3D顯示技術(shù)的原理及應(yīng)用

劉妍秀

(長春大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

3D顯示技術(shù)的原理及應(yīng)用

劉妍秀

(長春大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

介紹了常見的3D顯示技術(shù)的基本原理，對各種3D技術(shù)的優(yōu)缺點進行了闡述，對3D顯示技術(shù)目前的普及狀況和應(yīng)用領(lǐng)域作了詳細(xì)說明。

人眼成像;偏光式3D;主動快門式3D;多層顯示3D

3D顯示技術(shù)也被稱為三維立體顯示技術(shù)，最早是由英國電影先驅(qū)William Friese-Greene在20世紀(jì)初發(fā)明的。經(jīng)過了一個世紀(jì)的發(fā)展，3D顯示技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步。目前常見的3D顯示技術(shù)有紅藍(lán)濾光成像技術(shù)，偏光式3D技術(shù)，主動快門式3D技術(shù)等等。市場上使用3D顯示技術(shù)的各類產(chǎn)品也越來越多。例如電影，電視，投影儀，數(shù)碼相機，手機等等。與2D顯示技術(shù)相比，3D技術(shù)能夠給觀眾帶來無以倫比的視聽體驗，滿足觀眾不斷增長的視聽需求。3D顯示正在成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流和趨勢。

1 2D與3D顯示技術(shù)的定義及特征

1.1 2D顯示的定義及特征

2D也叫二維，指的是平面圖像顯示。2D圖形只有水平的X軸與Y軸，沒有縱向的Z軸。從常見的LCD顯示器的物理參數(shù)中，我們就可以看到2D顯示技術(shù)的一些基本要素:

1.1.1 分辨率

分辨率是顯示器最重要的參數(shù)之一，指的是顯示器屏幕上像素點的多少。它決定了被顯示圖像的清晰度。在顯示器大小固定的情況下，分辨率越高，單位面積內(nèi)的像素點越多，顯示的圖像就越清晰。常見的分辨率有1024x768，1280x1024等。

1.1.2 點距

點距指的是兩個像素點間的距離，單位是毫米(mm)。距離越小，畫面越細(xì)膩。

1.1.3 對比度

對比度指的是圖像中白色最亮的部分與黑色最暗的部分之間的等級。對比度越高，色彩的反差越大，圖像越鮮明亮麗。

1.1.4 色彩數(shù)

色彩數(shù)指的是每個像素點能夠顯示的顏色的數(shù)目。如果每個像素點用8bit大小的內(nèi)存空間存儲，那么每個像素點就可以顯示256種不同的顏色。色彩數(shù)越大，顯示的圖像越接近真實。

1.1.5 可視角度

可視角度指的是在保證圖像不失真的情況下，視線與屏幕中央的夾角。可視角度越大，能夠觀看的人數(shù)越多。

1.2 3D顯示的定義及特征

3D也叫3維，指的是立體圖像的顯示。除了2D顯示的一些特征之外，3D顯示技術(shù)還具有深度要素［1］。

深度指的是縱向的Z軸，這也是3D與2D顯示技術(shù)的根本區(qū)別。傳統(tǒng)的2D顯示技術(shù)也是能夠通過陰影，光照等因素模擬出3D效果的。但這種效果與真實世界中的三維效果有著本質(zhì)差別。2D技術(shù)由于沒有保存實物的深度信息，所以并不能夠描繪3D效果的真實細(xì)節(jié)，只是通過環(huán)境因素對3D效果進行的粗略模擬。3D顯示技術(shù)由于保存實物的深度信息，所以才能夠描繪真實的深度細(xì)節(jié)，給人帶來身臨其境的感受［2］。

2 3D顯示技術(shù)的種類及原理

在介紹3D顯示技術(shù)原理之前，讓我們先看一下人眼成像的基本原理。人們之所以能夠輕易地判斷出物體在空間中的位置及不同物體間的相對位置，是因為人眼具有立體視覺［3］。人的雙眼之間的距離大概在6厘米左右，在觀察現(xiàn)實世界的物體時，由于存在這6厘米的間距，兩個眼睛所觀察到的影像會存在細(xì)微的差距。這個細(xì)微的差距，叫做像差。兩個眼睛觀察到的兩幅具有像差的圖像，在轉(zhuǎn)化成電信號后傳遞到人的大腦，大腦通過對兩幅圖像進行比對，獲取物體的深度信息，經(jīng)過復(fù)雜的處理最終在大腦中形成物體的立體影像。人眼成像的過程如圖1所示。

常見的3D顯示技術(shù)有紅藍(lán)濾光成像技術(shù)，偏光式3D技術(shù)，主動快門式3D技術(shù)以及多層顯示技術(shù)等。

圖1 人眼成像的原理圖模型

2.1 紅藍(lán)濾光成像技術(shù)

紅藍(lán)濾光成像也叫做色差式成像技術(shù)。這種技術(shù)成像原理最為簡單，成本也最低廉，當(dāng)然3D效果也是最差的。這種技術(shù)需要觀看者佩戴紅藍(lán)立體眼鏡。之所以稱之為紅藍(lán)立體眼鏡，是因為這種眼鏡的兩個鏡片分別為紅色和藍(lán)色，能夠?qū)Ξ嬅嬷袑?yīng)的紅色和藍(lán)色進行過濾。如果將左眼和右眼看到的具有細(xì)微差距的兩幅圖像印刷在同一副圖像中，那么由于紅藍(lán)眼鏡的過濾作用，同一副圖像就會被還原為兩幅具有細(xì)微差距的原始圖像，分別映射到左眼與右眼。根據(jù)人眼成像的基本原理，最終在大腦中形成立體影像。圖2表示了紅藍(lán)濾光成像的基本原理。

圖2 紅藍(lán)濾光成像原理圖

2.2 偏光式3D技術(shù)

偏光式3D技術(shù)(Polarization 3D)是國內(nèi)大部分院線采用的技術(shù)。這種技術(shù)利用了光線具有振動方向的特性。首先利用這種特性將圖像按照水平與垂直兩個方向分解成兩組畫面。觀看者通過佩戴具有偏光鏡片的特制眼鏡，將這兩組畫面分別映射到左眼和右眼。經(jīng)過大腦的合成后形成3D影像。這種技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)3D影像的顯示，但是由于在圖像的處理過程中，將一幅畫面分成了兩幅，結(jié)果就會造成分辨率減半，清晰度大大降低。

偏光式3D技術(shù)與紅藍(lán)濾光成像技術(shù)原理相似，唯一不同的地方是兩種技術(shù)對光線的過濾方式不同。紅藍(lán)濾光成像技術(shù)對顏色進行過濾，而偏光式3D技術(shù)對光的方向進行過濾。

2.3 主動快門式3D技術(shù)

主動快門式3D技術(shù)與偏光式3D技術(shù)一樣，都是利用了人眼成像的基本原理，但是在如何形成具有像差的兩幅圖像的方式上具有明顯區(qū)別。主動快門式3D技術(shù)以幀為單位，左眼與右眼的圖像分別對應(yīng)不同的幀，連續(xù)交替的顯示。左眼對應(yīng)的幀顯示在屏幕上時，通過顯示器上的紅外線控制開關(guān)，將觀看者佩戴的3D眼鏡的右眼鏡片關(guān)閉。反之則關(guān)閉左眼鏡片，使雙眼能夠在正確的時間看到正確的幀畫面。與偏光式3D技術(shù)不同，由于雙眼對應(yīng)不同的幀畫面，因此分辨率不會有任何降低，保持高畫質(zhì)。圖3介紹了主動快門式3D技術(shù)的原理。

圖3 主動快門式3D技術(shù)原理圖

2.4 多層顯示技術(shù)(Muti-Layer Display)

之前介紹的三種3D成像技術(shù)都需要觀看者佩戴3D眼鏡，這就在一定程度上限制了觀看者得數(shù)量。如果觀看者患有近視，那么很難獲得愉悅的視聽感受。多層顯示技術(shù)屬于裸眼3D技術(shù)的一種，對于觀看者來說，不需要佩戴眼鏡即可看到立體的畫面，非常方便。

多層顯示技術(shù)是2009年由美國PureDepth公司發(fā)明的。從物理結(jié)構(gòu)上看，MLD技術(shù)需要兩塊或兩塊以上同樣大小的液晶面板重疊排放，兩塊面板之間存在微小的距離。這種物理結(jié)構(gòu)決定了人眼所感覺到的視覺深度的真實存在。另外通過圖像處理軟件模擬人腦對像差的處理過程，以及根據(jù)像差計算出真實的深度。最終將處理后的數(shù)據(jù)刷新到多層液晶面板。

2.5 各種3D成像技術(shù)的優(yōu)缺點對比

表1描述了各種3D成像技術(shù)的優(yōu)缺點對比情況。

表1 各種3D技術(shù)的優(yōu)缺點對比

從上圖中不難看出，多層顯示技術(shù)已經(jīng)解決了3D顯示技術(shù)中的很多難題。不過由于專利問題，多層顯示技術(shù)并未得到大規(guī)模應(yīng)用，利用該技術(shù)的產(chǎn)品依然很少。另外為了進行快速的三維圖形顯示，VRAM還需要存儲大量的圖像數(shù)據(jù)［4］，對于顯示硬件有更高的要求。這也是多層顯示技術(shù)未得到大規(guī)模應(yīng)用的另一個原因。

3 3D顯示技術(shù)面臨的根本問題

3D顯示技術(shù)面臨的最大的問題是觀眾長時間觀看時，如何消除不舒適的感覺。當(dāng)2010年初，詹姆斯·卡梅隆執(zhí)導(dǎo)的《阿凡達(dá)》在國內(nèi)上映時，引起了非常大的轟動。《阿凡達(dá)》有2D，3D和IMAX－3D三種版本，在給觀眾帶來震撼的視覺享受的同時，也有很多觀眾反映，觀看3D版本時發(fā)生了頭暈，惡心等癥狀。這些癥狀產(chǎn)生的根本原因在于，目前各大院線使用的是偏光式3D技術(shù)或主動快門式3D技術(shù)。這兩種技術(shù)的共同特征是觀看者必佩戴3D眼鏡，左右鏡片通過快速開關(guān)實現(xiàn)左右眼分別觀看自己的圖像。這種方式屬于強制性的對人眼的屈光狀態(tài)進行修正［5］，如果人眼長時間處在不正常的狀態(tài)，勢必造成頭暈，惡心等癥狀。

4 3D顯示技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

最早的3D顯示技術(shù)到現(xiàn)在經(jīng)歷了很長的時間。目前支持3D顯示技術(shù)的產(chǎn)品非常多，包括數(shù)碼相機，手機，電視，游戲機，筆記本，投影儀，MP4等等。因此可以說3D顯示技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在影視傳媒，家庭娛樂，公共信息傳播等領(lǐng)域有著不錯的表現(xiàn)。其中3D電影方面已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，3D電視產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展和完善中。

4.1 3D電影領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

電影電視作為傳統(tǒng)影視傳媒領(lǐng)域的兩大媒介，相對于報紙，雜志而言具有無可比擬的優(yōu)勢。但是隨著顯示技術(shù)的不斷革新，2D顯示技術(shù)已經(jīng)不能滿足觀眾對顯示效果的不斷追求。在這種情況下，影視傳媒領(lǐng)域成為最早應(yīng)用3D顯示技術(shù)的領(lǐng)域。其中3D電影從內(nèi)容拍攝，后期制作到播放的整個過程已經(jīng)完全實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。從技術(shù)上講，3D攝影機，3D數(shù)字放映機等設(shè)備已經(jīng)非常成熟，在3D電影的整個產(chǎn)業(yè)鏈上，已經(jīng)不存在技術(shù)方面的問題。設(shè)備成本方面，索尼，松下等廠商提供的專業(yè)的3D攝像機價格在20萬人民幣左右，相對于整部電影的拍攝成本而言，是完全可以接受的。

4.2 3D電視與3D電影的優(yōu)缺點對比

4.2.1 3D電視的優(yōu)點

與3D電影相比，3D電視既有明顯的優(yōu)勢，也有很多不足之處。觀眾在觀看3D電影時，需要佩戴沉重的3D眼鏡，非常影響觀看時的感受。對于近視的觀眾而言，更是無法達(dá)到預(yù)期的效果。3D電視利用裸眼3D技術(shù)很好的解決了這個問題，使觀眾在不佩戴眼鏡的情況下，也能獲得身臨其境的視聽感受。

4.2.2 3D電視的缺陷

3D電視的缺點也很明顯。目前3D電視的價格接近2萬元，除了電視本身的價格，還需要額外配置專門的播放設(shè)備，碟片，眼鏡等等，對普通消費者而言，這些都是不可能接受的。另外3D資源不足是形成3D電視產(chǎn)業(yè)的另一個困難。3D顯示技術(shù)雖然誕生了很久，但是真正在產(chǎn)品中使用3D技術(shù)卻是最近幾年的事情。這也造成了3D資源不足的情況。另外拍攝一部3D節(jié)目需要的成本比制作普通節(jié)目的成本大的多。制作完成后受眾群體很小，收益很難達(dá)到預(yù)期。這也是3D電視難以真正普及的一個重要原因。

5 結(jié)語

雖然3D顯示技術(shù)的發(fā)展仍然面臨各種各樣的問題，但是最近幾年，3D顯示技術(shù)已經(jīng)有了較大進步。特別是裸眼3D技術(shù)的不斷成熟，帶動了3D電視領(lǐng)域的新一輪革新。在眾多一線廠商，例如三星，夏普，LG，創(chuàng)維，長虹等廠商的不斷努力下，相信在未來的十年內(nèi)，將涌現(xiàn)出更多的3D電視產(chǎn)品，3D顯示技術(shù)在其它領(lǐng)域也將獲得長遠(yuǎn)的發(fā)展。

［1］ Barry G.Blundell.Creative 3D Display and Interaction Interfaces:A Trans-Disciplinary Approach［M］.USA WILEY-INTERSCIENCE.2006.

［2］ Bahram Javidi.Three-Dimensional Television，Video，and Display Technologies［M］.USA，springer，2002.

［3］ 王瓊?cè)A.3D顯示技術(shù)與器件［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［4］ 楊文顯，黃春華，胡建人.現(xiàn)代微型計算機原理與接口技術(shù)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［5］ 戴瓊海，曹迅，爾桂花.3D視頻通信［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

Principles and Application of 3D Display Technology

LIU Yan-xiu

(College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper describes the basic principles of 3D display technology，intruduces the advantages and disadvantages and discusses the current popularity and application prospect of 3D technology in detail.

human visual system;polarization 3D;active shutter 3D;multi-layer display 3D

TN919.8

A

1009－3907(2011)12－0052－03

2011-09-14

劉妍秀(1984-)，女，吉林長春人，助理實驗師，主要從事計算機方面的研究。

責(zé)任編輯:吳旭云