基于TRIZ理论的3D放映技术发展分析

文/东北大学机械学院 赵新军 付长晓

1 引言

2009年，《阿凡达》引爆全球观众观看3D电影的热情后，3D放映技术已在世界范围内引发强烈震撼。3D放映技术在100年前就已经诞生，但直到今天，3D放映技术才真正改写了电影、电视等相关产业的历史。本文基于TRIZ理论分析历史上3D放映技术的发展演变，总结其发展规律，预测其未来的发展趋势。或许，未来放映技术的“3D化”将成为必然，对其改良和创新设计显得尤为重要。

2 3D放映技术的原理及简介

3D放映技术是利用人的左右眼瞳距在大脑形成的视差从而产生立体感的原理，将左右两幅不同的影像投射到银幕上，让观看者左眼和右眼分别看到连续的左、右两幅影像，从而使观看者有身临其境的感觉。实际上这种技术是一种人工生成的虚拟立体环境。3D成像是靠人两眼的视觉差产生的。人的两眼之间一般会有8厘米左右的距离。要让人看到3D影像，就必须让左眼和右眼看到不同的影像，使两副画面产生一定差距，也就是模拟实际人眼观看时的情况，除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，大脑就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生3D的立体感觉（图1）。

3 3D放映技术的发展历程及TRIZ分析

3.1 萌芽期1850～1880

图1 3D放映技术原理示意图

上述原理早在19世纪中期就被人们认识到了。英国物理学家惠斯通在19世纪中叶发明了“实体镜”（图2）。从此之后，摄影师可以用两台照相机从不同角度分别拍下相当于左眼和右眼看到景物的照片。人们使用实体镜观看这两张照片的时候，由于镜中的挡板分开了左眼和右眼的目光，使左眼只看见左眼图像，右眼只看见右眼图像，就形成了立体视觉。

3.2 生长期1890～1940（第一代放映技术）

19世纪90年代末期，英国电影先驱William Friese-Greene发明的双机放映3D电影技术，是3D放映技术的最早起源。两台摄影机分列左右进行拍摄，放映时分别在两部放映机上同步投影，分供观众的左右眼。观众佩戴专用的红绿立体眼镜，通过滤光的方式即可观看（图3）。这是一项革命性的发明，现在一些3D放映技术依然运用这个原理。

图2 实体镜及其原理

图3 滤光技术及其原理

图4 偏振技术及其原理

从TRIZ理论的角度来分析，第一代3D放映技术就是2D到3D的转化。这一项发明运用了分离（抽出）原理，将图像信号中的关键部分挑选或分离出来，利用光学介质把一束光按不同的光谱区分开，分别传递左右眼图像信息，实现了2D到3D的转化。

从今天的角度来看，由于自身技术的缺陷，早期的3D效果很差，两眼无法看到“应当”看到的画面，因此画面色彩失真，立体效果不良，特别是观众的眼睛往往感到不适。

3.3 发展期1940～1960（第二代3D放映技术）

20世纪50年代埃德温•H•兰德(Edwin H．Land) 的偏振镜头取代了红蓝镜头，让色彩还原更加可信，画面也更加亮丽。偏振技术基本解决了滤光技术的失真问题。偏振技术使投影机投射的非偏振光通过偏振器，同时观看者佩戴分别与图像偏振特性相同的检偏器(眼镜镜片)，可为左右眼提供不同的信息，从而产生深度的概念（图4）。偏振技术体现了TRIZ理论的振动原理和周期性作用原理。相比上一代的3D放映技术，偏振技术使用电振动代替其他振动，达到了更理想的效果。

由于偏振片是37%的透明度，所以画面亮度受到损失。以及偏振技术的成本过高，所以偏振式3D技术对显示设备的要求较高，在当时并未普及使用。

3.4 沉寂期1960～1980（第三代3D放映技术）

由于偏振技术存在着一定缺陷，在20世纪60～70年代的20年间，3D电影的总产量不到30部，3D放映的发展进入了沉寂期。

这一时期，制片人Arch Gobler找到一种方法，改变了对双胶片式放映的需要，叫做Space-Vision 3D技术。同时，Alan Gordon和Chris Venter联手开发出Stereovision技术，利用“视觉暂留”现象把左右眼看到的画面交替地印在35毫米电影胶片上，放映机以48帧/秒（通常放映速度的两倍）的速度放映影片，放映镜头前加上一个周期转动的遮光板，于是两套画面交替出现。这个技术其实是对偏振技术的改良，把圆偏振改进为线偏振。这里体现了TRIZ理论的多维化原理和振动原理。总体来看，前三代3D放映技术为滤光技术到圆偏振技术再到线偏振技术的转变，向着多元化发展。

3.5 复兴期 1980至今（第四代3D放映技术）

经过数十年的发展，如今的3D电影界，呈现出RealD、XpanD 和杜比3家占主导地位的技术供应商“三分天下”的局面。而这3家供应商也分别代表着一种3D放映的技术。

3.5.1 RealD 技术

RealD是对圆偏振技术的改进。原始的偏振技术因为画面亮度太低，因此使用RealD技术的影厅必须换装表面镀有铝的“金属银幕”来弥补偏振片和双眼画面交替播放带来的亮度损失。不过，RealD技术的3D眼镜价格比较便宜，使它相对容易得到推广。

3.5.2 XpanD 技术

XpanD则采用一种相对前沿和复杂的技术，利用人眼的视觉暂留效应来实现3D效果。它的放映机会交替放映左眼和右眼应该看到的画面，使眼镜的左右眼两个液晶滤片像相机快门一样，与银幕影像同步交替开启和关闭。XpanD的眼镜造价很高，而且经常需要维护，这成为它大规模推广的瓶颈。

3.5.3 杜比技术

杜比采用的3D技术是“光谱分光”，是对最早使用的滤光技术的改进。也就是说，这种3D影像的左右两个画面，都含有红、绿、蓝三色信息，但左、右眼应该看到的影像，其光谱成分有所不同。观众佩戴特制的光谱分光眼镜来观看影片，让大脑感受到3D效果。

表1 各3D放映技术的硬件及成本对比

表2 3D放映技术的发展历程的TRIZ分析

通过以上三大技术供应商推出的3D放映技术，不难发现电信号的3D放映技术已经成为主导（表1），而这三家供应商由于其自身技术的优缺点各自占的市场份额也不同（图5）。

在3D放映技术的发展历程中，相关技术的进步起到了极大的促进作用，表2是TRIZ理论的40条发明创造原理在3D放映技术的发展历程中的应用。

4 基于技术系统进化模式的3D放映技术发展分析

根据TRIZ理论中的技术进化模式分析，3D放映技术的进化发展由滤光技术到偏振技术再到眼镜开关技术。可以发现3D放映技术的进化是由光信号到电信号的过程。即尽量保留光振动所产生的图像信号，也就是不断提高成像的清晰度、亮度与完整性。例如第二代3D放映系统的偏振技术出现后，成像的能力加强。3D眼镜增加了系统的可控性，每一代的进化增加了图像的理想化程度和水平，实现了光波场向磁场、电场、虚拟数字场的转化。

5 3D放映技术的发展趋势预测

由宏观系统向微观系统进化预测(图6)，可以分析发现技术进化的最好形式就是由场主导的模式。然而对于3D系统来说，3D图像的实现是通过分光或者是分色然后再用3D眼镜合二为一实现的。分析3D放映技术的发展规律，我们可以做如图7的预测。那么未来的3D技术将用一种场来替代现有的3D眼镜来实现3D的效果，即裸眼3D。

随着3D放映技术的不断发展，裸眼3D的出现将成为可能。现阶段的裸眼式3D技术大多处于研发阶段，并且主要应用在工业商用显示市场。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足。

图5 各3D放映技术的市场份额

图6 增加系统灵活性进化路线

图7 3D技术的进化路线

2013年3月，美国惠普公司宣布，他们研发出一种新型裸眼3D技术，可用于安装在移动设备上。未来人们便可用肉眼直接观看手机上的3D图像。

当然，未来的3D放映技术也可以用于各种领域，例如3D广告，3D投影操作界面，裸眼3D电视，3D电脑，3D导航，3D X光等相关领域（图8）。

图8 未来的3D放映技术

6 结论

3D放映技术，是一场毋庸置疑的视听领域全新革命，人们在慢慢接近更为真实的观看体验。通过分析历史上3D放映技术的演变历程，总结目前主流3D放映系统的特点，可以看出未来的3D放映技术是多元化的，可以应用在更多领域。3D放映技术缘于科技创新的无穷魅力，可以想象未来我们的生活与3D放映技术息息相关。3D放映技术是产品设计、市场管理等各个方面的新课题。3D放映技术的成熟不仅可以带动产品价值提升，也会为我国电影国际化和文化产业振兴奠定了基础。我国的3D革命才刚刚起步，更多全新的3D体验让我们拭目以待。

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[10]中关村在线http://www.zol.com.cn/

[11]图片来源：http://image.baidu.com/