李 超 / 康獻(xiàn)斌 / 時(shí)大鑫 / 李書政

(鄭州中原顯示技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001)

0 前言

3D顯示技術(shù)也稱為立體顯示技術(shù)。100多年前，法國(guó)物理學(xué)家李普曼在世界上首次提出物象可以用立體的形式展現(xiàn)出來。隨著科技的發(fā)展，先后出現(xiàn)了種類繁多、各具特色的3D顯示技術(shù)。至今為止，應(yīng)用最廣泛的3D技術(shù)仍然是偏振型3D技術(shù)，其典型應(yīng)用之一就是立體電影院的立體投影顯示系統(tǒng)。根據(jù)成像原理，3D顯示技術(shù)可分為雙圖像3D、真三維和全息顯示。

1)雙圖像3D(Double-image 3D)

目前，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，如立體電影院、3D電視機(jī)等。根據(jù)是否需要借助外部設(shè)備又分為需要佩戴3D眼鏡和無需佩戴3D眼鏡兩類技術(shù)。

2)真三維(True 3D)

真三維即真3D，之所以出現(xiàn)這樣的詞匯是因?yàn)殡p圖像3D僅僅是在水平方向上重現(xiàn)3D，但是不同角度所視物象是相同的，而垂直方向上則完全沒有3D效果。真3D的意義就在于水平、垂直方向上均呈現(xiàn)3D效果，且不同視角所視圖像也不相同。

3)全息顯示

全息即全部信息。通常情況下，一張全息圖是攝影錄音的光場(chǎng)，全息圖本身不是普通定義的圖像，它是一種干擾模式、高密度攝影媒體的物象表面輪廓的光場(chǎng)再現(xiàn)。

在上述各種3D顯示技術(shù)中，目前只有偏振型基于雙圖像的3D顯示技術(shù)得到了大規(guī)模應(yīng)用。絕大部分立體電影放映設(shè)備(包括IMAX)都采用的是偏振型3D投影顯示技術(shù)。下文將對(duì)各種3D顯示技術(shù)以及與3D顯示相關(guān)的技術(shù)予以介紹。

1 基于雙圖像的3D顯示技術(shù)

基于雙圖像(Double-Image)的3D顯示技術(shù)是迄今為止真正得到大規(guī)模應(yīng)用的3D顯示技術(shù)。基本原理是由信源端采集視角有區(qū)別的兩幅圖像(左圖像和右圖像)，分別送入觀看者的左眼和右眼，從而在觀看者的大腦中產(chǎn)生立體感。由于其信源是表征左、右眼的雙圖像，因此也稱為雙目型3D顯示。應(yīng)用最廣泛的立體電影和3D廣播電視都屬于此種類型。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)方式的不同，基于雙圖像的3D LED顯示技術(shù)又可以分為雙色型、電子快門型、偏振型和裸眼型等。

1.1 雙色型3D顯示

此種3D顯示技術(shù)需要觀看者佩戴專用眼鏡，兩個(gè)鏡片分別由紅色和青色(藍(lán)色)濾光片構(gòu)成，觀看經(jīng)過特殊制作的圖像(左、右圖像的主色調(diào)分別由紅色和青色構(gòu)成)來產(chǎn)生立體效果。由于濾光片將過濾掉其他顏色的光，因此每只眼睛均不可以感受全部色彩，所以此類3D顯示是屬于“信息缺失”型3D顯示，因此該技術(shù)無法得到大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 電子快門型3D顯示

此種3D顯示技術(shù)需要觀看者佩戴特制的電子眼鏡，眼鏡的左、右鏡片前端有電子快門控制?？扉T關(guān)閉時(shí)圖像被遮擋，打開時(shí)才可看見前方圖像，在任意時(shí)刻都保持一個(gè)鏡片開啟而另一鏡片關(guān)閉的狀態(tài)?？扉T的控制與顯示圖像同步，左鏡片開啟時(shí)顯示左圖像，右鏡片開啟時(shí)顯示右圖像，循環(huán)往復(fù)。此類顯示技術(shù)并不丟失任何色彩，但在任何時(shí)候都僅有一只眼睛可以看到圖像，所以也存在一些難以克服的問題。

1)由于任何時(shí)刻都只有一只眼睛可以看到圖像，而在大腦中由中樞神經(jīng)合成第三眼的立體感必須有左、右眼兩個(gè)圖像共同完成，需要反復(fù)利用大腦表皮細(xì)胞進(jìn)行信息存取，會(huì)使觀看者產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞感。

2)此類系統(tǒng)在控制端增加了倍頻器，用來交替顯示左、右圖像并控制電子眼鏡的同步，造價(jià)高昂，維護(hù)和使用不便。

3)電子快門型3D顯示由于在時(shí)間軸上左、右交替顯示，在時(shí)間軸上會(huì)產(chǎn)生很大的失真。

1.3 偏振型3D顯示

此種3D顯示技術(shù)使用兩種不同方向的偏振系統(tǒng)分別作用于左、右眼圖像，是目前所有3D顯示類型中立體效果最突出的一種。偏振型3D顯示利用光偏振原理來分解原始圖像。系統(tǒng)向觀看者輸送兩幅光線振動(dòng)方向不同的畫面，當(dāng)畫面經(jīng)過偏振眼鏡時(shí)，觀看者的左、右眼能同時(shí)接收左、右兩組畫面，再經(jīng)過大腦合成立體影像。偏振型3D顯示的優(yōu)點(diǎn)包括：1)顯示色彩損失最小，色彩顯示更接近其原始值。2)原偏振系統(tǒng)左眼圖像被右眼看到的情況幾乎不可能發(fā)生，所以偏振式3D在眼睛傾斜到一定角度時(shí)依然能顯示高質(zhì)量的3D畫面。3)眼鏡成本低、佩戴舒適、無大小限制、無電子元件輻射等。4)偏振型3D顯示不會(huì)產(chǎn)生雙色型及電子快門型常見的3D眩暈感及疲勞感。

偏振型LED立體顯示系統(tǒng)可用于電影院、大專院校、高端社區(qū)、大型購(gòu)物中心、會(huì)展中心及高端會(huì)所、3D教育、軍事指揮以及航天指揮中心的立體顯示等場(chǎng)合。圖1所示為在迪斯尼總部的應(yīng)用。

圖1 顯LED 3D顯示系統(tǒng)進(jìn)駐迪斯尼總部

1.4 裸眼型3D顯示

裸眼型3D顯示也稱為“自由視3D顯示”，其基本原理是采用交叉打光等方法使左眼圖像進(jìn)入左眼，右眼圖像進(jìn)入右眼。由于裸眼型3D顯示沒有分離器，因此如何將左、右圖像準(zhǔn)確地送入對(duì)應(yīng)的眼睛就是最核心的問題。盡管采取了各種措施，裸眼型3D顯示的分辨率、視角以及立體效果這幾項(xiàng)核心指標(biāo)均無法和偏振型相比。筆者所在單位試驗(yàn)過的裸眼型LED屏幕有狹縫光柵和柱面鏡型等。在多視點(diǎn)系統(tǒng)中，雖然視點(diǎn)數(shù)越多，裸眼3D的可視角度越大，但是分辨率也越低，而且所謂的“出屏效果”也更差。就目前情況看，各種類型的裸眼顯示的市場(chǎng)量加起來也不足偏振型市場(chǎng)量的1%，因此，本文主要介紹偏振型大型3D顯示的實(shí)際應(yīng)用。不同視點(diǎn)的節(jié)目制作和幀結(jié)構(gòu)詳見圖2～4。

1.4.1 狹縫光柵型3D顯示

圖5所示為狹縫光柵系統(tǒng)的基本原理，圖6所示為狹縫光柵的光柵結(jié)構(gòu)。狹縫光柵型3D顯示的基本原理是顯示屏前面設(shè)立專門的光柵，在任何一個(gè)角度都只能通過狹縫看到特定的兩個(gè)視點(diǎn)的圖像，當(dāng)前后、左右移動(dòng)距離時(shí)，看到的兩個(gè)視點(diǎn)也發(fā)生變化。這里要說明的是，圖6的排列沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，完全可以自行設(shè)定。

圖2 8視點(diǎn)3D節(jié)目制作

圖3 28視點(diǎn)3D節(jié)目制作攝像機(jī)矩陣

圖4 128 視點(diǎn)3D節(jié)目制作攝像機(jī)矩陣

圖5 狹縫光柵3D顯示的原理示意

圖6 狹縫光柵的結(jié)構(gòu)示意

1.4.2 柱面鏡型3D顯示

柱面鏡3D顯示原理是基于凸透鏡的折射原理，如圖7所示，圖8所示為一個(gè)6視點(diǎn)的柱面鏡裸眼顯示的原理示意圖。

圖7 柱面鏡裸眼3D顯示原理

圖8 柱面鏡的覆蓋示意圖

1.5 其他裸眼型顯示技術(shù)

1.5.1 方向性像素3D顯示

美國(guó)惠普公司開發(fā)了一種名為“方向性像素”(directional pixel)的技術(shù)，在顯示屏上制作了大量納米級(jí)寬度的溝槽，向不同方向發(fā)射光線。每個(gè)方向性像素都有三組溝槽，可以向不同方向射出紅光、綠光、藍(lán)光，然后由這三種原色疊加出不同的顏色，最終得到立體效果。

1.5.2 多層裸眼3D顯示

2009年4月，美國(guó)PureDepth公司宣布研發(fā)出改進(jìn)后的裸眼3D技術(shù)——MLD(multi-layer display，多層顯示)。這種技術(shù)能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實(shí)現(xiàn)裸眼看文字及圖畫時(shí)所呈現(xiàn)3D影像的效果。

2 真三維(3D)顯示技術(shù)

真三維的類型很多，由于近年來此類技術(shù)層出不窮，也出現(xiàn)了原理相互交叉的類型，在區(qū)分以及劃類上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這里主要是指使用顯示像素的深度分度來直接觀察到具有物理景深的三維圖像。下文對(duì)不同類型的顯示進(jìn)行說明。

2.1 體3D顯示

體三維顯示(Volumetric 3D Display)是真三維顯示的代表性技術(shù)，體三維顯示技術(shù)目前可分為掃描體3D顯示(Swept-Volume Display)和固態(tài)體3D顯示(Solid-Volume Display)兩種，前者是基于發(fā)光面的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖9～10所示，一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)發(fā)光面，比如一塊LED顯示板高速旋轉(zhuǎn)，由R、G、B三基色形成圖像，在不同角度上顯示也不同，發(fā)光板看上去變得透明了，這個(gè)亮點(diǎn)仿佛是懸浮在空中，成為一個(gè)體3D顯示。

圖9 LED立體旋轉(zhuǎn)屏體3D顯示系統(tǒng)

圖10 高速旋轉(zhuǎn)投影屏的結(jié)構(gòu)示意

2.2 全息顯示技術(shù)

全息技術(shù)(Holography)自20世紀(jì)60年代激光器問世后得到了迅速發(fā)展，其基本機(jī)理是利用光波干涉法同時(shí)記錄物光波的振幅與相位(圖11)。由于保留了原有物光波的全部振幅與相位信息，故與原物有著完全相同的三維特性。即人們觀看全息像時(shí)會(huì)得到與觀看原物時(shí)完全相同的視覺效果，其中包括各種位置視差。

圖11 全息照片獲取原理

2.3 基于MEMS光束掃描的LHE 3D顯示技術(shù)

MEMS光束掃描型方法被命名為超長(zhǎng)距離空間光束均勻發(fā)射(Light Homogeneous Emitting，LHE)新型三維立體顯示方法。實(shí)際搭建的LHE三維顯示器從實(shí)驗(yàn)論證了新型研究思路的可行性并獲得出色成果。同時(shí)得益于無光學(xué)畸變的高精度光束發(fā)射，該方法也在裸眼立體顯示深度上獲得重大突破，為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離裸眼立體顯示尋找到有效途徑。通過實(shí)時(shí)控制MEMS光束，可制作超長(zhǎng)距離的動(dòng)態(tài)裸眼立體影像顯示器，現(xiàn)階段生成的立體圖像縱深超過6m。此外，結(jié)合可控輸入數(shù)據(jù)源與掃描模式，LHE三維顯示裝置將實(shí)現(xiàn)包括二維、多視點(diǎn)立體及裸眼三維立體全像等模式在內(nèi)的多模態(tài)動(dòng)態(tài)影像顯示。圖12所示為清華LHE裸眼 3D項(xiàng)目，該項(xiàng)目正是100多年前李普曼所提出的蠅眼式集成真立體技術(shù)的一個(gè)體現(xiàn)。

圖12 清華LHE裸眼3D項(xiàng)目

3 虛假視頻的識(shí)別與界定

市面上流行過許多虛假的“超級(jí)全息3D投影”，這些虛假視頻的出現(xiàn)對(duì)于3D技術(shù)的正常發(fā)展起了很壞的作用。如Magic Leap一條大鯨魚落地(圖13)、支付寶‘如影計(jì)劃’(圖14)、法國(guó)Cicret手環(huán)(圖15)、法國(guó)餐廳(圖16)等。

圖13 Magic Leap的著名“一條大鯨魚落地”的3D“全息顯示”視頻截圖

圖14 支付寶如影計(jì)劃

圖15 Cicret發(fā)布的視頻截圖

關(guān)于Pepper′s Ghost(圖17)，雖然并非完全是虛假視頻，但其實(shí)質(zhì)和所宣傳的內(nèi)容完全不同。都是使用了一種稱為“Pepper’s Ghost(帕博爾幻象)”的“技術(shù)”，與其說成是技術(shù)，還不如說這是一種魔術(shù)。

圖16 所謂的法國(guó)餐廳全息3D投影

圖17 最憶是西湖的Pepper’s Ghost效果

4 2D/3D轉(zhuǎn)換技術(shù)

在我國(guó)，2D轉(zhuǎn)3D的技術(shù)領(lǐng)頭單位是清華大學(xué)和北京大學(xué)?！?D轉(zhuǎn)3D”既然是“轉(zhuǎn)”，就一定和“原生態(tài)”有不同之處，而實(shí)際上這個(gè)差別很大，2D轉(zhuǎn)3D的優(yōu)勢(shì)是可以將以2D方式記錄的視頻經(jīng)過轉(zhuǎn)換成了“3D”，但是同樣由于技術(shù)原因存在著各種由于轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的弊病。隨著3D獲取技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，2D轉(zhuǎn)3D技術(shù)的發(fā)展速度日漸放緩。

5 3D視頻的生成、編碼、傳輸和3D技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 3D視頻的生成、編碼、傳輸

3D視頻的生成主要是3D動(dòng)漫的制作、3D攝像機(jī)的直接生成以及兩者的結(jié)合。

在編碼方面，當(dāng)前3D視頻的主流編碼技術(shù)主要有H.262、H.264和H.265，由北大主持制定的AVS-2編碼技術(shù)也得到了推廣；在傳輸方面，由清華主持的DTMB、DTMB-A技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)定是國(guó)際上效率最高、綜合技術(shù)指標(biāo)最強(qiáng)的傳輸技術(shù)。我國(guó)目前有6個(gè)3D廣播電視頻道，當(dāng)前的發(fā)展前景尚不明顯。

對(duì)于3D視頻的傳輸，筆者所在單位有著獨(dú)特的專利技術(shù)，在2011年，提出過“雙路全高清”的傳輸概念，最近，隨著“真3D技術(shù)”的發(fā)展，又提出了使用單一信道完成四通道視頻傳輸?shù)睦碚?圖18)，以上的專利申請(qǐng)均獲得授權(quán)。

圖18 “四合一”視頻編碼概念

5.2 3D技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

談到3D標(biāo)準(zhǔn)，自然會(huì)想到3D廣播電視標(biāo)準(zhǔn)，目前在我國(guó)的6個(gè)有3D頻道的電視臺(tái)使用的都是由歐廣聯(lián)A-154標(biāo)準(zhǔn)演變過來的總局標(biāo)準(zhǔn)，在這方面，國(guó)際上的發(fā)展也尚不明朗。

為了發(fā)展3D事業(yè)，歐廣聯(lián)、ITU、SMPTE都發(fā)布了大量針對(duì)3D廣播電視的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)涉及到3D技術(shù)的各個(gè)方面。對(duì)于3D電影方面，主要還是應(yīng)用DCI標(biāo)準(zhǔn)。

在我國(guó)，按照國(guó)務(wù)院的工作范圍劃分，3D廣電的標(biāo)準(zhǔn)制定屬于廣電總局負(fù)責(zé)。具體的提出主要是由總局的兩個(gè)電視研究所主持；3D電影的研究工作按照業(yè)務(wù)劃分由總局電影所主持。

在3D顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)方面，由工信系統(tǒng)的“3D產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”做了大量工作。

6 結(jié)束語

在3D技術(shù)各方面的發(fā)展中，我國(guó)有了一定的進(jìn)展，在LED大屏幕的發(fā)展方面，由于中國(guó)的LED顯示屏在世界上的分量相對(duì)最大，未來將大有作為。

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