让我国3D与3G比翼高飞

1IMAX 3D阿凡达启动3D新纪元

2010年1月4日超大屏幕IMAX 3D电影《阿凡达》在我国上映时，像在国外一样也引起了轰动。继此之后，除国内出现相继筹拍3D电影的热潮之外，随即还掀起一股3D电视的高潮，过去只在试验室、展览会上出现的3D产品，现已进入商场。

阿凡达所带动的不仅是电影产业的繁荣，将许多人又拉回电影院；同时也启动了一个3D新纪元，其所涉及的不只是3D电影，而会带动相关一大批3D产业的发展。

人们对立体影像的热情曾几起几落，一般而言，热情持续周期并不长，也就一、两年的样子。迄至上世纪中叶全息成像发明以来，在立体成像方面很少另有重大的理论上的突破，因而表现为：基本上都是建立在双目视差的基础上完成其进化(Evolution)，而非革命(Revolution)性的进展；还往往是靠牺牲图像本质特征：如清晰度、彩色度、亮度来产生立体感，何况还会增加成本、增加操作的复杂性，这有时甚至是得不偿失的；再加上3D片源匮乏，3D知识的不够普及更是“雪上加霜”。这就是致使具极大诱惑力的3D迟迟走进不了市场的主要原因。

但自从《阿凡达》所掀起的这一股3D浪潮之后，高潮层层迭起。具有风信标意义的每年1月在拉斯维加举行的国际消费电子展(Consumer Electronics Show)，其主题就是3D。日本、韩国等原先做显示的各大厂商一个不少地在参展，如索尼、松下、东芝、夏普、JVC、三菱、三星、LG都重点推出了3D电视。台湾也不示弱，正致力于参与盛会并一展风采。在这类会议上曾很少露面的我国厂家，如TCL、海尔等也展出了3D电视产品。看来，显示尤其是3D显示的重心确已移至亚太地区了。

2我国3D发展与国外的比较

自《阿凡达》掀起一股3D高潮后，人们已明确地看到现代显示技术正处于一个由2D向3D的转型期，在国际、国内沉默了多时的3D重受重视，日本、韩国所有生产平板电视的厂家都已转向准备生产或待生产3D电视，我国(包括台湾)也不例外。因此，如何整合国内的各种力量以参与3D的国际竞争是很重要的课题。此种情势，正有些像历史上的“群雄逐鹿”，大家起步点大致相同，但尚无一家处于绝对优势地位。3D电视是建立在2D电视基础上的，因此2D电视基础好一些的或是基础研究较深入的，如美、日、韩等略占优势。我国属电视生产大国，对3D的研究起步并不算晚，甚至十年前就在河南建立了一个生产3D电视的大厂，可惜当时有些过于超前而不得不停产了。目前，三维公司在天津建立了世界上最大的自动立体显示屏，人们无需戴眼镜即可看出是3D广告；还有，由李昌教授多年收集而建立的3D历史博物馆居世界一流水平；另外，尚有一些其他可圈可点的事例，在国内召开的多次3D会议上都一一得以展现。国际上所有新的3D装置(包括立体电视)都可以在国内看到，其水平虽有所差异但并不是太大，而且我国还存在着一个让人“垂涎欲滴”的大市场正等待着商家去开发。

3对国际上流行的立体成像方法的评价

笔者认为，近十余年来所有流行的立体成像方总是以牺牲图像的某些特性来获得的。

现概括戴眼镜的立体电视3种方法的优缺点如下：

(1)红、青眼镜法

其优点是显示器不需作任何改装，可满屏面放送，眼镜十分便宜。对彩色要求不高的场合如工程图、雕塑制作等仍有用。

其缺点是需要将左、右眼像分别提取红、青二基色再融合成一个带色边的像，因此有严重的彩色失真，此外亮度也降低许多，清晰度受到影响，而且因镜片滤色不纯而产生串扰。该方法是目前3D成像质量最差的。

(2)偏光眼镜法

其优点是眼镜较便宜，仅几十元量级，且轻巧；新近也将帧频提高到240赫兹，以其“不闪”特征欲与液晶快门眼镜电视PK。

其缺点是一般需两台产生着偏光方向相互垂直的电影机同时放映；投影的亮度不可能很高，故立体电影院需要关闭窗户来看，并需要特制的不改变偏振方向的屏幕。对电视机而言，屏面需作特殊处理，使奇数行及偶数行的图像分别代表左、右眼像而彼此发出偏振方向相互垂直的光，这增加了屏的制作难度，使成本增高，同时在垂直方向也将清晰度降低了一半。

(3)液晶快门眼镜法

其优点是显示屏的变动最少，是立体电视最早进入商场时的主流商品。特别是夏普在三基色的基础上再加上黄色，使色调鲜艳柔和而获得好评。

其缺点是眼镜液晶必须是有源的，配小电池，价格较高，约1千元一副；需要对其扫描电路的帧频由原有的50或60赫兹提高到240赫兹；一帧左眼像，下一帧右眼像，交替显示；还要用红外光发射同步讯号使液晶快门眼镜的左、右眼开关与之同步；易生串扰或同步丢失，亮度也有所降低。

再分析隔断光栅及柱面微镜做成的裸眼立体，这两者都牺牲了至少一半的清晰度，而且前者还牺牲了一半以上的亮度，后者虽然在亮度方面有所改善，亮度由塑料薄膜的透光率决定，但比完全透明的玻璃透镜仍差许多。能看到立体位置的数目与所采用摄像头的数目成正比，同时又与清晰度成反比。还有一个缺陷，加上这种膜后降低了触摸屏的灵敏度，就难以恢复到原先的水平。正是因为这些原因，荷兰菲利浦公司研发虽已领先，但于去年还是终止了这方面的研究。在不惜成本的3D广告中仍在用该裸眼立体。

4怎样才能促进3D大众化?

上述这些立体成像的方法各有优劣，且图像几经变换，其图像质量多少有些下降。特别是看惯高清电视的人，更不习惯。此外操作不便、价格偏高，也难以让普通家庭接受。倒是立体声走到了前头，且进驻了家庭。究其原因，一方面是由于立体成像比立体声有本质性的差异，另一方面是技术上的难度不可同日而语。立体声只需在一个单声道上，增加另一个声道，它们彼此并不相互干扰，也不需要牺牲哪一道的音质来达到两声道的立体声，甚至是多声道的环绕立体声都能做到这点，谁也不干涉谁，且是相互补充、相得益彰。这使笔者获得启发，于是决定走“将左右眼像直接融合”的路线。经达十余年的努力，终于研制出两种属于这类的产品，使左、右眼像的质量没有受到损失；而且由于其互补作用，反而略有提高。其中之一就是刚获得发明专利的“全彩色、高清晰、高亮度立体眼镜”。在3D领域由原有的互补色、偏振光、液晶快门等立体电视的三种主流方式中，开辟了另一条与人不同的非对称偏心透镜式新路。

5高清晰、全彩色、高亮度立体眼镜

本项目主要是发明了一种眼镜，它能将显示在任何显示屏的左眼像及右眼像看出栩栩如生的立体像，无论它们是静态的像或是动态的电影(或录相)均如此。该眼镜使看出来的立体像质量最好，其彩色、清晰度、亮度、对比度均未受到损失，反而由于其互补作用略有提高；使彩色显得更绚烂、有光泽，细节更清晰、亮度略增(相对于原左、

右眼的平面像而言)。

5.1基本原理

本发明所根据的基本原理是：采用光学方法，将眼镜的左、右眼镜片做特殊设计，通过它对光线的偏折及聚焦作用，即可使在显示屏面上并排放置左眼像及右眼像(即Side by Side格式)的“像对片”(图1)融合在一起，当人的左、右眼通过它观看时就可看出栩栩如生的立体像。这种眼镜称为LR立体眼镜(图2)。当这种LR立体眼镜的左、右眼镜片各自右旋90度，就成为UD立体眼镜，专门观看左眼像及右眼像作上、下叠放(即up and Down格式)的立体像。

正由于所采用的光学玻璃几乎是全透明的，从而保证了亮度不受损失。又由于透镜采用了优化设计，使左、右眼像按规定的方向偏移，并保证它们在恰当位置上融合，而又不产生“串扰”，于是保证了立体像的完整性。还由于将色差降至最低，保证了彩色无损伤，使之五彩缤纷，且能显现光泽，消除畸变，保证了观察景象的原貌，从而将彗差、球差降至最低限度以保证其清晰度。

5.2技术关键

透镜的光学玻璃透光率要求99.9％以上，透镜里、外面特殊曲面的精准度，表面光洁度，安装准确度均十分关键。此外要求镜架质量要好，轻而结实；镜片相隔距离的调节装置要灵活；镜架夹住头部应松紧适配；相配的眼镜盒及演示光盘均应美观，符合艺术品要求。

软件部分，要求有能使初次使用此眼镜的人较快适应的措施，并有能进一步提高人们看较大立体图的训练程序。而各种类型的静态图或活动电影都必须是特别吸引人的，而且还包含有教人如何自拍、自制立体像及立体电视或电影的过程。在软件中应有将左眼像及右眼像自动合成“像对”并自动加以矫正的过程(包括左、右眼两路录相在内能合成为一路的“像对”后就可放映)，按一下按钮即能完成。

5.3主要创新点

(1)立体直接合成，方法新颖

通过对左、右眼透镜的特殊设计(非对称偏心透镜系统)，将左眼像及右眼像通过光学方法直接合成立体像；同时又能保持左眼只能看到左眼像，右眼只能看到右眼像这一立体成像的最基本法则。故无“串扰”问题。

(2)光学特性最佳，无损失

透镜由优质光学玻璃精密制造，光学玻璃的透光率几近100％，因而保证了立体像的高亮度。由所设计的非对称偏心透镜的光学特性已将像差(包括色差、畸变、球差、彗差)降至最小，达到肉眼难以感知的程度。由于色差的消除，使左、右眼像的色调不受损失，保持了原有的全彩色；消除畸变以保持不变形失真；消除球差及彗差，以保持图像的高清晰。同时该立体像是由两路合成的，加上人眼又有“择优录取”的特点，因此上述几项图形特性不但不会降低，反而由于这种互补作用而显得略有加强。而在目前流行的电视中，液晶快门及偏光镜的透光率分别约为63％及45％；阻隔光栅的透光率不超过50％；柱面微透镜受塑料透光率决定，也将亮度降低不少，且对彩色的鲜艳度也多少有点降低。

(3)无源眼镜，物美价廉

具有这样优良光学特性的立体眼镜按理说应很贵，但由于本发明采用了一系列优化设计，无需同步装置，不需要小电池驱动，属无源眼镜，实际上它的价格只是液晶快门眼镜(约1千元)的1/3～1/4，故是一种物美价廉的大众化立体观看工具。

(4)显示器无需改装，立马能用

在任一高清显示屏(包括手机屏、各种电脑屏、高清电视屏、电子相册屏)上，只要是能接收并在屏上显示左、右并排，(Side by Side)标准格式的左、右眼“像对”像，或是上、下叠放(Up and Down)标准格式的左、右眼“像对”像，无论是静止的还是动态的，均可以用这种LR型或UD型立体眼镜来看到栩栩如生的静态立体像或动态的立体电影。而这些显示器无需作任何改装，拿过来就可以用。因此这种立体眼镜的适用范围十分广泛。

(5)节目源兼容，易自己制作

现在用偏振光与液晶快门立体像的原始格式都是先做成左右并排或作上下叠放的。因此本发明的这种立体眼镜的节目源就是与之兼容的原始格式，故保证了立体节目源的来源。如果你有立体相机或摄像机(包括具有双摄像头的3G立体手机)，节目可以自制(DIY)并能即时欣赏；特别是对静止物体(例如人物、花卉)用一般可拍照的手机或数码相机就可，即先拍一张得左眼像，再平移约两眼的距离(约6.5厘米)再拍一张得右眼像，将它们并排放在一起构成“像对”即可观看。

(6)适应人群最广，对眼睛有益无害

此眼镜对老、中、青甚至8岁以上的儿童均适用(立体盲除外)，尽管各人的视力有所不同，其观察位置不一样，方法也略有不同，但总可以找到适合自己的最佳位置。初次看时需要有点耐心，因为你从未有过这样的经历；一旦看出来了，以后怎么看就怎么有了，而且愈看愈立体。起先应从小一点的画面看起，经过多次训练观看，在慢慢适应后，画面就可以不断扩大。如果有耐心最终在55寸的屏面上都可以看出立体像。两眼视力度数不一样甚至差别较大的人也同样能看出立体像，这是因为人总是用好一点的眼睛看清景物，而差一点的那只眼睛只是用来确定前后位置。此外有文指出，常看看这种立体像，等于给眼睛做体操，并增加眼睛的灵活性，还可以推迟老花眼的发生。并可以逐渐纠正如斜眼等非正常眼的视力，当然一次时间不宜太长。以5～10分钟为宜。

6让手机变成一个小型立体摄像机

在3G时代，所有的3G手机都带有摄像头及显示屏，以便与对方进行可视电话通讯。毫无疑义，这种款式将延伸到4G时代。随着时代的进步，这样的摄像头起码在200万像素以上，有的甚至高达1千万像素左右，因此其本身就相当于一部数码相机。按照拍立体像的规则先拍一张，然后平移约6.5厘米(人两眼相隔的距离)再拍一张，随高清晰全彩色立体眼镜所附的软件会帮你合成左右并排的像对，再输入到手机屏、笔记本或台式电脑屏上甚至高清电视屏或任何电子相册上，用此立体眼镜均可以看出栩栩如生的立体像，而且清晰度、彩色、亮度均不会降低，反而由于其互补作用而略有增强。这时手机屏面不需作任何改动，其效果要比在手机屏面上加微柱镜面薄膜而能直接看出立体像的效果要好。我们现在正在相关研究所进行研制能拍摄动态景物的双摄像头手机，利用这种手机不仅可以拍摄处于动态中的立体像，而且可以摄制立体电影，同样可用这种立体眼镜在上述已有的各类显示屏上观看，特别是可以即拍即传发送至远处供人实时观赏。这种带双摄像头的手机我们称之为3D+3G/4G产品，很有时代意义，并很有实用价值。人们所看到的立体像或录相居然是自己亲手拍出来的，这就更具新意；同时还锻炼了DIY(Do It by You rself)能力，而这正是国内青少年需要加强的。如果你嫌手机屏幕太小，看立体像还不过瘾，那就可以用蓝牙技术或USB接口联到附近的电脑或高清电视上观看，也可利用3G手机的特性作远程实时传播。

上述非对称偏心透镜式3D眼镜和双摄像头3D+3G/4G手机配套，成为立体摄影、摄像与观看立体像和立体电影的一体机，由于价格适中，成像质量最高，特别是便于DIY，能被大众亲自掌控随时随地拍摄立体影视而将受到大众欢迎。它完全可以成为立体电视所配制的互补色、偏振光、液晶快门三种眼镜之外的第4种标配眼镜；还可以成为任何一种高清显示器的标配(包括电脑、电视等)，一旦显现出左右并排(Side bySide)格式的像，用它就可马上看出立体像。它有点像自行车，即使将来有奔驰、宝马出现(相当于未来最理想的全息立体真的实现了)，它也会与之并存的。因它有大众化的特点，而其成像质量又是上乘的，它将是一个普及3D的好工具，也是3D新纪元的排头兵，其市场前景应非常诱人。可以预期，中国3D将可以乘移动互联网的东风与3G/4G比翼高飞，故有可能使我们早就提出的口号：“让立体成像技术从专家手中传给数码相机及手机拥有者；让立体像像立体声一样走进千家万户以美化人们的生活!”得以逐步实现。

作者简介

丁守谦：1950年进入清华大学物理系，1953年北京大学物理系毕业，1956年北大研究生毕业，研究电子光学。任南开大学信息学院电子科学系教授。曾任国际信息显示学会(SID)理事，年度奖评委及首任北京分会理事长。现为中国电子学会会士，享受政府特殊津贴。于1989年获国家发明二等奖。退休后从事立体(3D)成像研究，获发明专利，有专著一部，著作4部。新近出版《创新的呐喊》一书。为中国的3G-TDSCDMA奔走呼吁。2008年12月22日应邀进中南海参加十专家有关3G会议。