继好莱坞的3D大片风起云涌之后，最近3D打印也来势汹汹。借着这股3D风，来谈谈各种3D技术，仅供大家参考。

3D的显示

其实自打有2D那天，人们就一直想着怎么搞出3D来。最早算得上3D的发明，按照Wiki上的说法，恐怕是1838年Charles Wheatstone发明的一种利用镜子来让人的左右眼分别看到不同的画面来模拟双眼观察同一场景的效果，并利用视差让人产生3D感的装置，算是现在红蓝眼镜这类视差3D的鼻祖。

由于3D效果是利用人脑对视差，也就是双眼所观察到的画面有微小角度的差异，进行合成而产生的，并不需要真的有3D数据或者实物，因此算是最简单的一种呈现3D的方式。后来又有了很多改进版本，利用绘画，或者照片等等，但一直只能呈现静态的3D场景。直到摄影技术和光学的发展，可以用两个甚至多个摄像机模拟双眼的位置拍摄，并利用不同颜色或者偏振光来显示，让人借助特制的眼镜来产生3D的动态视觉效果。比如红蓝视频就是用偏红的颜色代表一只眼看到的影像，偏蓝的颜色代表另一只眼看到的，人带上眼镜后再看就能有3D感。

近几年更是有能在不同角度投射出不同颜色光线的3D屏幕，可以不借助任何眼镜等设备，让人眼直接观察到3D效果，也就是所谓的裸眼3D （Autostereoscopy）。但裸眼3D的一个问题是，对于只由对应左右眼的两组影像合成的3D场景，如果你的观察位置稍微有些移动，那么本应该左眼看到的影像可能就会被右眼看到，而左眼看到的却是右眼应该看到的影像，于是会有种错位感，英文叫movement parallax，中文大概翻译成移动视差吧。

2010年，我曾经在一个展会上演示过一台合作伙伴的裸眼3D屏幕，能在8个角度投射光线，也就是说它能模拟8只眼看到的影像。因此如果你在一个小范围内移动观察，也能保证双眼看到的影像是按照顺序的，一定程度上减轻了移动视差，但看时间长了还是会有点晕。

真正炫酷的技术是全息3D，能把3D影像直接投影在空中，并且无论从任何角度都能完美的观察到3D效果，是近年来好莱坞科幻电影的必备元素。

就拿我最喜爱的钢铁侠来说，这张截图中，Tony Stark正在利用全息投影来设计他的新型盔甲Mark II，他甚至还可以在空中操作投影出来的机械模型（这个应该可以用类似kinect的技术做到，后面还会提到）。

不过全息投影的原理可比视差3D复杂多了，在这给大家简单解释一下（涉及一些专业术语，需具备一定物理常识，不喜者可跳过）。

从电磁学的角度来说，光就是电磁波，具有振幅、频率和相位。振幅就是光强，频率就是颜色。一般的2D照相机，能够记录光的颜色和强度，也就是振幅和频率，但无法记录光的相位。而全息投影首先需要可以记录包括光的相位的所有信息，形成一张全息图。这也是全息的意思，光的全部信息。物理上做全息摄影时，一般将一束激光用棱镜分为光强不同的两束，以保证这两束激光频率相同、相位差恒定。强度大的一束作为物光打在物体上并反射到底片上，另一束强度弱的作为参考光直接打在底片上，与从物体上反射到底片的物光发生干涉，并记录在底片上。虽然底片依然只能记录光强和频率，但由于此时光强不止由物光决定，而是由物光和参考光的干涉结果决定，因此，其强度变化就记录了光的相位。而还原相位信息的办法就是，用同样频率的激光打在底片上，将底片记录的干涉条纹作为光栅，利用光的衍射来重现物体。但单一频率的激光只能记录一种颜色，据说彩色的全息图是由多束不同频率激光共同产生的。本人上学时只做过单色激光的全息摄影实验，至于彩色全息，具体技术细节不详。

除了物理上用激光产生全息图之外，还可以用计算机模拟激光干涉的过程计算出全息图（Computer Generated Holography，简称CGH）。这种方式更方便快捷，而且可以为虚拟的3D模型，而不仅仅是真实的物体产生全息图，甚至动态的全息视频。

上图是一张google出来的CGH全息图，同样也是不能直接看的，也要有相应频率的激光来还原才行。我见过一种打印在可以弯曲的特制塑料板上的全息图，在黑暗处用白光手电筒一照，就能看到还原的3D图像，在垂直于板子45°以内的位置都能很好的观察到，而且还可以卷起来放在装羽毛球的筒子里，很方便。

而且全息图一个很有意思的特点是，它的任何一部分都保存了物体上所有点反射的光线的全部信息。因此，哪怕只有半张、甚至一小块全息图，也都能完整的还原出原始的3D场景。这还只是制作全息图，要想将全息图投影出来，并从360°都能看到，也很复杂。一种方式是利用海市蜃楼的原理，将全息图投影在水蒸气上，利用分子的不均衡震动，来产生有层次感和立体感的图像。目前，全息投影的设备还都很贵，相比3D打印而言，还远没到能够普及的时候。但很多领域已经开始有所应用，比如演唱会、展览、产品发布会等等，前途无量，我个人非常看好。

全息3D，尤其是计算机产生的全息3D，和视差3D最大的区别在于，它需要真正的3D数据，而不是用几张2D图片靠人脑来产生3D感。传统上3D数据往往是用CAD或者类似3ds max、maya这样的建模软件做出来的。拿绘画做个类比，如果没经过训练，一般人很难画出逼真的2D画作，直到照相机的诞生。同样，如果没经过训练，一般人也很难用这些专业的建模软件做出逼真的3D模型，直到3D激光扫描仪的诞生。

如何获得3D？

激光扫描最早是从测绘领域发展起来的。大家应该时常能在马路上看到一些测绘人员，用一个架在三脚架上的仪器来测量马路。那种一般用的是全站仪，就是可以测量距离、角度、经纬度等等数据，集多功能于一身，所以叫全站仪。但是这类测绘仪器往往一次只能发射一束激光，测量一个点，并且为了提高精度，测量时间也比较长。激光扫描则是同时发射很多束激光，快速测量很多点的位置和角度，并将这些结果变换到一个统一的坐标系下，形成由很多点来描述的模型。如果给这些包含3D坐标的点加上颜色之类的信息，就是3D的像素，不严格来说也可以叫体素。就像2D图像是由具有2D坐标和颜色的像素组成一样，3D激光扫描仪扫描的结果是由具有3D坐标和颜色的体素组成的3D图像。

用中距离扫描仪扫描的建筑，左下角圆弧状没有点的地方就是扫描仪的位置

别看3D图像只比2D图像多了一维，数据量可是大了好多。一般高清数码相机的照片最多也就十几兆二十兆，可3D图像至少都有几十兆数百兆之大，包含成百上千万的点，因此有个形象的名字叫点云。就像2D图像可以分为光栅图和矢量图一样，激光扫描仪所产生的点云就相当于光栅图，而3D的矢量图则是CAD或3ds Max所产生的网格模型（mesh）。2D图像的矢量图大小一般小于光栅图，3D图像也是如此。而且在激光扫描仪之前的3D软件往往也只能处理网格模型，不能直接处理点云。所以常见的做法是先从点云中计算出网格模型，然后再做进一步处理。这个套路在制造业已经非常成熟，学名叫逆向工程，也就是大家熟悉的山寨。国内那些仿造的手机壳、汽车外壳等等，都是这么来的。

利用点云对汽车车身做逆向工程

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