立体电视的成像原理及两种主流显像技术

张延贤

（山东理工大学计算机学院，山东 255000）

1 立体成像的基本原理

在现实场景中，我们通过眼睛看到的景物之所以呈现为立体形态，是因为人的两只眼睛所处的空间位置不同，可以从两个不同的视点同时获取两幅有一定视差（Parallax）的场景图像——左眼图像和右眼图像，通过大脑对这两幅图像处理后，不仅能分辨出物体的颜色、质感等光学信息，还能根据两幅图像的形态差异获取物体的立体形态及空间深度等信息。这就是双眼立体成像的基本原理。视差是3D成像技术的基础，拍摄3D画面需要使用三维摄像机（有两个独立的镜头、成像器和信号系统，相当于两台摄像机），两个镜头分别模拟人的两只眼睛，在两个视点摄取两路视频信息，经特定格式的编码后，通过3D显示设备将左右两路图像分别送到观众的两只眼睛，从而还原出包含场景空间深度的3D影像。

图1给出了3D电视的基本成像原理。左右眼分别看到的是在水平方向上有一定视点差异的图像，两幅图像在大脑中“合成”后，就可形成具有一定深度感的立体画面——在纵向空间上，中间的物体基本呈现在屏幕层面上，而其前后的物体则游离到了屏幕之外（出屏），近端的物体处在屏幕和观众之间，远端的物体则朝屏幕的另一方向表现为出屏状态。

图1 立体电视的基本成像原理示意图

景物是否出屏以及出屏的方向取决于三维摄像机两个镜头会聚点的具体位置。镜头的会聚点（Convergence）即两个镜头光轴的相交点，多数情况下在镜头的景深范围之内，偶尔也可根据造型需要，处于景深范围之外。在需要佩带立体眼镜的显示终端上，处于镜头会聚点上的景物用裸眼看是叠印在一起的，呈现为清晰的图像。而处在镜头会聚点之外的景物，两个镜头摄取的影像用裸眼观看时则呈现为类似重影的分离状态，景物离镜头的会聚点越远，两个影像也离得越远。当带上立体眼镜观看时，处于镜头会聚点上的景物处于屏幕的平面上，而处在镜头会聚点之外的景物，看上去则是出现在屏幕的前面或后面的空间中。基本规律是：在镜头会聚点前端的景物向屏幕前方出屏，在会聚点后方的景物向屏幕后方出屏，并且拍摄时景物离镜头的会聚点越远，出屏的距离也就越远。会聚点分别在前景和后景位置时，用裸眼观看和佩带立体眼镜观看的影像效果分别如图2和图3所示。

2 出屏原理及出屏距离的控制

图2 会聚点在前景位置时，后景物体用裸眼看呈分离状态，立体显示时向屏幕后方出屏

图3 会聚点在后景位置时，前景物体用裸眼看呈分离状态，立体显示时向屏幕前方出屏

图4给出了3D摄像时景物的成像过程及特点。假设两个镜头的会聚点大约在成像面上，物体A在会聚点的前方。这样两个镜头摄取的影像就交错地处于成像面上，右侧镜头摄取的影像（Cam AR）在成像面的左侧，左侧镜头摄取的影像（Cam AL）在成像面的右侧。

图4 三维摄像时景物的成像过程及特点

图5是立体播放时景物的成像特点及出屏效果。左侧摄像机摄取的影像出现在屏幕的右侧，右侧摄像机摄取的影像再出现在屏幕的左侧。两个影像分别进入观众的左眼和右眼，经大脑视觉神经处理后，合成影像呈现在两眼视线相交的屏幕前方某一位置（这与将食指垂直地放置于两眼正前方，然后两只眼睛快速地轮流睁闭所看到的情况是完全一样的）。如果两眼间的瞳距（Eye Wide）和摄像机的镜距（Cam Wide）相等（约为6-7cm），且眼睛和屏幕两侧形成的夹角β与摄像机镜头与成像器两侧边之间形成的夹角α相等，那么场景的深度感和物体A的出屏距离将和实际拍摄时的情况完全一致。

3 两种主流立体显示技术

由于立体视觉是基于视差而来，因此要实现立体显示，必须以人工方式重现视差，使两只眼睛分别看到来自不同视点的影像，从而还原出立体视觉。基于视差实现立体显示的技术，可分为“镜视”与“裸视”两大类型，前者必须佩带专门的3D眼镜，而后者可以摆脱对3D眼镜的依赖，像看普通电视一样看到立体影像。

图5 播放时景物的出屏原理及效果

3D眼镜有被动式与主动式两大类，前者是基于偏光原理形成立体影像，又叫偏光式 （Xpol）3D眼镜；后者的镜片由液晶材料构成，基于快门原理形成立体影像，又叫快门式3D眼睛。

偏光式3D眼镜和普通近视镜一样，由镜片、镜架等构成，不需要电源及控制装置，其基本原理是让左右眼的影像分别通过左右两个镜片，借助左右影像的视差形成立体画面。偏光式3D眼镜的左右两个镜片上面涂有类似百叶窗般可分离不同方向偏振光的偏光膜（Retarder Film），可挡住与偏振方向垂直的光线，只让与偏振方向平行的光线通过。

偏光式立体显示目前有两种类型——线偏振式和圆偏振式。线偏振有水平/垂直两个偏转方向，通过眼镜上两个不同偏转方向的偏振镜片，让两只眼睛分别只能看到屏幕上纵、横向图像中的一个。圆偏振是新一代偏振技术，两个镜片一个向左呈圆形旋转，一个向右呈圆形旋转，不必像线偏振那样保持“横平竖直”的状态，可实现全方位观看立体影像。目前，基于被动式立体显示技术的液晶立体电视多采用隔行式线偏振技术，其基本原理是在液晶屏幕上贴上一层偏光膜，使其奇、偶行发出的光线分别偏光正负45度，形成交错排列的垂直与水平偏振光，即奇、偶行发出的光线呈垂直偏振关系。与之配套的两个镜片上也分别贴有水平和垂直偏光膜，左眼镜片过滤偶数行的光线，只让奇数行的光线通过；右眼镜片过滤奇数行的光线，只让偶数行的光线通过。由于奇数行的影像来自立体摄像机的左镜头，偶数行的影像来自立体摄像机的右镜头，所以左右两眼看到的是分别来自两个镜头的具有一定视差的影像，二者合成后即为立体影像。这种偏光式立体显像技术属于隔行式显像模式 (Interlacing Display Mode)，又称行交错格式(Row Interlaced Format)，显像原理参见图6。

图6 隔行式立体显像技术的基本原理

由于隔行式立体显像技术类似传统的隔行扫描——将一帧变为奇、偶两场，奇数场只包含一帧画面的奇数行信息，偶数场只包含偶数行信息，两场的垂直分辨率都只有最高分辨率的一半。所以，隔行式立体显像技术的左眼画面相当于隔行扫描的奇数场，右眼画面相当于隔行扫描的偶数场，两眼看到的影像在垂直方向上的分辨率都只有原画面的一半。采用隔行式偏光方式和被动式偏光眼镜再现立体影像的另一个缺点是观看的范围有一定限制，超出这个范围，立体显像效果将变差，但是，由于不必增加信号的数据带宽，也不用提高屏幕的刷新频率，技术上比较成熟，眼镜及整个系统的成本相对较低。

液晶快门(LCS)眼镜属于通过眼镜本身的动作实现立体显示的主动式快门眼镜 （Active Shutter Glass），其基本原理是运用电场控制液晶的透光状态，以每秒50次（PAL制）或60次（NTSC制）的频率交替遮蔽进入两眼的光线。播放时，只要交替显示来自3D摄像机左右两个镜头的画面，在立体同步信号（Stereo-Sync）的控制下，让液晶快门眼镜与画面同步动作——屏幕上出现左眼画面时，右眼镜片关闭，左眼镜片呈透光状态；屏幕上出现右眼画面时，左眼镜片关闭，右眼镜片呈透光状态。这就是主动立体显像技术的基本工作原理。因为是基于帧顺序使左右眼画面依次显示，工作特点颇似翻动书本的页面，所以这种使用主动式快门眼镜的立体显像方式又叫帧序式（Frame Sequential）或翻页式(Page-Flipping)显示技术，本质上属于时分（Time Divided）显示技术。

图7、图8给出了这种立体显像的基本原理与特点。首先将立体摄像机拍摄的左右眼画面按特定格式进行编码，然后通过时分技术使左右眼画面按帧顺序交错排列（图7），在显示终端，液晶快门眼镜在立体同步信号的控制下，左右眼镜片依次打开，使两个眼睛分别看到来自摄像机左右两个镜头的画面（图8），最终实现立体影像的还原。

图7 通过时分技术使左右眼画面按帧顺序交错排列

图8 立在体同步信号的控制下，快门式3D眼镜的左右眼镜片依次打开

这种基于时分技术的立体显像方式，最大优点是左右眼看到的画面都是全分辨率的，和偏光式立体显像方式相比，可以实现全高清的高画质立体显像。另外电视屏幕上也不用贴偏光膜，简化了电视屏幕的制造工艺。但是，由于左右眼交替显像，实际作用于眼睛的画面刷新率将降低一倍，导致大面积闪烁现象。解决的办法是采用帧倍频技术，将显示设备的帧率提高一倍（PAL制提高到100Hz，NTSC制提高到120Hz）。如果三维摄像机本身支持高达120的帧速率，显示设备将不必采用帧倍频技术，但由于信号本身的数据流量增大了一倍，势必对信号的传输、存储等在技术和设备方面提出更高的要求，这也是主动式立体显像技术的一个缺点。

再就是液晶式快门眼镜必须接受同步信号的控制，以保证左右眼镜片正确地开合。对同步控制信号和快门式眼镜的主要要求有：用红外线控制，灵敏度和可靠性要高，不得出现帧失落(Drop Frames)现象；镜片的明暗对比度要大，透光率要高，反应速度要快；另外，还要有伪立体（Pseudo Stereo）识别与反转功能。总体上，采用液晶快门眼镜的立体电视系统，最大优点是画面质量好，不足是眼镜及整个系统的造价偏高。

目前在影院里放映的立体电影，所佩带的眼镜多是不需要电池供电的被动式偏光眼镜，但和上面所说的隔行式偏振光显像方式不同。采用偏振光显示方式的立体电影，首先是将左眼和右眼的画面按帧顺序交错排列，放映时，左右画面以偏振轴互为90度的偏振光放映在不会破坏偏振方向的金属幕上。观看时，观众戴上两个镜片偏振方向互相垂直的偏光眼镜，即可看到立体效果。因此，立体电影的显像方式结合了上面所说的偏振式和时分帧序显示两种技术特点。

裸视立体显示多是通过经特殊设计的屏幕来实现三维显示效果，按工作模式可分为空间分割式、时间分割式和深度融合式三大类。空间分割式裸视立体显示是在同一个屏幕上通过分割显示区域以使左右眼画面同时显示，主要有柱状透镜式和视差屏障式两大类。时间分割式是在同一个屏幕上，各切割一半时间来交替显示左右两眼画面，目前代表性技术是“指向性背光分时”式裸视立体显示方式。深度融合式立体显示是将两片液晶面板重迭在一起，分别在前后两片液晶面板上以不同亮度显示前景与后景的影像，缺点是体积较大，成本较高。

我国在裸视立体显示技术上走在世界前列，据悉TCL已推出全球首款大屏幕商用裸视立体液晶电视，相信不久的将来，更大屏幕、更佳显示效果的裸视立体显示设备会出现在演艺领域，让我们拭目以待。

参考资料：

［1］http://www.sony.com.cn/3d/index.html#index

［2］http://www.hd.club.tw/forum-61-1.html

［3］http://news.178.com/201004/65818238747_4.html