手找来快递箱和双面胶,呈现让所有专业人士惊讶的3D效果”的?

丁守谦:搞发明创造的一定要勤于动脑善于动手,应充分利用身边现有素材来搭建你的样机。该精确的就应当精确,例如透镜本身,就应请专门磨制人员按你的设计来做,设计理论应当先进,制造应当精准,其他的盒体结构就用快递纸夾及双面胶就可以了,而且易于改进设计,达到最佳状态。我记得世畀上第一个光谱仪就是用废的洋铁烟盒做成的。作为一个发明家动手能力是十分重要的必备因素。

《通信产业报》:在您的个人立体影院设计中为何采用两部手机的双屏设计?

丁守谦:我们先从一块16:9格式的显示屏说起。将一个标准格式的16:9左、右眼像并排地放在这个手机显示屏上,可算出左眼像(L)及右眼像(R)各自只占全屏面的1/4,屏的1/2即一半被浪费(图1a)。


图1.(a)左眼像及右眼像各自只占全屏面的1/4(b)双屏时L,R占满全屏


图2.高清晰双侧屏的个人立体影院(A)原型(B)改进型(C)原理图

如果采用两块屏将左、右眼像分别布满在整个屏上(图1b),并位于互成90度的V型平面镜的两侧(图2C),这时在它的前端形成重叠了一部份的左、右眼虚像,再用偏心透镜使左、右虚像放大并发生偏移使完全重合在前端设定的成像位置上。这是目前最易达到最高成像质量的立体观像器。它具有8大优越性。这是因为单屏如要达到和双屏同样大小的立体像,则X方向及Y方向各需放大2倍,根据像差理论可知其产生的畸变将为2的三次方即8倍,彗差将为2的2次方即4倍,而像散和场曲是2的一次方即2倍。因此:(1)双屏比单屏具有图像最佳的优越性。(2)亮度将增大一倍。(3)合成立体像的可调因素增多。(4)可实现即拍即看。(5)性价比高,风格独特。(6)系统无需更动,其分辨率隨显示屏分辨率的提高而提高。(7)属准裸眼系统,无需戴专用的立体眼镜即可直接看出栩栩如生的立体像。(8)完全满足获得理想立体像的5条件:

(i)首先必须有按照拍立体像的一定规范拍得的完美的左、右眼平面像;

(ii)务必使左眼像及右眼像在眼睛前方的某一合适成像位置完全重合,否则形成不了立体像;

(iii)还要保证左眼只能看到左眼像,右眼只能看到右眼像,否则会产生串扰;

(iv)在将左眼像及右眼像合成立体像的过程中,不得降低原平面像的清晣度、彩色饱和度、亮度、对比度、灰度等级。图像稳定,不得闪砾。

(v)如对原像加以放大,应使其产生的像差保持在人眼察觉不出的范围之内。

因此这种双屏立体观像器特别适合对3D图像质量有最为严格要求的场合。也能满足人们对更高层次艺术审美情趣的追求。同时也是一种高档三维显示的公用平台,可和VR、AR、MR、教育、交通、建筑、军事、游戏等进行完美的结合。

《通信产业报》:针对目前手机设计中的双摄、四摄等外观及成像,您有什么建议?

丁守谦:目前手机设计中的双摄都是将两个摄像头放得十分靠近,不是真正用于拍摄立体,而是一个用于拍彩色一个用于拍黑白。再用图像处理来虚化背景而增强些立体感。用此来达到单反相机能达到的效果。这就使人感到有些困惑。明明用两个摄像头使其相隔为人双眼相隔的距离约65mm(这对一部5.5吋~6.0吋的手机是很容易做到的)就可以获得真正的立体像,为何却舍本逐末呢?这方面我将在此专拦中就立体手机设计发表我的战略思考。

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