基于TRIZ理論的3D放映技術(shù)發(fā)展分析

文/東北大學(xué)機(jī)械學(xué)院 趙新軍 付長(zhǎng)曉

1 引言

2009年，《阿凡達(dá)》引爆全球觀眾觀看3D電影的熱情后，3D放映技術(shù)已在世界范圍內(nèi)引發(fā)強(qiáng)烈震撼。3D放映技術(shù)在100年前就已經(jīng)誕生，但直到今天，3D放映技術(shù)才真正改寫了電影、電視等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的歷史。本文基于TRIZ理論分析歷史上3D放映技術(shù)的發(fā)展演變，總結(jié)其發(fā)展規(guī)律，預(yù)測(cè)其未來的發(fā)展趨勢(shì)?；蛟S，未來放映技術(shù)的“3D化”將成為必然，對(duì)其改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2 3D放映技術(shù)的原理及簡(jiǎn)介

3D放映技術(shù)是利用人的左右眼瞳距在大腦形成的視差從而產(chǎn)生立體感的原理，將左右兩幅不同的影像投射到銀幕上，讓觀看者左眼和右眼分別看到連續(xù)的左、右兩幅影像，從而使觀看者有身臨其境的感覺。實(shí)際上這種技術(shù)是一種人工生成的虛擬立體環(huán)境。3D成像是靠人兩眼的視覺差產(chǎn)生的。人的兩眼之間一般會(huì)有8厘米左右的距離。要讓人看到3D影像，就必須讓左眼和右眼看到不同的影像，使兩副畫面產(chǎn)生一定差距，也就是模擬實(shí)際人眼觀看時(shí)的情況，除了瞄準(zhǔn)正前方以外，看任何一樣?xùn)|西，兩眼的角度都不會(huì)相同。雖然差距很小，但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里，大腦就用這微小的差距，產(chǎn)生遠(yuǎn)近的深度，從而產(chǎn)生3D的立體感覺（圖1）。

3 3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程及TRIZ分析

3.1 萌芽期1850～1880

圖1 3D放映技術(shù)原理示意圖

上述原理早在19世紀(jì)中期就被人們認(rèn)識(shí)到了。英國(guó)物理學(xué)家惠斯通在19世紀(jì)中葉發(fā)明了“實(shí)體鏡”（圖2）。從此之后，攝影師可以用兩臺(tái)照相機(jī)從不同角度分別拍下相當(dāng)于左眼和右眼看到景物的照片。人們使用實(shí)體鏡觀看這兩張照片的時(shí)候，由于鏡中的擋板分開了左眼和右眼的目光，使左眼只看見左眼圖像，右眼只看見右眼圖像，就形成了立體視覺。

3.2 生長(zhǎng)期1890～1940（第一代放映技術(shù)）

19世紀(jì)90年代末期，英國(guó)電影先驅(qū)William Friese-Greene發(fā)明的雙機(jī)放映3D電影技術(shù)，是3D放映技術(shù)的最早起源。兩臺(tái)攝影機(jī)分列左右進(jìn)行拍攝，放映時(shí)分別在兩部放映機(jī)上同步投影，分供觀眾的左右眼。觀眾佩戴專用的紅綠立體眼鏡，通過濾光的方式即可觀看（圖3）。這是一項(xiàng)革命性的發(fā)明，現(xiàn)在一些3D放映技術(shù)依然運(yùn)用這個(gè)原理。

圖2 實(shí)體鏡及其原理

圖3 濾光技術(shù)及其原理

圖4 偏振技術(shù)及其原理

從TRIZ理論的角度來分析，第一代3D放映技術(shù)就是2D到3D的轉(zhuǎn)化。這一項(xiàng)發(fā)明運(yùn)用了分離（抽出）原理，將圖像信號(hào)中的關(guān)鍵部分挑選或分離出來，利用光學(xué)介質(zhì)把一束光按不同的光譜區(qū)分開，分別傳遞左右眼圖像信息，實(shí)現(xiàn)了2D到3D的轉(zhuǎn)化。

從今天的角度來看，由于自身技術(shù)的缺陷，早期的3D效果很差，兩眼無法看到“應(yīng)當(dāng)”看到的畫面，因此畫面色彩失真，立體效果不良，特別是觀眾的眼睛往往感到不適。

3.3 發(fā)展期1940～1960（第二代3D放映技術(shù)）

20世紀(jì)50年代埃德溫?H?蘭德(Edwin H．Land) 的偏振鏡頭取代了紅藍(lán)鏡頭，讓色彩還原更加可信，畫面也更加亮麗。偏振技術(shù)基本解決了濾光技術(shù)的失真問題。偏振技術(shù)使投影機(jī)投射的非偏振光通過偏振器，同時(shí)觀看者佩戴分別與圖像偏振特性相同的檢偏器(眼鏡鏡片)，可為左右眼提供不同的信息，從而產(chǎn)生深度的概念（圖4）。偏振技術(shù)體現(xiàn)了TRIZ理論的振動(dòng)原理和周期性作用原理。相比上一代的3D放映技術(shù)，偏振技術(shù)使用電振動(dòng)代替其他振動(dòng)，達(dá)到了更理想的效果。

由于偏振片是37%的透明度，所以畫面亮度受到損失。以及偏振技術(shù)的成本過高，所以偏振式3D技術(shù)對(duì)顯示設(shè)備的要求較高，在當(dāng)時(shí)并未普及使用。

3.4 沉寂期1960～1980（第三代3D放映技術(shù)）

由于偏振技術(shù)存在著一定缺陷，在20世紀(jì)60～70年代的20年間，3D電影的總產(chǎn)量不到30部，3D放映的發(fā)展進(jìn)入了沉寂期。

這一時(shí)期，制片人Arch Gobler找到一種方法，改變了對(duì)雙膠片式放映的需要，叫做Space-Vision 3D技術(shù)。同時(shí)，Alan Gordon和Chris Venter聯(lián)手開發(fā)出Stereovision技術(shù)，利用“視覺暫留”現(xiàn)象把左右眼看到的畫面交替地印在35毫米電影膠片上，放映機(jī)以48幀/秒（通常放映速度的兩倍）的速度放映影片，放映鏡頭前加上一個(gè)周期轉(zhuǎn)動(dòng)的遮光板，于是兩套畫面交替出現(xiàn)。這個(gè)技術(shù)其實(shí)是對(duì)偏振技術(shù)的改良，把圓偏振改進(jìn)為線偏振。這里體現(xiàn)了TRIZ理論的多維化原理和振動(dòng)原理?？傮w來看，前三代3D放映技術(shù)為濾光技術(shù)到圓偏振技術(shù)再到線偏振技術(shù)的轉(zhuǎn)變，向著多元化發(fā)展。

3.5 復(fù)興期 1980至今（第四代3D放映技術(shù)）

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，如今的3D電影界，呈現(xiàn)出RealD、XpanD 和杜比3家占主導(dǎo)地位的技術(shù)供應(yīng)商“三分天下”的局面。而這3家供應(yīng)商也分別代表著一種3D放映的技術(shù)。

3.5.1 RealD 技術(shù)

RealD是對(duì)圓偏振技術(shù)的改進(jìn)。原始的偏振技術(shù)因?yàn)楫嬅媪炼忍?，因此使用RealD技術(shù)的影廳必須換裝表面鍍有鋁的“金屬銀幕”來彌補(bǔ)偏振片和雙眼畫面交替播放帶來的亮度損失。不過，RealD技術(shù)的3D眼鏡價(jià)格比較便宜，使它相對(duì)容易得到推廣。

3.5.2 XpanD 技術(shù)

XpanD則采用一種相對(duì)前沿和復(fù)雜的技術(shù)，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)3D效果。它的放映機(jī)會(huì)交替放映左眼和右眼應(yīng)該看到的畫面，使眼鏡的左右眼兩個(gè)液晶濾片像相機(jī)快門一樣，與銀幕影像同步交替開啟和關(guān)閉。XpanD的眼鏡造價(jià)很高，而且經(jīng)常需要維護(hù)，這成為它大規(guī)模推廣的瓶頸。

3.5.3 杜比技術(shù)

杜比采用的3D技術(shù)是“光譜分光”，是對(duì)最早使用的濾光技術(shù)的改進(jìn)。也就是說，這種3D影像的左右兩個(gè)畫面，都含有紅、綠、藍(lán)三色信息，但左、右眼應(yīng)該看到的影像，其光譜成分有所不同。觀眾佩戴特制的光譜分光眼鏡來觀看影片，讓大腦感受到3D效果。

表1 各3D放映技術(shù)的硬件及成本對(duì)比

表2 3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程的TRIZ分析

通過以上三大技術(shù)供應(yīng)商推出的3D放映技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)電信號(hào)的3D放映技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)（表1），而這三家供應(yīng)商由于其自身技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)各自占的市場(chǎng)份額也不同（圖5）。

在3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程中，相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步起到了極大的促進(jìn)作用，表2是TRIZ理論的40條發(fā)明創(chuàng)造原理在3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程中的應(yīng)用。

4 基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式的3D放映技術(shù)發(fā)展分析

根據(jù)TRIZ理論中的技術(shù)進(jìn)化模式分析，3D放映技術(shù)的進(jìn)化發(fā)展由濾光技術(shù)到偏振技術(shù)再到眼鏡開關(guān)技術(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)3D放映技術(shù)的進(jìn)化是由光信號(hào)到電信號(hào)的過程。即盡量保留光振動(dòng)所產(chǎn)生的圖像信號(hào)，也就是不斷提高成像的清晰度、亮度與完整性。例如第二代3D放映系統(tǒng)的偏振技術(shù)出現(xiàn)后，成像的能力加強(qiáng)。3D眼鏡增加了系統(tǒng)的可控性，每一代的進(jìn)化增加了圖像的理想化程度和水平，實(shí)現(xiàn)了光波場(chǎng)向磁場(chǎng)、電場(chǎng)、虛擬數(shù)字場(chǎng)的轉(zhuǎn)化。

5 3D放映技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進(jìn)化預(yù)測(cè)(圖6)，可以分析發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)化的最好形式就是由場(chǎng)主導(dǎo)的模式。然而對(duì)于3D系統(tǒng)來說，3D圖像的實(shí)現(xiàn)是通過分光或者是分色然后再用3D眼鏡合二為一實(shí)現(xiàn)的。分析3D放映技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，我們可以做如圖7的預(yù)測(cè)。那么未來的3D技術(shù)將用一種場(chǎng)來替代現(xiàn)有的3D眼鏡來實(shí)現(xiàn)3D的效果，即裸眼3D。

隨著3D放映技術(shù)的不斷發(fā)展，裸眼3D的出現(xiàn)將成為可能。現(xiàn)階段的裸眼式3D技術(shù)大多處于研發(fā)階段，并且主要應(yīng)用在工業(yè)商用顯示市場(chǎng)。裸眼式3D技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)便是擺脫了眼鏡的束縛，但是分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足。

圖5 各3D放映技術(shù)的市場(chǎng)份額

圖6 增加系統(tǒng)靈活性進(jìn)化路線

圖7 3D技術(shù)的進(jìn)化路線

2013年3月，美國(guó)惠普公司宣布，他們研發(fā)出一種新型裸眼3D技術(shù)，可用于安裝在移動(dòng)設(shè)備上。未來人們便可用肉眼直接觀看手機(jī)上的3D圖像。

當(dāng)然，未來的3D放映技術(shù)也可以用于各種領(lǐng)域，例如3D廣告，3D投影操作界面，裸眼3D電視，3D電腦，3D導(dǎo)航，3D X光等相關(guān)領(lǐng)域（圖8）。

圖8 未來的3D放映技術(shù)

6 結(jié)論

3D放映技術(shù)，是一場(chǎng)毋庸置疑的視聽領(lǐng)域全新革命，人們?cè)诼咏鼮檎鎸?shí)的觀看體驗(yàn)。通過分析歷史上3D放映技術(shù)的演變歷程，總結(jié)目前主流3D放映系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以看出未來的3D放映技術(shù)是多元化的，可以應(yīng)用在更多領(lǐng)域。3D放映技術(shù)緣于科技創(chuàng)新的無窮魅力，可以想象未來我們的生活與3D放映技術(shù)息息相關(guān)。3D放映技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、市場(chǎng)管理等各個(gè)方面的新課題。3D放映技術(shù)的成熟不僅可以帶動(dòng)產(chǎn)品價(jià)值提升，也會(huì)為我國(guó)電影國(guó)際化和文化產(chǎn)業(yè)振興奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)的3D革命才剛剛起步，更多全新的3D體驗(yàn)讓我們拭目以待。

[1]趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論（TRIZ）及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.5

[2]高五峰.數(shù)字3D 立體電影的技術(shù)與發(fā)展[J].當(dāng)代電影，2012.8

[3]光回收技術(shù)：雷歐尼斯引領(lǐng)3D放映技術(shù)新變革[J].現(xiàn)代電影技術(shù)2013.6

[4]方捷新，劉達(dá)，王富強(qiáng).全球數(shù)字影院新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].Advanced Television Engineering，2012.12

[5]田長(zhǎng)樂.3D 電影及其發(fā)展展望[J].當(dāng)代電影，2011.4

[6]張雅麗.數(shù)字3D 立體電影技術(shù)之深度分析[N]，現(xiàn)代電影技術(shù)，2010.5

[7]高五峰，李樞平.迅速發(fā)展的數(shù)字3D電影技術(shù)及相關(guān)設(shè)備[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2008.6

[8]馬之恒. 3D 電影的歷史溯源[J].北京科技報(bào)，2011.11

[9]張敏，徐江華，楊明朗.TRIZ中的理想化對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2006.3

[10]中關(guān)村在線http://www.zol.com.cn/

[11]圖片來源：http://image.baidu.com/