立體顯示革命

我們可以想象，我們躺在家中的沙發中，看著電視上的歌舞演員飄出銀幕，在自己家的客廳上唱歌、跳舞。感謝立體顯示技術的發展，使聽起來有些象童話中的事情，現在成為了事實。

立體顯示，夢想與現實

北京東方廣場E1樓15層某間接待室里，汽車從液晶顯示屏中呼嘯而出，沖到你的鼻子前；直升機在液晶顯示屏外升降盤旋；澳門葡京大酒店的骰子在空中飛舞；盛開的鮮花伸到了液晶屏之外直送到你的胸前……曾經需要戴上專門欣賞立體電影的紅藍鏡片才能欣賞到的立體影視效果，現在用我們的肉眼就能看到。

為什么我們人類雙眼看到的世界是立體的世界？這是因為人眼的結構就像是一個透鏡，外界的景物通過這個透鏡在視網膜上形成一副圖像。由于我們有兩只眼睛，同一個物體就在我們的左右兩只眼睛分別顯示出一個平面圖像。這兩副圖像出自同一個物體，非常相似，但又有所不同，因為兩眼的觀察角度并不相同。接下來，大腦便會根據這些信息來判斷出物體的遠近位置，這也就是我們能看到三維立體圖像的原因，在科學上也被稱為“雙眼視覺差異（binocular disparity）”。

立體圖像一目了然，生動而形象，因此人類一直夢想著能夠得到立體效果的圖片與影像。從公元前 280年人類提出立體概念，到1849年，戴維·布魯司特發明了立體照相機和雙鏡頭的立體觀片鏡，再到1939年紐約世界博覽會出現采用偏振光立體成像技術的第一座大型立體電影院，一直到20世紀60年代“光柵”（有一面被擠壓成圓柱形線條，一面為完整平面的材料，圓柱形線條間距相等）技術的出現為立體顯示打開了新的大門，追逐這一夢想人類至少用了2200年的時間。

但是我們接觸最多的仍然是二維的圖片、圖像。今天，環視我們現在看的電視、使用的手機屏幕、顯示器等各種顯示設備，依然只能展示二維平面的效果。雖然計算機的發展，3DSMART等立體軟件的出現，借助顯卡可以在計算機上生成有深度的立體效果圖，但是這些立體效果只是利用近大遠小、明大暗小等視覺感受來實現。換句話說，就是利用我們長期積累的日常經營形成了關于“立體”的幻覺。但是那些物體依然被限制在電視機、手機屏幕以及電腦顯示器的框架之內，沒有沖出顯示設備、懸浮在空中的直觀立體效果，不是真正的立體顯示設備。

立體電影早在上世紀就已經出現，但是需要我們戴上紅藍濾光眼鏡。這種眼鏡可以讓左、右眼分別只看到對應的圖像，而將不需看到的另一組圖像過濾掉。這樣，人眼就能夠根據圖像視角的不同，形成立體的視覺效果。但是離開眼鏡，只用我們的肉眼，是無法看到立體效果的。

幾年前，為數不少的計算機曾配備過一種專門的3D眼鏡，用戶戴上這種3D眼鏡，再配合相關軟件，就可以看到非常真實的三維效果。不過，這種3D眼鏡是由兩片液晶片組成的—只要我們給液晶加上一定的電壓，就可以改變其分子排列從而達到阻擋光線通過的目的，使左眼看到左邊的圖像，右眼看到右邊的圖像。但是這種方法的一個缺陷仍然是依賴眼鏡，另一個缺陷是由于兩幅畫面變成一幅，如果保持顯示器刷新率不變，那么合成后的立體畫面的刷新率就只有原來的一半了，這樣造成由于畫面劇烈閃爍看的時間長會導致頭暈的現象。

不過隨著技術的不斷發展，從2000年開始，不需要借助眼鏡等外在工具，直接用裸眼觀看具有立體效果的圖像已然成為現實。

立體顯示，百花齊放

所有立體顯示技術的關鍵是解決怎樣讓一幅圖像生成兩個略有差別的圖像，并把這略有差別的兩幅圖像分別投送到我們左右兩個眼睛的問題。這個問題看起來很簡單，但是解決起來卻很不容易。隨著20世紀60年代“光柵”技術的出現，研究人員開始利用這種技術研究直接用眼睛就能得到立體效果的顯示設備。半個世紀過去了，這類顯示設備終于發展相對成熟了，我們用裸眼就能看到突出顯示器、漂浮在空中的逼真的立體顯示效果。

目前，立體顯示設備居于世界前列的大致有美國的DTI公司、飛利浦、夏普、三洋電機、三星與美國的Actuality System公司。大致形成了DTI的“自動雙重拷貝（Auto stereoscopics）”技術，飛利浦-夏普公司的技術，三洋電機的“圖像分割棒（Image Splitter）”技術，三星電子的“多透鏡”技術。

美國的DTI公司，1986年由Jesse Eichenlaub與Arnie Lagergren兩人共同創立。在20世紀80年代后期，就開發出可提供3D視覺效果的專業LCD顯示器，贏得不少專業客戶的青睞。這些客戶包括NASA（美國國家航空航天局）、美國國防部以及大型研究開發中心等等。2000年，DTI公司發布第一款針對民用市場的“平價”15英寸3D顯示器產品—2015XLS。在當時，這款產品的推出引起相當的轟動，它可以讓三維空間真實浮現在眼前，屏幕上顯示的三維物體甚至會給人以浮現在屏幕之外的感覺，甚至會讓人覺得觸手可及。有幸體驗過該款產品的用戶都說，“迎面開來的汽車好像沖到了自己的鼻子前”。

DTI是怎樣實現這種立體顯示效果呢？它將LCD的像素矩陣分成奇數列和偶數列，奇數列上只顯示左眼可以看到的圖像，偶數列則顯示專門針對右眼的圖像，人腦根據這兩幅圖像的微小差異來獲得三維視覺感受。如何讓奇數列的圖像只進入左眼，讓偶數列圖像只進入右眼？答案在于DTI 3D顯示器所采用的特殊結構。

牋牋眾所周知，LCD顯示器無法自主發光，它要實現顯示就必須借助背光將像素照亮才行，如果背光照不到，屏幕就會呈現黑屏狀態。如果能夠精確控制背光的射向，再加上光學設備的輔助，就可以實現奇數列圖像和偶數列圖像分別被左眼和右眼所看到。DTI沿著這個思路，在標準LCD背光板與LCD液晶板之間添加了一個額外的光學儀器TN板（Twisted Nematic扭曲向列型），該TN板上的垂直區塊會根據顯示任務的情況來照亮奇數或偶數的區塊，并以每秒60幀的速度高速刷新。此外，在TN板與LCD板之間還有一個特殊的透鏡單元，通過透鏡的折射可以讓指定的圖像進入到左眼或者右眼。這樣，我們的大腦就會以為是在看一個具有深度的真實世界。

飛利浦-夏普公司的技術方案同樣采用TN板液晶開關來控制背光的通斷，但兩幅圖像產生的機理以及透鏡的位置都與DTI的3D LCD方案有所不同。

飛利浦-夏普的3D LCD顯示器的關鍵部分可以分成四層結構：最上部為關鍵的光學凸透鏡層，接下來是頂部玻璃基板、LCD單元層和底部基板。從正面來看，所看到的就是縱向密布的許多凸透鏡柱，它們緊密地附著在頂部玻璃基板上。LCD單元層中每一個格子代表一個像素，每個像素又包含一定數量的子像素。而每個像素表示的是所顯示物體的一個立體點，會分別落在觀察者左眼或右眼上。由于光學凸透鏡的焦距剛好落在LCD單元層上，這樣，外界的平行光線經過凸透鏡后可以聚焦在LCD單元層，光線的方向不同、聚焦在LCD單元層上的位置就不同。根據光路可逆原理，每個LCD像素所發出的光經過凸透鏡的折射后都會變成可進入人眼的平行光。不同子像素發出的光線方向不同，通過對透鏡的精確設計可以讓這些光線分別被用戶的左眼或右眼所觀察，這樣用戶就可以看到非常真實的立體效果。

在2004年3月份召開的CeBIT展上，飛利浦展出了它的概念產品。不過夏普在商品化方面領先一步，在同年6月11日，夏普公開發布一款型號為“LL-151D”的15英寸3D LCD顯示器，該款產品的售價大約為人民幣7000元左右。

三洋電機沒有遵循DTI和飛利浦-夏普采用液晶開關遮擋畫面的做法，而是在畫面上設計多個條狀遮光的“圖像分割棒（Image Splitter）”，使用戶的右眼和左眼分別只能看到指定的圖像。與其它廠商不同的是，三洋電機開發出專門的“頭部跟蹤系統”，可以自動偵測到用戶頭部的位置，并且根據反饋信息來調整“圖像分割棒”，這樣即使用戶的頭部移動到了3D可視區域之外，顯示器也會自動調整“圖像分割棒”的開口，讓用戶獲得不折不扣的立體視覺。三洋電機還將圖像分割棒和液晶面板在縱向上分為16個區域，根據用戶所處的位置來調整各個區域的圖像分割棒以及液晶面板，使得前后方向的立體可視范圍也得到了擴大。

2001年9月份，三洋電機宣布成功開發出15英寸的3D顯示器產品，并于2002年4月完成樣品的試制。2003年3月份，三洋又成功將這項3D顯示技術應用到50英寸等離子顯示器身上，不過與PC顯示器的LCD方案不同，它并不是只顯示右眼用和左眼用的兩組影像，而是可以同時顯示分別在四個視點拍攝的影像。這樣，即使任意改變觀看的位置，總會有兩個最佳視點的影像分別進入左眼和右眼，形成立體視覺。

三星公司借助多透鏡（lenticular lens）技術來控制左右圖像的射向。多透鏡屏由一排垂直排列的半圓形柱面透鏡組成，由于每個柱面鏡頭的折射作用，使右眼圖像聚焦于觀者右眼，左眼圖像聚焦于觀者左眼，由此產生立體視覺。

三星公司多透鏡的特點是產生的圖像豐富真實，較適合大屏幕顯示，加之運用最精密的成形手段，可使每個透鏡的截面達到微米級，可支持更高的分辨率。而借助先進的數字處理技術，又可以將色度亮度干擾大為減少，有效提高立體圖像的質量。這些技術手段，使制造出基于多透鏡技術的高清晰立體電視機成為可能。

2004年4月份，三星電子展出了21英寸3D LCD顯示器。借助微透鏡陣列，顯示器居然提供多達16個視點（水平、垂直方向各4個），可視范圍大大擴展，但是圖像清晰度非常低，效果不是很好。

Actuality Systems公司開發的“Volumetric 3-D Display”與以上各家公司的都不相同。這是一種可以360度全景任意觀看的3D顯示器。牋“Volumetric 3-D Display”的主體部分是一個直徑為10英寸的球型顯示器，我們可以從任意角度（水平 360度，垂直270度）觀看完全虛擬現實的真實效果。使用一套特殊的光學機械系統實現立體顯示，所顯示的3D圖像由9000萬像素構成。據了解，生成這樣真實的3D物體需要使用專門的渲染算法。這款產品的售價高達45000美元，這是不包含軟件開發套件和安裝費用的價格。

電視與顯示器的第三次革命

人們一度以為，圖片、圖像未來的發展就是達到電影級的渲染效果，油畫般的質感。但是立體顯示器的出現，使人們改變了看法，認為電視與顯示器的終極應該是數字立體顯示。如果說從黑白電視到彩色電視是第一次革命、從CRT電視到平板電視是第二次革命，那么立體電視機的出現，將是電視發展的第三次革命。同樣，這也是顯示器的第三次革命。

根據中國信息產業部公布的數據，2006年，全世界電視機產量是，手機產量11億部，顯示器1.9億部。即使按照1臺電視機1000元人民幣、1部手機1000元人民幣、1臺15英寸液晶顯示器1000元計算，這也涉及到一個以千億為單位的市場。

更重要的事，這次立體顯示革命，不僅涉及電視機與顯示器這些實現立體顯示效果的終端設備，還涉及立體攝像機、數據壓縮與解壓縮技術、數據傳輸、后期制作軟件等等方面的技術。對這些技術的突破過程，就是專利形成與積累的過程，就是未來世界3D標準的形成與制定過程，即使未來不用親自操刀生產3D產品，依然可以坐享專利使用費用。在企業競爭的叢林中，高踞食物鏈頂端的是那些制定標準與游戲規則的公司，其下是重視管理、經營有方的公司，最下是出力打工的公司，這就是所謂的“一流公司做標準，二流公司做管理，三流公司做生產。”

正是看到立體顯示的巨大市場，目前除了非洲大陸之外，各國的3D研究如火如荼地進行著。鑒于立體顯示技術涉及到光學、微加工工藝、電子等多個領域，前期投入非常巨大，因此為了加快研制，各大廠商之間進行了橫向合作。

2003年3月，夏普、索尼、三洋電機、伊藤忠商社、東芝五家廠商牽頭，聯合70多家日本知名電子制造商建立了日本的“3D聯盟”。這個聯盟的一個使命是加強3D研究的信息交流，另一個使命就是建立未來的3D標準，包括3D圖像格式標準、內容制作指南及開發制作工具等等。目前該聯盟已經有100多家廠商參加，飛利浦、DTI也加入了這個聯盟。

美國與歐洲的廠商也加快了立體顯示領域的研究工作。夏普的歐洲研究室早在2003年就提出了手機觀看立體圖片、圖像的研究目標。

立體顯示，并非一帆風順

3D顯示領域的進展非常快，目前居于領先地位的是飛利浦公司。借助液晶顯示器積累的強大技術實力，飛利浦在3D顯示器的實用化方面領先一步。

不過，3D顯示器目前的應用范圍還比較狹窄，這是因為還有一些關鍵技術需要解決。

一是二維與三維轉化問題。現在的立體顯示器，由于采用光柵材料制作，從液晶顯示器的正面看，是液晶板面下一排排密密麻麻的凸透鏡。在這樣的顯示器中，平面的文字、圖片看起來是花的，模糊不清楚。因此，如果想看二維的文字與圖片，必須裝一個正常的二維顯示器。這樣一臺計算機就需要配備兩臺顯示器，以分別觀看二維與三維的內容。這樣的轉換非常繁瑣，限制了3D顯示器進入大眾生活。

二是觀看視角與距離受到限制。我們觀看電視或者使用手機、顯示器，至少在160度的角度內清楚地看到屏幕內播放的內容，而且不論遠近，基本能夠看清播放的內容。但是現在大多數3D產品，只能站在特定角度、特定的距離，才能欣賞到立體效果。目前只有飛利浦與中國香港的超多維公司的二代3D產品，可以讓觀眾在160度視角內，在任意位置都可以看到清晰的立體圖像。

三是目前3D顯示器分辯率低，清晰度不高。我們在前面介紹過夏普-飛利浦、DTI的技術時，曾經說過這些公司的技術是將像素分派給左眼與右眼觀看的。但是這導致橫向分辨率下降一半。若一個像素由多個子像素組成，那么可能導致橫向與縱向分辨率比例失調，使圖像扭曲失真。

四是色彩飽和度不夠。牋Actuality System 公司的牎癡olumetric 3-D Display”可以提供768×768的分辨率，但在最高分辨率下它只能顯示出8種顏色，低分辨率下可以顯示超過100種顏色。這樣顯示的內容色彩還原度不高，容易導致色彩失真。

五是立體攝像機需要至少兩個鏡頭捕捉物體。這樣產生的數據量非常巨大。按照理論計算，1000幅JPG格式的光柵立體圖像文件的數據量為884M，將其編制成動態圖像且按照每秒25幀的速度連續播放，所需時間為40秒。以此推斷，一個60分鐘的光柵立體電影文件的數據量大約為80G。怎樣將龐大的數據進行壓縮便于傳輸、接收，成為擺在研發人員面前的問題。

六是現在世界主要國家正處于從模擬電視向數字電視轉化的階段，已經為數字電視支付了數以千億計的費用，還愿不愿意在未來的5年之內掏出巨額的銀子來發展一套立體電視制作、傳輸與接收技術，這是個現實問題，因為依據現在的技術發展，立體電視真正投入民用，近則三、五年，遲則五到十年。那時候，除了美國、日本等少數國家外，可能多數國家還沒有完全進入數字電視時代。

正因為這些因素，目前的3D產品，僅僅在一些特殊的領域使用。事實上，這些產品主要應用于圖形工作站、戶外廣告展示、奢侈品展示。由于其突出顯示器，可以逼真再現圖片、圖像的特點，還可以用來進行工程設計，比如我們可以一目了然地看清未來大樓的內部構造而不用看著圖紙在頭腦內想象；可以用來進行軍事訓練，模擬坦克、飛機、艦艇，對士兵進行各種地形、地貌進行遭遇戰訓練等等。

其實，雖然僅僅列了目前的這些應用領域，但是我們可以看到，無論是在民用還是軍用領域，無論是在工程設計還是影視娛樂方面，3D顯示技術都大有用武之地。我們可以想象，未來的5年，我們躺在家中的沙發上，看著電視上的歌舞演員飄出銀幕，在自己家的客廳上唱歌、跳舞。聽起來有些像童話中的事情，但是現在確實已經成為事實。

立體顯示，上蒼給中國的一次機會

黑白電視發明的時候，中國正陷于內戰的深淵；彩電發明的時候，中國經濟正處于封閉期；平板電視出現的時候，我們正在大力發展CRT電視。由于政治，由于短見，我們在電視與顯示器的發展上落后了國際領先水平。雖然我們是世界上最大的電視機、顯示器、手機生產國，但是我們沒有一樣不仰賴外來的核心技術，被迫交出利潤換取專利使用費。在世界技術的革命中，我們只能花錢匆匆忙忙地購買一代又一代不斷更新的生產線，用我們的人力與物質資源去換取別人的專利。

我們看到，平板電視的發展非常迅速。隨便進一家電器店，熱賣的都是平板電視。平板電視的生產廠商主要是日本、韓國與中國臺灣的廠家。但是由于平板電視是上下游高度一體的行業，80%的配件需要在面板內合成，因此他們生產的面板主要供自己使用。2006年，平板電視占世界電視機產量的一半是。平板電視取代CRT，僅僅是一個時間問題。但是我們國內的幾大電視巨頭，在平板電視上毫無建樹，在目前平板電視（液晶電視、等離子電視）取代CRT的潮流中，依賴引進技術的中國電視也可能要全軍覆滅。

幸運的是，在21世紀初期，立體顯示技術開始發展了。這一次國內外在這個領域的研究基本站在同一個起跑線上。中國在立體顯示技術研究方面跟國際領先企業相差無幾，甚至略有勝出。

清華大學自動化系、天津大學、南京大學這些高等院校，基本與國際同步進行立體顯示技術的研究，其中清華大學自動化系寬帶實驗室，在戴海瓊教授的領導下，主要研究立體攝像機成像技術、數據壓縮與傳輸技術。在自動化系的寬帶實驗室，一個8*8攝像頭組合可以拍攝立體圖像，并即時呈現在從美國公司采購的立體顯示器上。雖然立體效果不是很明顯，但是這是一個突破。這個實驗室還開發了二維與三維圖像轉化軟件，可以將二維電影轉化為三維立體電影。當然，立體效果還有待提高。另外，并不是所有的二維電影都可以轉化為三維電影。南京大學電子系的王元慶教授，則領導研究人員在2005年底開發了15英寸的3D顯示器，從顯示效果來看相當不錯。

北京的超多維公司，則在立體顯示方面進展神速。2006年10月筆者在中關村看到他們開發的第一代產品的時候，只能站在4米左右的地方，在一個狹小的角度，才能看到清晰的立體圖像。但是在今年5月份，筆者陪同科技部領導再次參觀他們位于東方廣場的會議室時，發現他們的第二代產品已經可以讓觀眾在任意位置、任意角度觀看到清晰的立體效果。與清華大學寬帶實驗室購買的美國立體顯示器相比，他們的技術在觀看角度、觀看位置、前景的立體效果以及亮度方面更為優秀。但是在背景的立體效果方面，則不如后者。與飛利浦今年年初展示的立體顯示器相比，他們的產品只在亮度上稍遜一籌，在視角和消除摩爾紋等方面甚至還超過了飛利浦。

據超多維公司的李建華副總介紹，他們5月份在實驗中完成了二維與三維的轉換試驗。只用一個鍵，就可以實現二維與三維的過渡。這樣，用戶不需要為了看三維效果買一個顯示器，為了看二維效果再買一個顯示器了。他們最大可以做到103英寸的立體顯示屏。出于商業保密的原因，超多維沒有公布自己的技術原理。

另外一家位于中關村國際創業園的北京威奧立體電視科技公司，在立體電視的研發方面也取得了進展。103英寸的立體顯示器就放在創業園的會議室中。

不論是中國的大學，還是公司，目前在立體顯示技術的研究方面，基本上都是各自為戰，沒有像日本的公司一樣建立聯盟。每一家都希望取得技術上的突破，希望自己的技術能夠上升為國家標準。但是每一家都有不可克服的困難，威奧需要資金，清華等學校既需要資金也需要產業化，超多維由于有澳門賭王手下大將蘇樹輝先生的投資而不缺錢，但卻是一家香港企業，而香港企業目前是不可能得到科技部資金資助從而將自己的標準上升為國家標準的。

其實，立體顯示技術，是上蒼賜與中國人在顯示領域占據世界領先席位的一次機會。如果不能有效合作，很難對抗日本的“3D聯盟”，很可能在未來被迫再度為立體電視交付專利費，從而導致利潤的流逝、資源的流失。

技術是沒有國界的，技術的持有者是有國界的；利潤是沒有國界的，利潤的擁有者是有國界的；資源是沒有國界的，資源的使用者是有國界的。我們生活在這個世界上，說到底是為了爭奪生存的資源。如果我們永遠處于世界“打工者”的地位，永遠不能翻身當老板，那么我們的資源將會源源不斷地流失。全球化，說穿了，就是在全球尋找資源供自己使用。