论3D图像的显示技术

冯传岗

论3D图像的显示技术

3D中的D是英文Dimensional的缩写，中文含意是维，维是物理学中一种度量参数（单位），是描述某一变化着的事件时，所必须变化的参数；几个维就有几个参数，维可以理解成方向。

当代科学的最新理论认为整个宇宙是由11维组成的 ……，但是，由于人眼只能看到3维的立体世界，故而3维以上的维只有通过数学理论来构建，但要仔细理解就很难了。目前在量子力学中建立的膜理论，对3维以上的维也很难解释清楚。

这正如一个智力正常，先天只有1只眼睛和1只耳朵的人，没有了双眼效应和双耳效应，就很难理解距离和声场，他很有可能认为这个世界是2维的。当然，人类对世间一切事物的认知是不断发展和提高的，对维的认知也是如此。

0维，又称0维点，是没有长、宽、高，是向0个方向扩展表现为单纯的一个点（如奇点）。

1维，又称1维线，是指只有长度，没有宽、高，是向1个方向扩展表现为一条线。

2维，又称2维面，是指平面世界，只有长、宽，是向2个方向扩展表现为一个面。

3维，又称3维立体，是指立体世界，是向长、宽、高3个方向扩展表现为立体的静态空间。人眼看到的世界，就是由长、宽、高3个坐标点的位置即3D空间决定的。

4维，又称4维空间，是指在空间的架构上比3维立体的长、宽、高三条轴外又增加了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴，是向4个方向扩展表现为我们现在所处的时空。

目前人类所提及的4维，大多数是指爱因斯坦《广义相对论》和《狭义相对论》中论述提及的“4维空间”概念，即“宇宙是由时间和空间构成”的，是“我们生活中所面对的3维空间加上时间构成”的。

5维或更高维，是向5个或“更多方向扩展更高维的时空卷缩在量子尺度以下 ……”

“视差”是3D视觉形成的基础

1、3D视觉来源于视差

人之所以有3D视觉，是因为人的左右两眼横向并排，之间大约有6～7厘米的间隔，因此左右两眼所看到的影像有着些微的差异，这个差异被称为“视差”，人脑具有解读“视差”的能力，并以此判断出物体远近，产生3D视觉。

但是，当人与所观察物体的距离一远，这点视差就不够用了，除了折射光路的需要，最主要的是要保证足够的视差，才能够对远距离的物体产生立体感，没有了视差，就没有立体感，物体就会被压缩的象平面的2D画片。

2、视差、视差值、视差深度

视差是3D影视图像拍摄中的专有名词，是“3D场景拍摄中的一个点在左右两幅影视图像中投影点的位置差异”。这种差异的大小与视差深度相关，“视差深度包含了3D场景物体的空间信息，可以用视差值来表示相对深度”。

由于视差在3D坐标系统Z轴的值（即深度）各不相同，就会产生不同的视差值。视差和物体与摄像机之间的距离成反比，物体离摄像机越远视差值越小，越近视差值越大。对于处于同一目标对象上的点，由于它们与摄像机之间的距离相近，因此其视差值也相近，并具有连续性。

视差值是由各种场景点的深度计算出来的，但是由于数字图像的离散特性，视差值都取一个整数（如9视差等）。

一般说来，图像的视差值越大，立体感越强。即在表现同一个物体时，拍摄间隔（即3D图像拍摄中两台摄像机模拟人左右两眼的距离）越大，立体感越强。但是，随着拍摄间隔的不断增大，立体感在增强，清晰度在下降，一旦超出了光栅的解析范围，就会造成图像模糊，不能和光栅线吻合，从而引起视觉上的不适。

3D图像拍摄的视差值控制和做3D画一样，对较大、圆润、丰满的物体可加大拍摄间隔。对细小、有复杂纹理、或竖直线条为拍摄物时，可适当减小拍摄间隔，以提高物体的清晰度。

3、3D显示技术的形成

早在19世纪摄影技术刚刚起步时，人们就用2台性能和参数完全相同的相机并列，模拟人的左右两眼，同时拍下2张有着些微差异的相片，之后再透过平行视线法、交叉视线法或类似双筒望远镜的专属观看设备等，让人的左右两眼分别观看2张并列拍摄的相片，以重现“视差”，藉以模拟出立体视觉。

两个世纪以来，人类由此逐步研究出各种3D显示技术，主要分为眼镜3D与裸眼3D两大类型（见表一）。

眼镜类3D显示技术

眼镜类3D显示技术，主要是利用光学原理的特制眼镜来实现。目前市场应用的眼镜类3D，从技术层面来看主要有快门式和偏光式两种（见表二），从观看方式来看主要有被动观看和主动观看两种。

1、被动观看式

被动观看式的3D眼镜，是由单纯的镜片+镜架所构成，不牵涉到任何机械或电子装置，主要有红蓝滤色片式3D眼镜类和偏光式3D眼镜类两种，基本原理都是运用光学方式让左右两眼观看到具备视差的图像。

（1）红蓝滤色片式3D眼镜类

红蓝滤色片式的3D眼镜，采用红色与蓝色（或红色与绿色）滤色片做镜片，眼镜本身的成本很低，用红蓝玻璃纸与纸板制作，早期3D电影都采用此种形式，分别投射出经红色滤光与蓝色滤光的画面，让观看者配戴红蓝3D眼镜来观看。

由于红蓝滤色片无法正确重现原本画面色彩，后来又进行了改良，如利用琥珀色与蓝色滤色片分别呈现彩色与单色两组画面，观看时人脑会自动组合双眼观看到的图像，因此也可以获得彩色的立体画面。

（2）偏光式3D眼镜类

偏光式的3D眼镜，是透过如百叶窗般排列的矽晶体涂料薄膜（偏光膜）来过滤原本朝不同方向震动的光线，挡住与偏光膜方向垂直的光线，只让与偏光膜方向相同的光线通过。由于偏光片只会过滤光线的方向，而不像滤色片那样滤除光线的颜色，因此可以完整保留画面的色彩。

播放时只要使用两组设备分别透过偏光片投射出垂直偏光与水平偏光画面，或是使用一组设备搭配可切换偏光方向的偏光片交替投射出垂直与水平画面，再让观看者配戴垂直偏光片与水平偏光片组合的眼镜，即可观看到3D画面。

如今的3D电影系统多半采用偏光方式技术，应用特殊的眼镜、投影机或屏幕等显示设备，来呈现3D图像。

2、主动观看式

主动观看式的3D眼镜，是利用眼镜本身的主动运作来显示3D效果，有双显示器式3D眼镜类和液晶式3D眼镜类两种。

（1）双显示器式3D眼镜类

双显示器式虽然无法提供多人观看的需求，但仍就算是主动式3D眼镜类的一种，其原理是运用左右眼镜中配置的两组小型显示器来分别显示左右画面，以形成3D效果。

由于必须配置两组独立的小型显示器，只能让单人观看。通常应用在特殊场合，如搭配头部侦测应用在虚拟实境观看的便携式播放器、游戏机（任天堂在1995年推出的便携式游戏机Virtual Boy头戴式显示器就属此类）等。

（2）液晶式3D眼镜类

液晶式的3D眼镜，由主动液晶镜片构成，其原理是利用电场来改变液晶透光的状态，以每秒数十次的频率交替遮蔽左右两眼视线，播放时只要交替显示左右两眼画面，再利用同步信号让液晶式3D眼镜与画面同步工作，当播出左眼画面时让右眼镜片变黑、播出右眼画面时让左眼镜片变黑，最终形成3D效果，但这种交替遮蔽会影响画面的亮度。

液晶式3D不需要滤色或偏光等特殊播放设备，只要提升播放画面的交替频率及添加同步信号发送装置，很适合大尺寸屏幕，供多人观赏的需求，是目前3D电影和3D电视的主要方式，包括PC上由NVIDIA推出的3D Vision，以及目前各大厂商狂推猛打的3D电视机等产品，都采用了此类技术。

由于液晶式的画面是采左右交替播放，同一时间内只有一只眼睛能看到画面，因此当开启3D显示模式时，画面刷新频率会变为原来的一半。当每秒60次交替频率时，画面刷新频率会降到每秒30次，会让观看者感受到明显的闪烁。因此目前各厂商所推出的方案都是将刷新频率加倍到每秒120次，以解决闪烁的问题。

液晶式的3D眼镜由于必须主动运作，因此构造上比被动式3D眼镜复杂，虽然播放设备的成本较低，但眼镜的成本高出不少。目前主流的红外线同步方式的眼镜中，都必须配备额外的接收控制器与电源。

液晶式3D在近一两年随着新产品（3D电视）的推出开始发烧，但在游戏领域的应用已有20多年的历史，如1986年SEGA推出SEGA MarkIII/Master System、1987年任天堂推出Famicom的Famicom游戏设备系统都采用此类技术。

裸眼类3D显示技术

人眼具有3D识别能力，但对于显示器来说必须顺应人眼的识别方法来构建图像，才能真实地显示3D图像。

我们知道，显示器屏幕是平面2D的，人之所以能欣赏到真如实物般的3D图像，是因为显示器展现出的图像色彩灰度的不同，而使人眼产生视觉上的错觉，将显示的2D图像感知为3D图像。

在光学和色彩学相关的知识中，3D物体边缘的凸出部分一般显高亮度色彩，而凹下去的部分由于受光线的遮挡而显暗灰色彩，这已被广泛应用于网页或其他应用中（如对按钮、3D线条的绘制等），比如要绘制3D文字，即在原始位置显示高亮度颜色，而在左下或右上等位置用低亮度颜色勾勒出其轮廓，这样在视觉上便会产生3D文字的效果。

如前所述，眼镜类的3D显示技术是通过眼镜将左右图像分离出来，并分别送到观看者的左右两眼中，实现3D效果。而裸眼类的3D显示技术则是通过调节光的角度使左右两个图像分离出来，并分别送到观看者的左右两眼中，以实现3D效果。

如今的裸眼类3D显示技术，组合了目前人类最新面板制造技术和引擎软件技术，一方面，在生产制造方面，采用在液晶面板前方配置双凸透镜的全景图像（Integral Imaging）方式显示，即在同一个屏幕上，以分割区域显示（空间多功裸眼3D技术）和切割时间显示（分时多功裸眼3D技术）来实现3D显示（见表三）。另一方面，在图像显示方面，通过计算机图像处理技术，将已有的2D图像和3D图像的左右两眼的视差，转换为9视差的3D图像。

从当前裸眼类3D显示技术形式来看，有光屏障式（Barrier）、柱状透镜（Lenticular Lens）、多层显示（Multi Layer Display）和指向光源（Directional Backlight）等几种，目前光屏障式和柱状透镜式两种技术已进入商业应用阶段。

1、光屏障式技术

裸眼类的光屏障式技术与眼镜类的偏光式技术（目前3D电影广泛采用）有些相似，不过一个要戴眼镜，一个不要。

光屏障式又称光屏蔽式、视差障壁（Parallax Barrier）、视差屏障（Parallax Barriers）等等，这主要是研制厂商的技术细节不同所至。

（1）视差障壁式

该技术是由夏普欧洲实验室研制，实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，故称之为“视差障壁”。

视差障壁安置在背光模块及LCD面板间，在3D模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；应该由右眼看到的图像，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左右两眼的可视画面分开，使观看者看到3D画面。

由于背光遭到视差障壁的阻挡，所以亮度也会随之降低，要看到高亮度的画面比较困难，分辨率也会随着显示器在同一时间播出影像的增加成反比降低，降为原本的一半。之外还会有观看距离、角度与方向的限制，必须在规定的距离与角度内观看，画面转 90 度时就会无法呈现立体感。该技术最大的优势是与LCD液晶工艺兼容，成本上更低一些。

目前，视差障壁技术的代表厂商和产品有，夏普发布的裸眼3D手机，任天堂的3DS游戏机。

（2）可开关液晶视差屏障式

该技术是后续厂商为了改善视差障壁式的先天限制，采用可开关的液晶薄膜来充当视差屏障，利用液晶屏障的开关来切换 2D和3D的显示模式，液晶屏障排列方式也可以制作成水平与垂直两种方向，以配合横拿与直拿的需求。

可开关液晶视差屏障式3D，是目前最广泛应用于可携式装置的方式，包括夏普与日立都不约而同的在任天堂发表N3DS（是一款由日本任天堂推出的便携式游戏机，最大特点之一是利用了称为“Autostereoscopy”的技术，即让使用者不配戴任何特殊眼镜即可感受到3D图像效果）后，紧接着开发了各自裸眼3D手机应用的视差屏障式3D显示屏幕。其中夏普的产品将液晶屏障与触控薄膜整合在一起，而且同时支持横拿与直拿的应用，比较符合N3DS的需求。

2、柱状透镜技术

柱状透镜技术，又被称为双凸透镜或微柱透镜技术，主要代表厂商有飞利浦和我国朗辰电子科技。

该技术是通过在液晶面板上加上特殊的精密柱面透镜屏，将经过编码处理的3D图像独立送入人的左右两眼，从而可以裸眼体验3D，同时兼容2D，它相比光屏障式技术最大的优点是其亮度不会受到影响，但观测视角宽度会稍小。

其原理是在薄薄的液晶屏幕最外层，加上一层泛着光亮的“膜”，其膜叫做“柱状透镜膜”，一方面，是利用柱状透镜膜的折射来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同图像视差以呈现3D效果。由于光线在通过凸透镜时，行进方向会折射而产生变化，因此只要将左右两眼画面以纵向方式交错排列，再透过一连串紧密排列的柱状透镜，让左右两眼看到各自的画面。

另一方面，是使液晶屏的像素平面位于透镜的焦聚平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，因此透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是人的两眼从不同的角度观看显示屏，就能看到不同的子像素。

不过像素间的间隙也会被放大，因此不是简单地叠加子像素，柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度。这样就可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。

柱状透镜式可以在多个角度下产生3D效果，适用于多人观看的场合，不过在不合适的角度观看时会出现影像重叠的状况。一般的柱状透镜是固定贴附在屏幕表面，而且是以单一方向排列，因此无法切换显示模式，水平解析度会降为原本的一半，画质也会受到透镜折射影响，屏幕旋转 90度时就无法呈现3D感。不过也有厂商研发在柱状透镜中注入液晶来改变聚焦特性的技术，可关闭透镜的折射效果切换成2D显示模式。

另外，之所以柱状透镜技术的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，画面亮度能够得到很好地保障。不过由于它的3D显示基本原理与光屏障式技术有异曲同工之处，所以分辨率仍是一个比较难解决的问题。目前已经有面板厂商计划生产针对3D的超高分辨率面板，如果取得规模效益，会在很大程度上缓解分辨率的问题。

柱状透镜方式的历史久远，应用范围也相当广泛，包括平面印刷或是屏幕显示器都能运用此方式来呈现3D画面，市场上常见的3D垫板等产品就是利用相同的原理制作。

3、多层显示技术

该技术简称MLD技术，是美国Pure Depth公司在2009年4月研发，这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板，实现裸眼观看3D文字及3D图像。与柱状透镜技术相比，有以下优点：

（1）观看3D图像时，用户不会产生眩晕、头疼及眼睛疲劳等副作用；

（2）3D显示时，屏幕的分辨率不会降低；

（3）可组合显示文字等2D图像和3D图像；

（4）对观看3D图像的视野及角度没有太大的限制，通俗点说就是可视角度足够大。

目前，采用MLD技术的显示设备，已经在美国拉斯维加斯的部分娱乐场所得到了应用，并取得了良好的效果。

4、深度融合式3D显示（Depth-fused 3D）

该技术由日立公司研发，产品问世已久不过应用层面有限。是将两片液晶面板前后重叠在一起，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，藉由实体的深浅差异来呈现出景深效果。

由于深度融合式并不像其他方式是以模拟两眼视差来产生立体感，而是让画面真正具备前景与后景的差别，能让观看者两眼视线的焦点自然落在画面位置并感受到景深，因此观看时眼睛不感到疲劳。不过受限于前后景重叠时的角度偏移不能太大，因此适合观看的角度有限，加上需要重叠两片液晶面板来构成，因此不但体积较大，而且成本也较高。

5、指向光源技术

该技术比较先进，实现的方法是通过搭配两组快速反应的LCD面板和驱动器，让3D图像以排序方式进入观看者的左右两眼，由于互换的左右两幅图像存在着视差，进而让人眼感受到3D效果。

指向光源比光屏障式、柱状透镜式等裸眼3D技术更具有优势，可以应用到手机、电脑、游戏机等设备中。在3D显示的亮度和分辨率上都能够得到保障，进而可以普及发展。但是该技术尚未成熟，远没有达到量产的阶段，目前仍处于研发阶段。

其原理是由指向性背光膜搭配左右配置的背光光源，以高速交替方式分别朝左右两眼显示不同图像画面来达成3D效果的方式。由于指向性背光膜可以控制光线射出的方向，因此能将左右两幅图像画面分别投射到观看者的左右两眼中。

当屏幕右侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝左眼方向的光线，用来显示左眼图像画面。当左侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝右眼方向的光线，用来显示右眼图像画面。藉由左右图像画面高速交替显示，就能平顺的显示3D图像画面。

由于指向性背光方式采用分时多功，因此每次都能以面板的完整解析度来显示图像，不像空间多功只能以面板的一半解析度来显示图像。而且只要左右两侧的背光光源同时亮起，就能切换为2D显示模式。不过由于左右两眼图像画面是以指向性的方式显示，因此只有从屏幕正面观看时才能看到3D图像画面，当屏幕旋转90度时就无法显示3D图像画面。

结 语

让所有人脱掉眼镜看3D，这看似简单的技术目标，却已经成为全球争夺的新型产业的制高点。如今，各国对3D显示技术研发均不惜巨资，投入巨大，且非常重视投入的持续性。

在国外，裸眼3D广告已不稀奇，的确大街上来往的人，总不能停下来找个眼镜戴起来再看广告吧。近年来，美国的3D电影比例也越来越高，裸眼3D在广告、展示、游戏、电视、手机等方面已经有了很大的市场，所有视觉娱乐、内容、广告等领域，已经绕不开3D技术（如裸眼3D试衣技术，已经在互联网上得到很好的呈现），正在围绕3D形成新的产业链（模式）。

在国内，今年元旦央视3D电视频道开播，虽然很多城市还未能尝鲜，但网络上的3D版春晚点击量已经不少。元月初，TCL裸眼3D电视现身深圳宝安机场安检大厅。3月初的全国两会，人民大会堂正门进去的两台裸眼3D电视吸引了不少目光。这是我国利用裸眼3D技术第一次报道大型会议。4月12日，国内首个批量化生产裸眼3D显示器项目落户重庆合川，年产量达100万台。

虽说目前3D已进入电影、电视领域，但要走进百姓家庭，似乎很难，撇开技术层面不说，高昂的价格就足以让百姓望而却步。如今的3D电视可讲是“奢侈品”，眼睛式3D电视每台价格在10000元左右不等（视屏幕大小而定），日前（2013年元旦）TCL和中央电视台CCTV 3D频道进行合作，TCL L55F3390A-3D智能电视（TCL智能电视基本都支持3D显示技术）在国内各大商场亮相，这款55寸眼睛式3D电视因参与国家节能减排，可减去400元优惠，折后价仅为6599元。而裸眼3D电视的价格更是不菲，55寸的每台50000多元，42寸的每台40000多元。

据业内人士分析，3D电视的普及起码需要4至5年的时间，未来在一些购物中心、热闹的城市广场等地能看见它的踪影。市场永远是这样运转的 —— 任何新事物的诞生和发展总是演绎着从无到有、从不成熟到成熟、从高价到低价的游戏过程，但这个过程需要的是时间。

未来，3D跟我们每一个人都有关系 ……