讓我國(guó)3D與3G比翼高飛

1IMAX 3D阿凡達(dá)啟動(dòng)3D新紀(jì)元

2010年1月4日超大屏幕IMAX 3D電影《阿凡達(dá)》在我國(guó)上映時(shí)，像在國(guó)外一樣也引起了轟動(dòng)。繼此之后，除國(guó)內(nèi)出現(xiàn)相繼籌拍3D電影的熱潮之外，隨即還掀起一股3D電視的高潮，過去只在試驗(yàn)室、展覽會(huì)上出現(xiàn)的3D產(chǎn)品，現(xiàn)已進(jìn)入商場(chǎng)。

阿凡達(dá)所帶動(dòng)的不僅是電影產(chǎn)業(yè)的繁榮，將許多人又拉回電影院；同時(shí)也啟動(dòng)了一個(gè)3D新紀(jì)元，其所涉及的不只是3D電影，而會(huì)帶動(dòng)相關(guān)一大批3D產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

人們對(duì)立體影像的熱情曾幾起幾落，一般而言，熱情持續(xù)周期并不長(zhǎng)，也就一、兩年的樣子。迄至上世紀(jì)中葉全息成像發(fā)明以來(lái)，在立體成像方面很少另有重大的理論上的突破，因而表現(xiàn)為：基本上都是建立在雙目視差的基礎(chǔ)上完成其進(jìn)化(Evolution)，而非革命(Revolution)性的進(jìn)展；還往往是靠犧牲圖像本質(zhì)特征：如清晰度、彩色度、亮度來(lái)產(chǎn)生立體感，何況還會(huì)增加成本、增加操作的復(fù)雜性，這有時(shí)甚至是得不償失的；再加上3D片源匱乏，3D知識(shí)的不夠普及更是“雪上加霜”。這就是致使具極大誘惑力的3D遲遲走進(jìn)不了市場(chǎng)的主要原因。

但自從《阿凡達(dá)》所掀起的這一股3D浪潮之后，高潮層層迭起。具有風(fēng)信標(biāo)意義的每年1月在拉斯維加舉行的國(guó)際消費(fèi)電子展(Consumer Electronics Show)，其主題就是3D。日本、韓國(guó)等原先做顯示的各大廠商一個(gè)不少地在參展，如索尼、松下、東芝、夏普、JVC、三菱、三星、LG都重點(diǎn)推出了3D電視。臺(tái)灣也不示弱，正致力于參與盛會(huì)并一展風(fēng)采。在這類會(huì)議上曾很少露面的我國(guó)廠家，如TCL、海爾等也展出了3D電視產(chǎn)品?？磥?lái)，顯示尤其是3D顯示的重心確已移至亞太地區(qū)了。

2我國(guó)3D發(fā)展與國(guó)外的比較

自《阿凡達(dá)》掀起一股3D高潮后，人們已明確地看到現(xiàn)代顯示技術(shù)正處于一個(gè)由2D向3D的轉(zhuǎn)型期，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)沉默了多時(shí)的3D重受重視，日本、韓國(guó)所有生產(chǎn)平板電視的廠家都已轉(zhuǎn)向準(zhǔn)備生產(chǎn)或待生產(chǎn)3D電視，我國(guó)(包括臺(tái)灣)也不例外。因此，如何整合國(guó)內(nèi)的各種力量以參與3D的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)是很重要的課題。此種情勢(shì)，正有些像歷史上的“群雄逐鹿”，大家起步點(diǎn)大致相同，但尚無(wú)一家處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。3D電視是建立在2D電視基礎(chǔ)上的，因此2D電視基礎(chǔ)好一些的或是基礎(chǔ)研究較深入的，如美、日、韓等略占優(yōu)勢(shì)。我國(guó)屬電視生產(chǎn)大國(guó)，對(duì)3D的研究起步并不算晚，甚至十年前就在河南建立了一個(gè)生產(chǎn)3D電視的大廠，可惜當(dāng)時(shí)有些過于超前而不得不停產(chǎn)了。目前，三維公司在天津建立了世界上最大的自動(dòng)立體顯示屏，人們無(wú)需戴眼鏡即可看出是3D廣告；還有，由李昌教授多年收集而建立的3D歷史博物館居世界一流水平；另外，尚有一些其他可圈可點(diǎn)的事例，在國(guó)內(nèi)召開的多次3D會(huì)議上都一一得以展現(xiàn)。國(guó)際上所有新的3D裝置(包括立體電視)都可以在國(guó)內(nèi)看到，其水平雖有所差異但并不是太大，而且我國(guó)還存在著一個(gè)讓人“垂涎欲滴”的大市場(chǎng)正等待著商家去開發(fā)。

3對(duì)國(guó)際上流行的立體成像方法的評(píng)價(jià)

筆者認(rèn)為，近十余年來(lái)所有流行的立體成像方總是以犧牲圖像的某些特性來(lái)獲得的。

現(xiàn)概括戴眼鏡的立體電視3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)紅、青眼鏡法

其優(yōu)點(diǎn)是顯示器不需作任何改裝，可滿屏面放送，眼鏡十分便宜。對(duì)彩色要求不高的場(chǎng)合如工程圖、雕塑制作等仍有用。

其缺點(diǎn)是需要將左、右眼像分別提取紅、青二基色再融合成一個(gè)帶色邊的像，因此有嚴(yán)重的彩色失真，此外亮度也降低許多，清晰度受到影響，而且因鏡片濾色不純而產(chǎn)生串?dāng)_。該方法是目前3D成像質(zhì)量最差的。

(2)偏光眼鏡法

其優(yōu)點(diǎn)是眼鏡較便宜，僅幾十元量級(jí)，且輕巧；新近也將幀頻提高到240赫茲，以其“不閃”特征欲與液晶快門眼鏡電視PK。

其缺點(diǎn)是一般需兩臺(tái)產(chǎn)生著偏光方向相互垂直的電影機(jī)同時(shí)放映；投影的亮度不可能很高，故立體電影院需要關(guān)閉窗戶來(lái)看，并需要特制的不改變偏振方向的屏幕。對(duì)電視機(jī)而言，屏面需作特殊處理，使奇數(shù)行及偶數(shù)行的圖像分別代表左、右眼像而彼此發(fā)出偏振方向相互垂直的光，這增加了屏的制作難度，使成本增高，同時(shí)在垂直方向也將清晰度降低了一半。

(3)液晶快門眼鏡法

其優(yōu)點(diǎn)是顯示屏的變動(dòng)最少，是立體電視最早進(jìn)入商場(chǎng)時(shí)的主流商品。特別是夏普在三基色的基礎(chǔ)上再加上黃色，使色調(diào)鮮艷柔和而獲得好評(píng)。

其缺點(diǎn)是眼鏡液晶必須是有源的，配小電池，價(jià)格較高，約1千元一副；需要對(duì)其掃描電路的幀頻由原有的50或60赫茲提高到240赫茲；一幀左眼像，下一幀右眼像，交替顯示；還要用紅外光發(fā)射同步訊號(hào)使液晶快門眼鏡的左、右眼開關(guān)與之同步；易生串?dāng)_或同步丟失，亮度也有所降低。

再分析隔斷光柵及柱面微鏡做成的裸眼立體，這兩者都犧牲了至少一半的清晰度，而且前者還犧牲了一半以上的亮度，后者雖然在亮度方面有所改善，亮度由塑料薄膜的透光率決定，但比完全透明的玻璃透鏡仍差許多。能看到立體位置的數(shù)目與所采用攝像頭的數(shù)目成正比，同時(shí)又與清晰度成反比。還有一個(gè)缺陷，加上這種膜后降低了觸摸屏的靈敏度，就難以恢復(fù)到原先的水平。正是因?yàn)檫@些原因，荷蘭菲利浦公司研發(fā)雖已領(lǐng)先，但于去年還是終止了這方面的研究。在不惜成本的3D廣告中仍在用該裸眼立體。

4怎樣才能促進(jìn)3D大眾化?

上述這些立體成像的方法各有優(yōu)劣，且圖像幾經(jīng)變換，其圖像質(zhì)量多少有些下降。特別是看慣高清電視的人，更不習(xí)慣。此外操作不便、價(jià)格偏高，也難以讓普通家庭接受。倒是立體聲走到了前頭，且進(jìn)駐了家庭。究其原因，一方面是由于立體成像比立體聲有本質(zhì)性的差異，另一方面是技術(shù)上的難度不可同日而語(yǔ)。立體聲只需在一個(gè)單聲道上，增加另一個(gè)聲道，它們彼此并不相互干擾，也不需要犧牲哪一道的音質(zhì)來(lái)達(dá)到兩聲道的立體聲，甚至是多聲道的環(huán)繞立體聲都能做到這點(diǎn)，誰(shuí)也不干涉誰(shuí)，且是相互補(bǔ)充、相得益彰。這使筆者獲得啟發(fā)，于是決定走“將左右眼像直接融合”的路線。經(jīng)達(dá)十余年的努力，終于研制出兩種屬于這類的產(chǎn)品，使左、右眼像的質(zhì)量沒有受到損失；而且由于其互補(bǔ)作用，反而略有提高。其中之一就是剛獲得發(fā)明專利的“全彩色、高清晰、高亮度立體眼鏡”。在3D領(lǐng)域由原有的互補(bǔ)色、偏振光、液晶快門等立體電視的三種主流方式中，開辟了另一條與人不同的非對(duì)稱偏心透鏡式新路。

5高清晰、全彩色、高亮度立體眼鏡

本項(xiàng)目主要是發(fā)明了一種眼鏡，它能將顯示在任何顯示屏的左眼像及右眼像看出栩栩如生的立體像，無(wú)論它們是靜態(tài)的像或是動(dòng)態(tài)的電影(或錄相)均如此。該眼鏡使看出來(lái)的立體像質(zhì)量最好，其彩色、清晰度、亮度、對(duì)比度均未受到損失，反而由于其互補(bǔ)作用略有提高；使彩色顯得更絢爛、有光澤，細(xì)節(jié)更清晰、亮度略增(相對(duì)于原左、

右眼的平面像而言)。

5.1基本原理

本發(fā)明所根據(jù)的基本原理是：采用光學(xué)方法，將眼鏡的左、右眼鏡片做特殊設(shè)計(jì)，通過它對(duì)光線的偏折及聚焦作用，即可使在顯示屏面上并排放置左眼像及右眼像(即Side by Side格式)的“像對(duì)片”(圖1)融合在一起，當(dāng)人的左、右眼通過它觀看時(shí)就可看出栩栩如生的立體像。這種眼鏡稱為L(zhǎng)R立體眼鏡(圖2)。當(dāng)這種LR立體眼鏡的左、右眼鏡片各自右旋90度，就成為UD立體眼鏡，專門觀看左眼像及右眼像作上、下疊放(即up and Down格式)的立體像。

正由于所采用的光學(xué)玻璃幾乎是全透明的，從而保證了亮度不受損失。又由于透鏡采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使左、右眼像按規(guī)定的方向偏移，并保證它們?cè)谇‘?dāng)位置上融合，而又不產(chǎn)生“串?dāng)_”，于是保證了立體像的完整性。還由于將色差降至最低，保證了彩色無(wú)損傷，使之五彩繽紛，且能顯現(xiàn)光澤，消除畸變，保證了觀察景象的原貌，從而將彗差、球差降至最低限度以保證其清晰度。

5.2技術(shù)關(guān)鍵

透鏡的光學(xué)玻璃透光率要求99.9％以上，透鏡里、外面特殊曲面的精準(zhǔn)度，表面光潔度，安裝準(zhǔn)確度均十分關(guān)鍵。此外要求鏡架質(zhì)量要好，輕而結(jié)實(shí)；鏡片相隔距離的調(diào)節(jié)裝置要靈活；鏡架夾住頭部應(yīng)松緊適配；相配的眼鏡盒及演示光盤均應(yīng)美觀，符合藝術(shù)品要求。

軟件部分，要求有能使初次使用此眼鏡的人較快適應(yīng)的措施，并有能進(jìn)一步提高人們看較大立體圖的訓(xùn)練程序。而各種類型的靜態(tài)圖或活動(dòng)電影都必須是特別吸引人的，而且還包含有教人如何自拍、自制立體像及立體電視或電影的過程。在軟件中應(yīng)有將左眼像及右眼像自動(dòng)合成“像對(duì)”并自動(dòng)加以矯正的過程(包括左、右眼兩路錄相在內(nèi)能合成為一路的“像對(duì)”后就可放映)，按一下按鈕即能完成。

5.3主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

(1)立體直接合成，方法新穎

通過對(duì)左、右眼透鏡的特殊設(shè)計(jì)(非對(duì)稱偏心透鏡系統(tǒng))，將左眼像及右眼像通過光學(xué)方法直接合成立體像；同時(shí)又能保持左眼只能看到左眼像，右眼只能看到右眼像這一立體成像的最基本法則。故無(wú)“串?dāng)_”問題。

(2)光學(xué)特性最佳，無(wú)損失

透鏡由優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃精密制造，光學(xué)玻璃的透光率幾近100％，因而保證了立體像的高亮度。由所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱偏心透鏡的光學(xué)特性已將像差(包括色差、畸變、球差、彗差)降至最小，達(dá)到肉眼難以感知的程度。由于色差的消除，使左、右眼像的色調(diào)不受損失，保持了原有的全彩色；消除畸變以保持不變形失真；消除球差及彗差，以保持圖像的高清晰。同時(shí)該立體像是由兩路合成的，加上人眼又有“擇優(yōu)錄取”的特點(diǎn)，因此上述幾項(xiàng)圖形特性不但不會(huì)降低，反而由于這種互補(bǔ)作用而顯得略有加強(qiáng)。而在目前流行的電視中，液晶快門及偏光鏡的透光率分別約為63％及45％；阻隔光柵的透光率不超過50％；柱面微透鏡受塑料透光率決定，也將亮度降低不少，且對(duì)彩色的鮮艷度也多少有點(diǎn)降低。

(3)無(wú)源眼鏡，物美價(jià)廉

具有這樣優(yōu)良光學(xué)特性的立體眼鏡按理說(shuō)應(yīng)很貴，但由于本發(fā)明采用了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)需同步裝置，不需要小電池驅(qū)動(dòng)，屬無(wú)源眼鏡，實(shí)際上它的價(jià)格只是液晶快門眼鏡(約1千元)的1/3～1/4，故是一種物美價(jià)廉的大眾化立體觀看工具。

(4)顯示器無(wú)需改裝，立馬能用

在任一高清顯示屏(包括手機(jī)屏、各種電腦屏、高清電視屏、電子相冊(cè)屏)上，只要是能接收并在屏上顯示左、右并排，(Side by Side)標(biāo)準(zhǔn)格式的左、右眼“像對(duì)”像，或是上、下疊放(Up and Down)標(biāo)準(zhǔn)格式的左、右眼“像對(duì)”像，無(wú)論是靜止的還是動(dòng)態(tài)的，均可以用這種LR型或UD型立體眼鏡來(lái)看到栩栩如生的靜態(tài)立體像或動(dòng)態(tài)的立體電影。而這些顯示器無(wú)需作任何改裝，拿過來(lái)就可以用。因此這種立體眼鏡的適用范圍十分廣泛。

(5)節(jié)目源兼容，易自己制作

現(xiàn)在用偏振光與液晶快門立體像的原始格式都是先做成左右并排或作上下疊放的。因此本發(fā)明的這種立體眼鏡的節(jié)目源就是與之兼容的原始格式，故保證了立體節(jié)目源的來(lái)源。如果你有立體相機(jī)或攝像機(jī)(包括具有雙攝像頭的3G立體手機(jī))，節(jié)目可以自制(DIY)并能即時(shí)欣賞；特別是對(duì)靜止物體(例如人物、花卉)用一般可拍照的手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)就可，即先拍一張得左眼像，再平移約兩眼的距離(約6.5厘米)再拍一張得右眼像，將它們并排放在一起構(gòu)成“像對(duì)”即可觀看。

(6)適應(yīng)人群最廣，對(duì)眼睛有益無(wú)害

此眼鏡對(duì)老、中、青甚至8歲以上的兒童均適用(立體盲除外)，盡管各人的視力有所不同，其觀察位置不一樣，方法也略有不同，但總可以找到適合自己的最佳位置。初次看時(shí)需要有點(diǎn)耐心，因?yàn)槟銖奈从羞^這樣的經(jīng)歷；一旦看出來(lái)了，以后怎么看就怎么有了，而且愈看愈立體。起先應(yīng)從小一點(diǎn)的畫面看起，經(jīng)過多次訓(xùn)練觀看，在慢慢適應(yīng)后，畫面就可以不斷擴(kuò)大。如果有耐心最終在55寸的屏面上都可以看出立體像。兩眼視力度數(shù)不一樣甚至差別較大的人也同樣能看出立體像，這是因?yàn)槿丝偸怯煤靡稽c(diǎn)的眼睛看清景物，而差一點(diǎn)的那只眼睛只是用來(lái)確定前后位置。此外有文指出，?？纯催@種立體像，等于給眼睛做體操，并增加眼睛的靈活性，還可以推遲老花眼的發(fā)生。并可以逐漸糾正如斜眼等非正常眼的視力，當(dāng)然一次時(shí)間不宜太長(zhǎng)。以5～10分鐘為宜。

6讓手機(jī)變成一個(gè)小型立體攝像機(jī)

在3G時(shí)代，所有的3G手機(jī)都帶有攝像頭及顯示屏，以便與對(duì)方進(jìn)行可視電話通訊。毫無(wú)疑義，這種款式將延伸到4G時(shí)代。隨著時(shí)代的進(jìn)步，這樣的攝像頭起碼在200萬(wàn)像素以上，有的甚至高達(dá)1千萬(wàn)像素左右，因此其本身就相當(dāng)于一部數(shù)碼相機(jī)。按照拍立體像的規(guī)則先拍一張，然后平移約6.5厘米(人兩眼相隔的距離)再拍一張，隨高清晰全彩色立體眼鏡所附的軟件會(huì)幫你合成左右并排的像對(duì)，再輸入到手機(jī)屏、筆記本或臺(tái)式電腦屏上甚至高清電視屏或任何電子相冊(cè)上，用此立體眼鏡均可以看出栩栩如生的立體像，而且清晰度、彩色、亮度均不會(huì)降低，反而由于其互補(bǔ)作用而略有增強(qiáng)。這時(shí)手機(jī)屏面不需作任何改動(dòng)，其效果要比在手機(jī)屏面上加微柱鏡面薄膜而能直接看出立體像的效果要好。我們現(xiàn)在正在相關(guān)研究所進(jìn)行研制能拍攝動(dòng)態(tài)景物的雙攝像頭手機(jī)，利用這種手機(jī)不僅可以拍攝處于動(dòng)態(tài)中的立體像，而且可以攝制立體電影，同樣可用這種立體眼鏡在上述已有的各類顯示屏上觀看，特別是可以即拍即傳發(fā)送至遠(yuǎn)處供人實(shí)時(shí)觀賞。這種帶雙攝像頭的手機(jī)我們稱之為3D+3G/4G產(chǎn)品，很有時(shí)代意義，并很有實(shí)用價(jià)值。人們所看到的立體像或錄相居然是自己親手拍出來(lái)的，這就更具新意；同時(shí)還鍛煉了DIY(Do It by You rself)能力，而這正是國(guó)內(nèi)青少年需要加強(qiáng)的。如果你嫌手機(jī)屏幕太小，看立體像還不過癮，那就可以用藍(lán)牙技術(shù)或USB接口聯(lián)到附近的電腦或高清電視上觀看，也可利用3G手機(jī)的特性作遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳播。

上述非對(duì)稱偏心透鏡式3D眼鏡和雙攝像頭3D+3G/4G手機(jī)配套，成為立體攝影、攝像與觀看立體像和立體電影的一體機(jī)，由于價(jià)格適中，成像質(zhì)量最高，特別是便于DIY，能被大眾親自掌控隨時(shí)隨地拍攝立體影視而將受到大眾歡迎。它完全可以成為立體電視所配制的互補(bǔ)色、偏振光、液晶快門三種眼鏡之外的第4種標(biāo)配眼鏡；還可以成為任何一種高清顯示器的標(biāo)配(包括電腦、電視等)，一旦顯現(xiàn)出左右并排(Side bySide)格式的像，用它就可馬上看出立體像。它有點(diǎn)像自行車，即使將來(lái)有奔馳、寶馬出現(xiàn)(相當(dāng)于未來(lái)最理想的全息立體真的實(shí)現(xiàn)了)，它也會(huì)與之并存的。因它有大眾化的特點(diǎn)，而其成像質(zhì)量又是上乘的，它將是一個(gè)普及3D的好工具，也是3D新紀(jì)元的排頭兵，其市場(chǎng)前景應(yīng)非常誘人?？梢灶A(yù)期，中國(guó)3D將可以乘移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的東風(fēng)與3G/4G比翼高飛，故有可能使我們?cè)缇吞岢龅目谔?hào)：“讓立體成像技術(shù)從專家手中傳給數(shù)碼相機(jī)及手機(jī)擁有者；讓立體像像立體聲一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶以美化人們的生活!”得以逐步實(shí)現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介

丁守謙：1950年進(jìn)入清華大學(xué)物理系，1953年北京大學(xué)物理系畢業(yè)，1956年北大研究生畢業(yè)，研究電子光學(xué)。任南開大學(xué)信息學(xué)院電子科學(xué)系教授。曾任國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)(SID)理事，年度獎(jiǎng)評(píng)委及首任北京分會(huì)理事長(zhǎng)。現(xiàn)為中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士，享受政府特殊津貼。于1989年獲國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。退休后從事立體(3D)成像研究，獲發(fā)明專利，有專著一部，著作4部。新近出版《創(chuàng)新的吶喊》一書。為中國(guó)的3G-TDSCDMA奔走呼吁。2008年12月22日應(yīng)邀進(jìn)中南海參加十專家有關(guān)3G會(huì)議。