立体显示技术的分类与进展

李 超 / 康献斌 / 时大鑫 / 李书政

(郑州中原显示技术有限公司，河南 郑州 450001)

0 前言

3D显示技术也称为立体显示技术。100多年前，法国物理学家李普曼在世界上首次提出物象可以用立体的形式展现出来。随着科技的发展，先后出现了种类繁多、各具特色的3D显示技术。至今为止，应用最广泛的3D技术仍然是偏振型3D技术，其典型应用之一就是立体电影院的立体投影显示系统。根据成像原理，3D显示技术可分为双图像3D、真三维和全息显示。

1)双图像3D(Double-image 3D)

目前，该技术已得到广泛应用，如立体电影院、3D电视机等。根据是否需要借助外部设备又分为需要佩戴3D眼镜和无需佩戴3D眼镜两类技术。

2)真三维(True 3D)

真三维即真3D，之所以出现这样的词汇是因为双图像3D仅仅是在水平方向上重现3D，但是不同角度所视物象是相同的，而垂直方向上则完全没有3D效果。真3D的意义就在于水平、垂直方向上均呈现3D效果，且不同视角所视图像也不相同。

3)全息显示

全息即全部信息。通常情况下，一张全息图是摄影录音的光场，全息图本身不是普通定义的图像，它是一种干扰模式、高密度摄影媒体的物象表面轮廓的光场再现。

在上述各种3D显示技术中，目前只有偏振型基于双图像的3D显示技术得到了大规模应用。绝大部分立体电影放映设备(包括IMAX)都采用的是偏振型3D投影显示技术。下文将对各种3D显示技术以及与3D显示相关的技术予以介绍。

1 基于双图像的3D显示技术

基于双图像(Double-Image)的3D显示技术是迄今为止真正得到大规模应用的3D显示技术。基本原理是由信源端采集视角有区别的两幅图像(左图像和右图像)，分别送入观看者的左眼和右眼，从而在观看者的大脑中产生立体感。由于其信源是表征左、右眼的双图像，因此也称为双目型3D显示。应用最广泛的立体电影和3D广播电视都属于此种类型。根据具体实现方式的不同，基于双图像的3D LED显示技术又可以分为双色型、电子快门型、偏振型和裸眼型等。

1.1 双色型3D显示

此种3D显示技术需要观看者佩戴专用眼镜，两个镜片分别由红色和青色(蓝色)滤光片构成，观看经过特殊制作的图像(左、右图像的主色调分别由红色和青色构成)来产生立体效果。由于滤光片将过滤掉其他颜色的光，因此每只眼睛均不可以感受全部色彩，所以此类3D显示是属于“信息缺失”型3D显示，因此该技术无法得到大规模应用。

1.2 电子快门型3D显示

此种3D显示技术需要观看者佩戴特制的电子眼镜，眼镜的左、右镜片前端有电子快门控制。快门关闭时图像被遮挡，打开时才可看见前方图像，在任意时刻都保持一个镜片开启而另一镜片关闭的状态。快门的控制与显示图像同步，左镜片开启时显示左图像，右镜片开启时显示右图像，循环往复。此类显示技术并不丢失任何色彩，但在任何时候都仅有一只眼睛可以看到图像，所以也存在一些难以克服的问题。

1)由于任何时刻都只有一只眼睛可以看到图像，而在大脑中由中枢神经合成第三眼的立体感必须有左、右眼两个图像共同完成，需要反复利用大脑表皮细胞进行信息存取，会使观看者产生严重的疲劳感。

2)此类系统在控制端增加了倍频器，用来交替显示左、右图像并控制电子眼镜的同步，造价高昂，维护和使用不便。

3)电子快门型3D显示由于在时间轴上左、右交替显示，在时间轴上会产生很大的失真。

1.3 偏振型3D显示

此种3D显示技术使用两种不同方向的偏振系统分别作用于左、右眼图像，是目前所有3D显示类型中立体效果最突出的一种。偏振型3D显示利用光偏振原理来分解原始图像。系统向观看者输送两幅光线振动方向不同的画面，当画面经过偏振眼镜时，观看者的左、右眼能同时接收左、右两组画面，再经过大脑合成立体影像。偏振型3D显示的优点包括：1)显示色彩损失最小，色彩显示更接近其原始值。2)原偏振系统左眼图像被右眼看到的情况几乎不可能发生，所以偏振式3D在眼睛倾斜到一定角度时依然能显示高质量的3D画面。3)眼镜成本低、佩戴舒适、无大小限制、无电子元件辐射等。4)偏振型3D显示不会产生双色型及电子快门型常见的3D眩晕感及疲劳感。

偏振型LED立体显示系统可用于电影院、大专院校、高端社区、大型购物中心、会展中心及高端会所、3D教育、军事指挥以及航天指挥中心的立体显示等场合。图1所示为在迪斯尼总部的应用。

图1 显LED 3D显示系统进驻迪斯尼总部

1.4 裸眼型3D显示

裸眼型3D显示也称为“自由视3D显示”，其基本原理是采用交叉打光等方法使左眼图像进入左眼，右眼图像进入右眼。由于裸眼型3D显示没有分离器，因此如何将左、右图像准确地送入对应的眼睛就是最核心的问题。尽管采取了各种措施，裸眼型3D显示的分辨率、视角以及立体效果这几项核心指标均无法和偏振型相比。笔者所在单位试验过的裸眼型LED屏幕有狭缝光栅和柱面镜型等。在多视点系统中，虽然视点数越多，裸眼3D的可视角度越大，但是分辨率也越低，而且所谓的“出屏效果”也更差。就目前情况看，各种类型的裸眼显示的市场量加起来也不足偏振型市场量的1%，因此，本文主要介绍偏振型大型3D显示的实际应用。不同视点的节目制作和帧结构详见图2～4。

1.4.1 狭缝光栅型3D显示

图5所示为狭缝光栅系统的基本原理，图6所示为狭缝光栅的光栅结构。狭缝光栅型3D显示的基本原理是显示屏前面设立专门的光栅，在任何一个角度都只能通过狭缝看到特定的两个视点的图像，当前后、左右移动距离时，看到的两个视点也发生变化。这里要说明的是，图6的排列没有统一标准，完全可以自行设定。

图2 8视点3D节目制作

图3 28视点3D节目制作摄像机矩阵

图4 128 视点3D节目制作摄像机矩阵

图5 狭缝光栅3D显示的原理示意

图6 狭缝光栅的结构示意

1.4.2 柱面镜型3D显示

柱面镜3D显示原理是基于凸透镜的折射原理，如图7所示，图8所示为一个6视点的柱面镜裸眼显示的原理示意图。

图7 柱面镜裸眼3D显示原理

图8 柱面镜的覆盖示意图

1.5 其他裸眼型显示技术

1.5.1 方向性像素3D显示

美国惠普公司开发了一种名为“方向性像素”(directional pixel)的技术，在显示屏上制作了大量纳米级宽度的沟槽，向不同方向发射光线。每个方向性像素都有三组沟槽，可以向不同方向射出红光、绿光、蓝光，然后由这三种原色叠加出不同的颜色，最终得到立体效果。

1.5.2 多层裸眼3D显示

2009年4月，美国PureDepth公司宣布研发出改进后的裸眼3D技术——MLD(multi-layer display，多层显示)。这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板，实现裸眼看文字及图画时所呈现3D影像的效果。

2 真三维(3D)显示技术

真三维的类型很多，由于近年来此类技术层出不穷，也出现了原理相互交叉的类型，在区分以及划类上没有统一标准。这里主要是指使用显示像素的深度分度来直接观察到具有物理景深的三维图像。下文对不同类型的显示进行说明。

2.1 体3D显示

体三维显示(Volumetric 3D Display)是真三维显示的代表性技术，体三维显示技术目前可分为扫描体3D显示(Swept-Volume Display)和固态体3D显示(Solid-Volume Display)两种，前者是基于发光面的旋转结构，如图9～10所示，一个电机带动一个发光面，比如一块LED显示板高速旋转，由R、G、B三基色形成图像，在不同角度上显示也不同，发光板看上去变得透明了，这个亮点仿佛是悬浮在空中，成为一个体3D显示。

图9 LED立体旋转屏体3D显示系统

图10 高速旋转投影屏的结构示意

2.2 全息显示技术

全息技术(Holography)自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速发展，其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位(图11)。由于保留了原有物光波的全部振幅与相位信息，故与原物有着完全相同的三维特性。即人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包括各种位置视差。

图11 全息照片获取原理

2.3 基于MEMS光束扫描的LHE 3D显示技术

MEMS光束扫描型方法被命名为超长距离空间光束均匀发射(Light Homogeneous Emitting，LHE)新型三维立体显示方法。实际搭建的LHE三维显示器从实验论证了新型研究思路的可行性并获得出色成果。同时得益于无光学畸变的高精度光束发射，该方法也在裸眼立体显示深度上获得重大突破，为实现超长距离裸眼立体显示寻找到有效途径。通过实时控制MEMS光束，可制作超长距离的动态裸眼立体影像显示器，现阶段生成的立体图像纵深超过6m。此外，结合可控输入数据源与扫描模式，LHE三维显示装置将实现包括二维、多视点立体及裸眼三维立体全像等模式在内的多模态动态影像显示。图12所示为清华LHE裸眼 3D项目，该项目正是100多年前李普曼所提出的蝇眼式集成真立体技术的一个体现。

图12 清华LHE裸眼3D项目

3 虚假视频的识别与界定

市面上流行过许多虚假的“超级全息3D投影”，这些虚假视频的出现对于3D技术的正常发展起了很坏的作用。如Magic Leap一条大鲸鱼落地(图13)、支付宝‘如影计划’(图14)、法国Cicret手环(图15)、法国餐厅(图16)等。

图13 Magic Leap的著名“一条大鲸鱼落地”的3D“全息显示”视频截图

图14 支付宝如影计划

图15 Cicret发布的视频截图

关于Pepper′s Ghost(图17)，虽然并非完全是虚假视频，但其实质和所宣传的内容完全不同。都是使用了一种称为“Pepper’s Ghost(帕博尔幻象)”的“技术”，与其说成是技术，还不如说这是一种魔术。

图16 所谓的法国餐厅全息3D投影

图17 最忆是西湖的Pepper’s Ghost效果

4 2D/3D转换技术

在我国，2D转3D的技术领头单位是清华大学和北京大学。“2D转3D”既然是“转”，就一定和“原生态”有不同之处，而实际上这个差别很大，2D转3D的优势是可以将以2D方式记录的视频经过转换成了“3D”，但是同样由于技术原因存在着各种由于转换而产生的弊病。随着3D获取技术的进一步发展，2D转3D技术的发展速度日渐放缓。

5 3D视频的生成、编码、传输和3D技术相关标准

5.1 3D视频的生成、编码、传输

3D视频的生成主要是3D动漫的制作、3D摄像机的直接生成以及两者的结合。

在编码方面，当前3D视频的主流编码技术主要有H.262、H.264和H.265，由北大主持制定的AVS-2编码技术也得到了推广；在传输方面，由清华主持的DTMB、DTMB-A技术已经被认定是国际上效率最高、综合技术指标最强的传输技术。我国目前有6个3D广播电视频道，当前的发展前景尚不明显。

对于3D视频的传输，笔者所在单位有着独特的专利技术，在2011年，提出过“双路全高清”的传输概念，最近，随着“真3D技术”的发展，又提出了使用单一信道完成四通道视频传输的理论(图18)，以上的专利申请均获得授权。

图18 “四合一”视频编码概念

5.2 3D技术相关标准

谈到3D标准，自然会想到3D广播电视标准，目前在我国的6个有3D频道的电视台使用的都是由欧广联A-154标准演变过来的总局标准，在这方面，国际上的发展也尚不明朗。

为了发展3D事业，欧广联、ITU、SMPTE都发布了大量针对3D广播电视的标准，这些标准涉及到3D技术的各个方面。对于3D电影方面，主要还是应用DCI标准。

在我国，按照国务院的工作范围划分，3D广电的标准制定属于广电总局负责。具体的提出主要是由总局的两个电视研究所主持；3D电影的研究工作按照业务划分由总局电影所主持。

在3D显示屏的标准方面，由工信系统的“3D产业联盟”做了大量工作。

6 结束语

在3D技术各方面的发展中，我国有了一定的进展，在LED大屏幕的发展方面，由于中国的LED显示屏在世界上的分量相对最大，未来将大有作为。

[1] 李超, 时大鑫等. 偏振型LED3D大型显示系统. 技术报告[R]. 2012.

[2] 李超. 超高清晰度电视与三维电视进展[J]. 电视技术，2011, 35(22):19-24.

[3] Angelo G. Solimini “Are There Side Effects to Watching 3D Movies? A Prospective Crossover Observational Study on Visually Induced Motion Sickness” PLOS ONE February 2013 | Volume 8 | Issue 2 | e56160.

[4] 李超. LED立体大屏幕与3D眩晕综合症[R]. 中国图象图形学学会第七届立体图象技术学术研讨会, 2013.

[5] 李超. 下一代显示技术——高清+3D论LED立体大屏幕[R]. 深圳“LED高峰论坛”, 2014.

[6] 李超等. LED立体大屏幕在现代军事的应用[J]. 电子科学技术, 2014(3).

[7] 李超等. LED三维显示屏与教育信息化[J]. LED屏显世界, 2014(12).

[8] 李超 .人類3D視覺與大型健康型顯示技術[R]. 2017 香港会展中心“第十屆數字電影特效高峰論壇”, 2017.