構(gòu)建真實(shí)視覺世界的3D顯示技術(shù)

很多早就存在并且應(yīng)用的技術(shù)，一旦引入消費(fèi)電子領(lǐng)域，才真正迎來其爆發(fā)的春天，比如最近熱的不能再熱的3D顯示技術(shù)。一部《阿凡達(dá)》帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電影本身，讓更多消費(fèi)者體驗(yàn)到3D技術(shù)的震撼，而2010年日本直播了3D顯示的世界杯比賽則推動(dòng)了3D電視搶占家用市場(chǎng)，當(dāng)任天堂的3DS將裸眼3D技術(shù)引入便攜終端，3D顯示正式宣告已經(jīng)準(zhǔn)備好給每個(gè)消費(fèi)者構(gòu)建一個(gè)真實(shí)視覺的世界。

3D顯示應(yīng)用概述

在1838年，英國(guó)發(fā)明家Charles Wheatstone發(fā)現(xiàn)人類眼睛各別觀看略有不同視角內(nèi)容的圖像，經(jīng)由大腦的組合與解析會(huì)產(chǎn)生立體感，這種差異，讓一個(gè)人從兩個(gè)二維照片看到三維圖像(立體圖)。170年來，人類就根據(jù)左右眼視差的原理，發(fā)展了各種3D顯示的方法。

相較于2D顯示，3D顯示多了一維深度的視覺，優(yōu)于2D顯示所能提供的逼真感受與刺激，3D電影是3D顯示在公眾領(lǐng)域最早也最普遍的應(yīng)用。在CRT屏幕時(shí)代，3D顯示也應(yīng)用在一些特殊用途，例如科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)及醫(yī)學(xué)影像。不過隨著高畫質(zhì)數(shù)字平面顯示技術(shù)的發(fā)展，大幅改善了3D顯示效果，眼鏡式或裸眼式3D顯示應(yīng)用，逐漸試探性地在通信及消費(fèi)性電子市場(chǎng)上出現(xiàn)。

3D顯示技術(shù)的應(yīng)用不僅廣闊而且寬泛(如圖1)，由于3D游戲及3D電影內(nèi)容較成熟，眼鏡式3D顯示電影是最早呈現(xiàn)在消費(fèi)者面前的，這方面的先鋒是一些科普教學(xué)宣傳電影，隨后就是好萊塢的商業(yè)電影。3D顯示電視隨著3D電影節(jié)目的豐富和藍(lán)光載體的出現(xiàn)，成為最先進(jìn)入家庭的3D顯示平臺(tái)。裸眼式3D顯示目前而言，在大屏幕上的效果仍不如眼鏡式3D顯示，短期內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展將會(huì)偏重在一些特定市場(chǎng)，尤其是像小型個(gè)人便攜終端或大型公眾廣告方面的應(yīng)用，目前市場(chǎng)上，已有包括家用游戲機(jī)、電視機(jī)、PC監(jiān)視器、筆記本電腦/平板電腦、藍(lán)光光盤、數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、智能手機(jī)以及數(shù)字相框等產(chǎn)品的制造商推出或計(jì)劃推出3D顯示相關(guān)產(chǎn)品。而除了家電之外，3D顯示器未來更可望普及至醫(yī)療領(lǐng)域，以及數(shù)字告示廣告牌等新用途上。

DisplaySearch調(diào)查指出，3D顯示器的市場(chǎng)出貨量將從2008年的70萬臺(tái)，成長(zhǎng)到2018年的1億9600萬臺(tái)，營(yíng)收也將從9億200萬美元成長(zhǎng)至220億美元。該預(yù)測(cè)同時(shí)顯示，年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)按營(yíng)收計(jì)算將達(dá)到38%，按出貨量計(jì)算將達(dá)到75%，如圖2。

3D顯示技術(shù)應(yīng)用分析

3D顯示的市場(chǎng)經(jīng)過3D電影的鋪墊，已經(jīng)蓄勢(shì)待發(fā)，前途早就注定是光明的。但作為一個(gè)瞬間崛起的行業(yè)，依然存在眾多的問題需要解決，才能促使3D顯示技術(shù)更快征服消費(fèi)者的購(gòu)買欲望。

在消費(fèi)者需求的研究下，發(fā)現(xiàn)目前最被期待的應(yīng)用在家庭劇院系統(tǒng)，其次分別為3D電視和3D游戲等家用設(shè)備。反應(yīng)在市場(chǎng)的現(xiàn)狀，3D投影設(shè)備和劇院系統(tǒng)早期銷售量超越3D電視。而3D游戲在Nvidia的力推下，有超過400家電子游戲內(nèi)容商支持立體輸出，搭配該公司提供的Shutter Glasses及供貨商提供的高倍頻顯示器解決方案，即可達(dá)到高分辨率而立體輸出的游戲畫質(zhì)，此外，SONY的PS3游戲主機(jī)支持藍(lán)光3D規(guī)格輸出，未來也可供應(yīng)立體游戲的內(nèi)容輸出。任天堂的3DS推出裸眼3D之后，目前也已經(jīng)有上百款游戲與之配套，提供不同的用戶體驗(yàn)。

3D電視是3D顯示技術(shù)真正走向家庭的主力軍，而3D電視早在2010年就隨著世界杯的3D轉(zhuǎn)播催生了第一批粉絲。2012年作為奧運(yùn)年配合歐洲杯足球賽，多家電視臺(tái)表示將用3D轉(zhuǎn)播比賽無疑是3D電視推廣的又一個(gè)好機(jī)會(huì)。另一個(gè)方面，我們必須看到的事實(shí)是，3D電視的技術(shù)早已成熟，但鑒于3D電視成本上較現(xiàn)有LED平板電視高出不少，消費(fèi)者需要足夠動(dòng)力去更換才購(gòu)買一兩年的新電視機(jī)。因此，真正目前制約3D電視大規(guī)模普及的還是節(jié)目?jī)?nèi)容不足。除了部分體育比賽和傳統(tǒng)的商業(yè)3D電影之外，其他3D節(jié)目資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠支撐起用戶的觀看需求。雖然很多電視節(jié)目運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)推出3D相關(guān)服務(wù)，但內(nèi)容資源的短缺依然讓很多消費(fèi)者面對(duì)3D 電視望而卻步，用戶資源的缺失，又造成3D視頻節(jié)目制作者收益無法保障而難以激發(fā)創(chuàng)作熱情，因此，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)如何建立是推動(dòng)3D電視快速普及的重要所在。

目前，很多從業(yè)者選擇了2D轉(zhuǎn)3D來豐富3D視頻資源，這固然能豐富節(jié)目數(shù)量，但也不過是權(quán)宜之計(jì)。要將2D影像轉(zhuǎn)成3D影像的技術(shù)困難度很高，因?yàn)橐幚砗芏嘁曨l流，對(duì)處理器的能力提出非常高的實(shí)時(shí)視頻流處理要求，不過轉(zhuǎn)好之后的視頻播放時(shí)對(duì)硬件的要求不再苛刻，博通公司寬帶通信事業(yè)部技術(shù)副總裁Sherman Chen介紹，現(xiàn)有的高清多媒體處理芯片已經(jīng)有足夠處理能力支持 3D編解碼的處理要求，只要是編譯好的3D節(jié)目，都可以在高清相關(guān)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)流暢3D體驗(yàn)。關(guān)于2D轉(zhuǎn)3D技術(shù)基本上要產(chǎn)生視覺上可見的3D影像，必須要有左右眼視差的兩個(gè)影像，2D影像內(nèi)容不具備各景物深度位置的數(shù)據(jù)，所以如何將2D轉(zhuǎn)3D，最關(guān)鍵技術(shù)就是如何分析及判別景物的相對(duì)深度關(guān)系，找出2D影像的正確深度圖(Depth Map)。由于2D文字和3D影像同時(shí)并存的應(yīng)用情境常常出現(xiàn)，因此在特定局部范圍內(nèi)顯示3D立體影像效果非常重要；此外，2D和3D顯示應(yīng)用也需要并存，才可讓消費(fèi)者可隨時(shí)切換觀看，因此2D和3D全局顯示切換技術(shù)也非常關(guān)鍵。但換個(gè)角度考慮，由于同樣時(shí)長(zhǎng)的3D拍攝節(jié)目是轉(zhuǎn)換原有2D節(jié)目成本的8-10倍左右，2D轉(zhuǎn)3D切換技術(shù)對(duì)于3D電視應(yīng)用的普及化來說，更是不可或缺。

便攜3D終端是另一個(gè)推動(dòng)3D顯示的主力，這部分產(chǎn)品最貼近的應(yīng)用將是裸眼3D。任天堂的3DS可以說是第一個(gè)真正意義廣泛銷售的裸眼3D移動(dòng)終端，而在2012年，裸眼3D的智能手機(jī)和平板電腦將是主流。裸眼3D實(shí)現(xiàn)技術(shù)和眼鏡式3D技術(shù)有明顯區(qū)別，這個(gè)后面詳細(xì)介紹。對(duì)于便攜終端而言，3D顯示應(yīng)用的市場(chǎng)需求是迫切的，但節(jié)目?jī)?nèi)容的不足已經(jīng)不是技術(shù)推廣存在的唯一問題，在便攜終端的裸眼3D顯示一些不得不面對(duì)的問題包括：處理器處理能力和功耗的矛盾，上裸眼3D，意味著智能手機(jī)至少要有強(qiáng)大的應(yīng)用處理器(理論上要有3-4個(gè)處理核心)；裸眼3D顯示的屏幕成本增加和對(duì)其他硬件要求的嚴(yán)格，這極大制約智能手機(jī)和移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)，特別是成本優(yōu)化極具挑戰(zhàn)性；觀看體驗(yàn)不足，區(qū)別于大屏幕的3D效果，在小屏幕上展現(xiàn)裸眼3D，其實(shí)際效果并不炫目，特別是長(zhǎng)時(shí)間觀看容易產(chǎn)生眩暈感，加之相關(guān)內(nèi)容的格式要求進(jìn)行更大的壓縮，編解碼后產(chǎn)生的效果大打折扣。

另一個(gè)裸眼3D急需解決的問題是標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，在沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)前，裸眼3D大規(guī)模需要面對(duì)很多現(xiàn)實(shí)的問題。像3DS這樣的便攜設(shè)備，在室內(nèi)不如大屏幕有競(jìng)爭(zhēng)力，在戶外、公共場(chǎng)所等地方玩3DS，你很難保持一個(gè)固定的姿勢(shì)，打開3D則有諸多不方便。 很明顯的例子是，很多游戲有重力感應(yīng)操作，用戶一晃動(dòng)掌機(jī)就會(huì)出現(xiàn)圖像重影。此外，裸眼3D帶來的用戶眩暈情況也有待最終的評(píng)估給出答案，上市前，任天堂曾發(fā)出警告，稱3DS不適合6歲以下兒童，因?yàn)槠?D效果影響兒童眼睛發(fā)育。

深圳市維尚視界立體顯示技術(shù)公司(3DVstar)是國(guó)內(nèi)較早提供成熟裸眼3D解決方案的廠商，已經(jīng)有多款終端產(chǎn)品采用他們的模組實(shí)現(xiàn)裸眼3D，該公司總經(jīng)理?xiàng)顏嗆娬J(rèn)為，裸眼3D的出現(xiàn)必然會(huì)使消費(fèi)者有一個(gè)適應(yīng)的過程，是否可以在傳統(tǒng)視覺習(xí)慣上附加一個(gè)新的觀看方式？楊總表示，3DVstar在幫助客戶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的所有產(chǎn)品中，都能實(shí)現(xiàn)在2D和3D中一鍵式無縫切換，甚至能在觀看3D電影時(shí)無需暫停就可進(jìn)行立體和平面的切換。這種一鍵式方案可通過多種方式來實(shí)現(xiàn)，既可“物理式”亦可以是“雙擊觸摸屏式”。而且這種功能支持每一類不同的數(shù)碼顯示產(chǎn)品

關(guān)于3D視頻顯示技術(shù)，瑞薩移動(dòng)認(rèn)為，還存在一個(gè)共有的問題為觀看的最佳地點(diǎn)很少，未來3D視頻技術(shù)的發(fā)展主要方向就是建立多重的最佳觀看地點(diǎn)。此外，什么會(huì)成為3D視頻技術(shù)的殺手級(jí)應(yīng)用以及3D技術(shù)未來將如何運(yùn)用目前都不得而知，有待研究。不過瑞薩移動(dòng)認(rèn)為，通過像蘋果、安卓智能手機(jī)的程序開發(fā)，會(huì)推動(dòng)殺手級(jí)應(yīng)用的發(fā)展。現(xiàn)在，有些智能手機(jī)和平板電腦等產(chǎn)品已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)3D技術(shù)。人們所花的成本會(huì)隨著屏幕日益復(fù)雜而增加，但是媒體處理器可以針對(duì)不同的屏幕的需求來提供數(shù)據(jù)。3D用戶的界面將會(huì)變得有趣，尤其是與傳感技術(shù)結(jié)合后，其可在創(chuàng)建的三維空間中與用戶互動(dòng)(這部分內(nèi)容可以參考相關(guān)閱讀)。

3D顯示技術(shù)原理

3D顯示分成眼鏡式及裸眼式兩類，眼鏡式依眼鏡的不同又分為被動(dòng)式眼鏡(Passive Glasses)與主動(dòng)式眼鏡(Active Glasses)3D顯示技術(shù)，詳細(xì)分類如圖3。

眼鏡式3D顯示技術(shù)

被動(dòng)式眼鏡3D顯示技術(shù)，依左右眼影像分離所采用的光學(xué)方法，有偏振濾光(Polarization)及光譜濾波(Spectral Filters)兩種。另外，眼鏡式3D顯示技術(shù)依影像顯示方法，又可分出時(shí)間依序(Time Sequential)、空間分隔(Spatial Separation)與同位圖像(CoLocated Pixels)三種。

三種主要影像顯示方法

時(shí)間依序是將影像一左一右依序顯示，所以顯示器的畫面頻率至少要幀頻率(Frame Rate)的兩倍(120Hz)，配合主動(dòng)式快門眼鏡將左右眼影像分開給各別眼睛?？臻g分隔是將左右眼影像在顯示圖框上依奇數(shù)列與偶數(shù)列垂直穿插排列方式，或是在顯示幀每

一列依左右眼影像水平像素穿插排列，再配合微位相差膜(Microretarder)及被動(dòng)式偏振眼鏡將左右眼影像分開給左右眼睛?？臻g分隔左右眼影像垂直(或水平)分辨率只有2D顯示的一半。同位圖像是將左右眼影像同時(shí)間重迭顯示，左右眼影像在光學(xué)上利用偏振濾光或光譜濾波方法將影像分離，同位圖像方法可以做到全畫面分辨率3D顯示，影像圖框頻率與2D顯示相同。

被動(dòng)式眼鏡3D顯示技術(shù)應(yīng)用

目前3D顯示技術(shù)應(yīng)用在3D電影所采用的技術(shù)有雙投影機(jī)的同位圖像偏振濾光或光譜濾波，以及單投影機(jī)時(shí)間依序偏振濾光或光譜濾波。單投影機(jī)偏振濾光是在投影機(jī)鏡頭前加裝一片與投影機(jī)同步的快門式偏振濾光片(Z-Screen)，為降低畫面閃爍，作法上會(huì)將左右眼影像同一圖框顯示兩次，總頻率達(dá)4倍；因圖框頻率高，所以采用DLP影像顯示技術(shù)。

主動(dòng)式眼鏡3D顯示技術(shù)應(yīng)用

主動(dòng)式眼鏡技術(shù)主要是快門式偏振眼鏡，搭配時(shí)間依序3D顯示器，眼鏡左右眼交替開關(guān)與屏幕同步，同樣由于顯示圖框頻率速度的要求，以往都是搭配DLP或PDP顯示器技術(shù)。LCD 3D顯示早先以空間分隔搭配被動(dòng)式偏振眼鏡為主，隨著LCD面板圖像更新率(Refresh Rate)的提升，時(shí)間依序偏振濾光因有全畫面分辨率3D的優(yōu)點(diǎn)，LCD以時(shí)間依序搭配快門式偏振眼鏡也普遍被看好，目前有國(guó)際繪圖芯片大廠nVidia將此技術(shù)推動(dòng)在計(jì)算機(jī)3D顯示的應(yīng)用。不過主動(dòng)式眼鏡3D顯示所用的快門式偏振眼鏡價(jià)格高，仍有待降低成本。

裸眼式3D顯示技術(shù)

裸眼式3D顯示有2D顯示使用上同樣的方便性，是3D顯示發(fā)展的終極目標(biāo)。目前所看到的裸眼式3D顯示技術(shù)包括柱狀透鏡式(Lenticular Plate)、視差光柵式(Parallax Barrier)、自動(dòng)觀者追跡式(Auto Viewer-Tracking)、空間體積式(Volumetric)及全像式(Holographic)。

一般柱狀透鏡式及視差光柵式

柱狀透鏡式及視差光柵式技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用在裸眼式多視角平面3D顯示器，也是目前使用較普遍的技術(shù)。柱狀透鏡或視差光柵裸眼式3D顯示可以是兩個(gè)視角(Two-view)或多視角(Multi-view)的設(shè)計(jì)，其技術(shù)原理是利用柱狀透鏡折射或利用光柵屏幕遮掩影像顯示板上由多個(gè)不同視角影像交錯(cuò)組成的影像，讓各個(gè)視角影像投射在空間中，相臨視角影像依序展開，觀者在適當(dāng)距離左右眼各收視到相臨視角影像，視覺上產(chǎn)生3D影像效果。柱狀透鏡式光通效率高(大于80%)，相較于視差光柵式有較佳的亮度(視視角數(shù)及光柵寬度而定)，不過技術(shù)難度及制作成本高。

斜向柱狀透鏡式及斜向視差光柵式

傳統(tǒng)直式柱狀透鏡及直式視差光柵屏幕多視角3D顯示技術(shù)，因會(huì)大幅降低3D影像水平方向分辨率，3D影像只有全畫面分辨率的1/ N(N為視角數(shù))。于是有斜向柱狀透鏡式(Slanted Lenticular Plate)及斜向視差光柵式(Slanted Parallax Barrier)的技術(shù)產(chǎn)生，此技術(shù)可將分辨率降低的比例適當(dāng)分配在垂直及水平方向，以提高整體3D影像的畫質(zhì)。兩種技術(shù)各有多家廠商使用，尤其是斜向視差光柵式技術(shù)。制作簡(jiǎn)單且成本低，從3D手機(jī)、3D數(shù)字相框等小型產(chǎn)品到多人觀看的大型3D數(shù)字廣告牌都有產(chǎn)品應(yīng)用推出。

自動(dòng)觀者追跡式

自動(dòng)觀者追跡式3D顯示技術(shù)，結(jié)合攝影機(jī)追蹤觀者眼睛來自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整左右眼影像視角以跟隨人眼位置，由于只產(chǎn)生兩個(gè)視角，可提供較好的3D分辨率，適合單人使用，較偏重在特定專業(yè)應(yīng)用上。

空間體積式

上述眼鏡式或裸眼式3D顯示技術(shù)都是以平面屏幕依兩眼視差原理讓視覺感知3D的立體影像，3D顯示最多就是在屏幕前180度的范圍，我們將其稱為平面式3D立體影像。而空間體積式3D顯示及全像式3D顯示技術(shù)，則是以光學(xué)的方法在空間中產(chǎn)生3D影像，視覺類同具體存在的3D物體，我們將其稱為為空間式3D立體影像?？臻g式3D立體影像需要的數(shù)據(jù)量龐大且需要高速的影像處理，相對(duì)技術(shù)難度高很多?？臻g體積式3D通常是以360度環(huán)繞中心投射及反射影像技術(shù)，利用人眼視覺暫留的特性，觀者可看到360度具體3D立體影像。此技術(shù)通常需要運(yùn)用快速360度旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動(dòng)作，機(jī)械旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪音，以及中心軸的穩(wěn)定度，都是需克服的技術(shù)問題，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系，此技術(shù)也不易做到大的3D影像顯示。

全像式

至于全像式3D顯示技術(shù)，雖然可以提供較理想的3D視覺效果，國(guó)際上有很多研究機(jī)構(gòu)在發(fā)展，不過由于技術(shù)難度甚高，仍屬實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。據(jù)了解，日本正發(fā)展以全像式3D顯示為核心的高擬真通訊技術(shù)，預(yù)定產(chǎn)品化時(shí)間為2025年。

傳輸

3D拍好了到底怎么樣傳輸?目前有幾種方式，一種是兩個(gè)都是高清的SDI傳輸，將來要用3G的方式，1080 50p只是3G中的一種方式。用兩路傳輸會(huì)碰到傳輸時(shí)延問題和爭(zhēng)議問題，現(xiàn)在的方式是通過兩個(gè)SDI的方式，一個(gè)是左眼的信號(hào)，一個(gè)是右眼的信號(hào)，會(huì)出來兩個(gè)測(cè)試的信號(hào)。建好系統(tǒng)和檢測(cè)設(shè)備以后，通過左右眼的信號(hào)檢測(cè)整個(gè)通道。需要注意有沒有把左右眼信號(hào)搞混，包括有沒有通道之間的延時(shí)，如果通道之間有延時(shí)會(huì)造成錯(cuò)位，3D效果就會(huì)有很大問題。

前不久美國(guó)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)傳輸?shù)囊?guī)范，傳3D的信號(hào)有兩種方式，一種是3D的左眼右眼并列傳，通過壓縮。這種方式適用于1080i隔行掃描格式，左眼在水平方面壓縮一半，右眼在水平方向壓縮一半，類似于1080i的畫面，通過MPEG2和H.264去傳輸，經(jīng)過解碼器把左眼跟右眼信號(hào)分別解碼出來，這時(shí)的水平只有一半，再做上變換，得到的畫面就是1080i，出來的即是左右眼的信號(hào)。720p的方式是上下的，上部分是左眼，下部分是右眼，這樣出來的還是720p的畫面，現(xiàn)有的系統(tǒng)同樣可以傳左右眼的信號(hào)，定義多少行到多少行是左眼，多少行到多少行是右眼，接收的解碼器同樣可以把左右眼解出來，通過電視機(jī)顯示出來。

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