3DTV的立體顯像技術(shù)

韓振雷

（山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049）

1 立體成像的基本原理與特點(diǎn)

視差是3D成像技術(shù)的基礎(chǔ)，有一定視差的左眼和右眼圖像在大腦中“合成”后，就可形成具有一定深度感的立體畫(huà)面。在縱向空間上，中間的物體基本呈現(xiàn)在屏幕層面上，而其前后的物體則游離到了屏幕之外，這一現(xiàn)象叫出屏，近端的物體處在屏幕和觀眾之間，遠(yuǎn)端的物體則朝屏幕的另一方向呈現(xiàn)為出屏狀態(tài)[1]。

景物是否出屏以及出屏的方向取決于三維攝像機(jī)兩個(gè)鏡頭會(huì)聚點(diǎn)的具體位置。鏡頭的會(huì)聚點(diǎn)（Conver?gence）即兩個(gè)鏡頭光軸的相交點(diǎn)，多數(shù)情況下在鏡頭的景深范圍之內(nèi)，偶爾也可根據(jù)造型需要，處于景深范圍之外。在需要佩帶立體眼鏡的顯示終端上，處于鏡頭會(huì)聚點(diǎn)上的景物用裸眼看是疊印在一起的，呈現(xiàn)為清晰的圖像。而處在鏡頭會(huì)聚點(diǎn)之外的景物，兩個(gè)鏡頭攝取的影像用裸眼觀看時(shí)則呈現(xiàn)為類似重影的分離狀態(tài)，景物離鏡頭的會(huì)聚點(diǎn)越遠(yuǎn)，兩個(gè)影像也離得越遠(yuǎn)。當(dāng)帶上立體眼鏡觀看時(shí)，處于鏡頭會(huì)聚點(diǎn)上的景物處于屏幕的平面上，而處在鏡頭會(huì)聚點(diǎn)之外的景物，看上去則是出現(xiàn)在屏幕的前面或后面的空間中。基本規(guī)律是：在鏡頭會(huì)聚點(diǎn)前端的景物向屏幕前方出屏，在會(huì)聚點(diǎn)后方的景物向屏幕后方出屏，并且拍攝時(shí)景物離鏡頭的會(huì)聚點(diǎn)越遠(yuǎn)，出屏的距離也就越遠(yuǎn)。會(huì)聚點(diǎn)分別在前景和后景位置時(shí)，用裸眼及佩帶立體眼鏡觀看的影像效果分別如圖1和圖2所示[2]。

2 出屏原理及出屏距離的控制

假設(shè)兩個(gè)鏡頭的會(huì)聚點(diǎn)大約在成像面上，物體A在會(huì)聚點(diǎn)的前方。這樣兩個(gè)鏡頭攝取的影像就交錯(cuò)地處于成像面上，右側(cè)鏡頭攝取的影像（Cam AR）在成像面的左側(cè)，左側(cè)鏡頭攝取的影像（Cam Al）在成像面的右側(cè)，如圖3所示。

圖4給出了3D顯像時(shí)景物的成像特點(diǎn)及出屏效果。左側(cè)攝像機(jī)攝取的影像出現(xiàn)在屏幕的右側(cè)，右側(cè)攝像機(jī)攝取的影像再現(xiàn)在屏幕的左側(cè)。兩個(gè)影像分別進(jìn)入觀眾的左眼和右眼，經(jīng)大腦視覺(jué)神經(jīng)處理后，合成影像呈現(xiàn)在兩眼視線相交的屏幕前方某一位置（這和將食指垂直地放置于兩眼正前方，然后兩只眼睛快速地輪流睜閉所看到的情況是完全一樣的）。如果兩眼間的瞳距（Eye Wide）和攝像機(jī)的鏡距（Cam Wide）相等（約為6～7 cm），且眼睛和屏幕兩側(cè)形成的夾角β與攝像機(jī)鏡頭與成像器兩側(cè)邊之間形成的夾角α相等，那么場(chǎng)景的深度感和物體A的出屏距離將和實(shí)際拍攝時(shí)的情況完全一致。

在實(shí)際觀看立體影像時(shí)，有時(shí)會(huì)感覺(jué)場(chǎng)景的縱深感不足，處在近景位置上的景物出屏不夠，達(dá)不到“觸手可及”的狀態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因有兩個(gè)：一是圖4中眼睛與屏幕的夾角β小于圖4中鏡頭與成像器的夾角α；二是播放時(shí)兩個(gè)鏡頭攝取的影像在屏幕上的間距不夠大，即Ima AR和Ima AL的距離不夠遠(yuǎn)。解決的辦法有多個(gè)：前期拍攝時(shí)可適當(dāng)增加鏡距（最大可增至12 cm），并讓前景位置欲形成出屏效果的景物盡量接近鏡頭（可近至30～50 cm）；再者，在播放時(shí)采用盡可能大的屏幕，條件允許時(shí)采用較近的觀看距離；另外，在立體影像的制作過(guò)程中，適當(dāng)添加一些反映播放環(huán)境的參數(shù)（如屏幕大小、觀看距離及瞳距等），也有利于保證影像的立體效果[3-4]。

除上述因素外，畫(huà)面的許多藝術(shù)因素對(duì)立體效果也非常重要，例如物體運(yùn)動(dòng)的速度和方向，鏡頭前各景物的空間層次以及物體出屏的位置和方向等。

3 3DTV的兩種立體顯像技術(shù)

由于立體視覺(jué)是基于視差而來(lái)，因此要實(shí)現(xiàn)立體顯示，必須以人工方式重現(xiàn)視差，使兩只眼睛分別看到來(lái)自不同視點(diǎn)的影像，從而還原出立體視覺(jué)。根據(jù)工作原理不同，立體電視顯示技術(shù)有被動(dòng)式與主動(dòng)式兩大類。

被動(dòng)式顯示技術(shù)基于偏光原理形成立體影像，需佩帶偏光式3D眼鏡。偏光式3D眼鏡讓左右眼的影像分別通過(guò)左右兩個(gè)鏡片，借助左右影像的視差形成立體畫(huà)面。偏光式3D眼鏡的左右兩個(gè)鏡片上面涂有類似百葉窗般可分離不同方向偏振光的偏光膜（Retarder Film），可擋住與偏振方向垂直的光線，只讓與偏振方向平行的光線通過(guò)。

偏光式立體顯示目前有兩種類型——線偏振式和圓偏振式。圓偏振是新一代偏振技術(shù)，兩個(gè)鏡片一個(gè)向左呈圓形旋轉(zhuǎn)，一個(gè)向右呈圓形旋轉(zhuǎn)，不必像線偏振那樣保持“橫平豎直”的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)全方位觀看立體影像。目前，基于被動(dòng)式立體顯示技術(shù)的液晶立體電視多采用隔行式圓偏振技術(shù)，其基本原理是在液晶屏幕上貼上一層偏光膜，使其奇、偶行發(fā)出的光線分別偏光正負(fù)45°，形成交錯(cuò)排列的垂直與水平偏振光，即奇、偶行發(fā)出的光線呈垂直偏振關(guān)系。與之配套的兩個(gè)鏡片上也分別貼有水平和垂直偏光膜，左眼鏡片過(guò)濾偶數(shù)行的光線，只讓奇數(shù)行的光線通過(guò)；右眼鏡片過(guò)濾奇數(shù)行的光線，只讓偶數(shù)行的光線通過(guò)。由于奇數(shù)行的影像來(lái)自立體攝像機(jī)的左鏡頭，偶數(shù)行的影像來(lái)自立體攝像機(jī)的右鏡頭，所以左右兩眼看到的是分別來(lái)自兩個(gè)鏡頭的具有一定視差的影像，二者合成后即為立體影像。這種偏光式立體3DTV顯示技術(shù)屬于交錯(cuò)顯像模式（Interlacing Display Mode）或行交錯(cuò)格式（Row Interlaced Format），又叫左右眼逐行（Line-by-line）顯示方式[5]。

主動(dòng)式基于快門(mén)原理形成立體影像，是一種幀兼容平面立體視覺(jué)系統(tǒng)（Frame Compatible Plano-Stereoscop?ic System），DVB組織近日發(fā)布的3DTV商業(yè)指標(biāo)草案就是針對(duì)這種主動(dòng)式顯示技術(shù)的。

液晶快門(mén)（LCS）眼鏡屬于通過(guò)眼鏡本身的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)立體顯示的主動(dòng)式快門(mén)眼鏡，其基本原理是運(yùn)用電場(chǎng)控制液晶的透光狀態(tài)，以每秒50次（PAL制）或60次（NTSC制）的頻率交替遮蔽進(jìn)入兩眼的光線。播放時(shí)，只要交替顯示來(lái)自3D攝像機(jī)左右兩個(gè)鏡頭的畫(huà)面，在立體同步信號(hào)的控制下，讓液晶快門(mén)眼鏡與畫(huà)面同步動(dòng)作——屏幕上出現(xiàn)左眼畫(huà)面時(shí)，右眼鏡片關(guān)閉，左眼鏡片呈透光狀態(tài)；屏幕上出現(xiàn)右眼畫(huà)面時(shí)，左眼鏡片關(guān)閉，右眼鏡片呈透光狀態(tài)。這就是主動(dòng)式立體顯像技術(shù)的基本工作原理。因?yàn)槭腔诳臻g復(fù)用（Spatial Multiplex）原理，左右眼圖以交替的幀順序依次顯示，工作特點(diǎn)頗似翻動(dòng)書(shū)本的頁(yè)面，所以這種使用主動(dòng)式快門(mén)眼鏡的立體顯像方式又叫幀序式（Frame Sequential）或翻頁(yè)式（Page-Flipping）顯示技術(shù)，本質(zhì)上屬于時(shí)分（Time Divided）顯示技術(shù)。

圖5、圖6給出了幀序式立體顯像的基本原理與特點(diǎn)。首先將立體攝像機(jī)拍攝的左右眼畫(huà)面按特定格式進(jìn)行編碼，然后通過(guò)時(shí)分技術(shù)使左右眼畫(huà)面按幀順序交錯(cuò)排列（見(jiàn)圖6），在顯示終端，液晶快門(mén)眼鏡在立體同步信號(hào)的控制下，左右眼鏡片依次打開(kāi)，使兩個(gè)眼睛分別看到來(lái)自攝像機(jī)左右兩個(gè)鏡頭的畫(huà)面（見(jiàn)圖6），最終實(shí)現(xiàn)立體影像的還原[2]。

這種基于時(shí)分技術(shù)的立體顯像方式，最大優(yōu)點(diǎn)是左右眼看到的畫(huà)面都是全分辨力的，和偏光式立體顯像方式相比，可以實(shí)現(xiàn)全高清的高畫(huà)質(zhì)立體顯像。另外電視屏幕上也不用貼偏光膜，簡(jiǎn)化了電視屏幕的制造工藝。但是，由于左右眼交替顯像，實(shí)際作用于眼睛的畫(huà)面刷新率將降低一倍，導(dǎo)致大面積閃爍現(xiàn)象。解決的辦法是采用幀倍頻技術(shù)，將顯示設(shè)備的幀率提高1倍（PAL制提高到100 Hz，NTSC制提高到120 Hz）。如果三維攝像機(jī)本身支持高達(dá)120 Hz的幀速率，顯示設(shè)備將不必采用幀倍頻技術(shù)，但由于信號(hào)本身的數(shù)據(jù)流量增大了1倍，勢(shì)必對(duì)信號(hào)的傳輸、存儲(chǔ)等在技術(shù)和設(shè)備方面提出更高的要求，這也是主動(dòng)式立體顯像技術(shù)的1個(gè)缺點(diǎn)。

另外，液晶式快門(mén)眼鏡必須接受同步信號(hào)的控制，以保證左右眼鏡片正確開(kāi)合。對(duì)同步控制信號(hào)和快門(mén)式眼鏡的主要要求有：用紅外線控制，靈敏度和可靠性要高，不得出現(xiàn)幀失落（Drop Frame）現(xiàn)象；鏡片的明暗對(duì)比度要大，透光率要高，反應(yīng)速度要快；另外，還要有偽立體（Pseudo Stereo）識(shí)別與反轉(zhuǎn)功能。總體上，采用液晶快門(mén)眼鏡的立體電視系統(tǒng)居于主流地位，最大優(yōu)點(diǎn)是畫(huà)面質(zhì)量好，不足是眼鏡及整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)偏高。

[1]Sony.3D成像技術(shù)原理[EB/OL].[2011-05-30].http://www.sony.com.cn/3d/index.html#technology/principle.

[2]Panasonic.Integrated twin-lens 3D camera recorder AG-3DA1[EB/OL].[2010-06-15].http://pro-av.panasonic.net/en/3d/ag-3da1/index.html.

[3]3D立體顯示技術(shù)與成像的原理[EB/OL].[2010-08-01].http://www.hd.club.tw/thread-46269-1-1.html.

[4]3D立體電影制作原理[EB/OL].[2010-08-20].http://www.hd.club.tw/thread-46150-1-1.html.

[5]Stereoscopy[EB/OL].[2011-07-04].http://en.wikipedia.org/wiki/3D_glasses#3D_glasses.