3DTV的立體顯像技術

韓振雷

（山東理工大學 計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049）

1 立體成像的基本原理與特點

視差是3D成像技術的基礎，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面。在縱向空間上，中間的物體基本呈現在屏幕層面上，而其前后的物體則游離到了屏幕之外，這一現象叫出屏，近端的物體處在屏幕和觀眾之間，遠端的物體則朝屏幕的另一方向呈現為出屏狀態[1]。

景物是否出屏以及出屏的方向取決于三維攝像機兩個鏡頭會聚點的具體位置。鏡頭的會聚點（Conver?gence）即兩個鏡頭光軸的相交點，多數情況下在鏡頭的景深范圍之內，偶爾也可根據造型需要，處于景深范圍之外。在需要佩帶立體眼鏡的顯示終端上，處于鏡頭會聚點上的景物用裸眼看是疊印在一起的，呈現為清晰的圖像。而處在鏡頭會聚點之外的景物，兩個鏡頭攝取的影像用裸眼觀看時則呈現為類似重影的分離狀態，景物離鏡頭的會聚點越遠，兩個影像也離得越遠。當帶上立體眼鏡觀看時，處于鏡頭會聚點上的景物處于屏幕的平面上，而處在鏡頭會聚點之外的景物，看上去則是出現在屏幕的前面或后面的空間中。基本規律是：在鏡頭會聚點前端的景物向屏幕前方出屏，在會聚點后方的景物向屏幕后方出屏，并且拍攝時景物離鏡頭的會聚點越遠，出屏的距離也就越遠。會聚點分別在前景和后景位置時，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

假設兩個鏡頭的會聚點大約在成像面上，物體A在會聚點的前方。這樣兩個鏡頭攝取的影像就交錯地處于成像面上，右側鏡頭攝取的影像（Cam AR）在成像面的左側，左側鏡頭攝取的影像（Cam Al）在成像面的右側，如圖3所示。

圖4給出了3D顯像時景物的成像特點及出屏效果。左側攝像機攝取的影像出現在屏幕的右側，右側攝像機攝取的影像再現在屏幕的左側。兩個影像分別進入觀眾的左眼和右眼，經大腦視覺神經處理后，合成影像呈現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）和攝像機的鏡距（Cam Wide）相等（約為6～7 cm），且眼睛和屏幕兩側形成的夾角β與攝像機鏡頭與成像器兩側邊之間形成的夾角α相等，那么場景的深度感和物體A的出屏距離將和實際拍攝時的情況完全一致。

在實際觀看立體影像時，有時會感覺場景的縱深感不足，處在近景位置上的景物出屏不夠，達不到“觸手可及”的狀態。出現這種現象的根本原因有兩個：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；二是播放時兩個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。解決的辦法有多個：前期拍攝時可適當增加鏡距（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，在播放時采用盡可能大的屏幕，條件允許時采用較近的觀看距離；另外，在立體影像的制作過程中，適當添加一些反映播放環境的參數（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，畫面的許多藝術因素對立體效果也非常重要，例如物體運動的速度和方向，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

由于立體視覺是基于視差而來，因此要實現立體顯示，必須以人工方式重現視差，使兩只眼睛分別看到來自不同視點的影像，從而還原出立體視覺。根據工作原理不同，立體電視顯示技術有被動式與主動式兩大類。

被動式顯示技術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左右兩個鏡片，借助左右影像的視差形成立體畫面。偏光式3D眼鏡的左右兩個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。

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，兩個鏡片一個向左呈圓形旋轉，一個向右呈圓形旋轉，不必像線偏振那樣保持“橫平豎直”的狀態，可實現全方位觀看立體影像。目前，基于被動式立體顯示技術的液晶立體電視多采用隔行式圓偏振技術，其基本原理是在液晶屏幕上貼上一層偏光膜，使其奇、偶行發出的光線分別偏光正負45°，形成交錯排列的垂直與水平偏振光，即奇、偶行發出的光線呈垂直偏振關系。與之配套的兩個鏡片上也分別貼有水平和垂直偏光膜，左眼鏡片過濾偶數行的光線，只讓奇數行的光線通過；右眼鏡片過濾奇數行的光線，只讓偶數行的光線通過。由于奇數行的影像來自立體攝像機的左鏡頭，偶數行的影像來自立體攝像機的右鏡頭，所以左右兩眼看到的是分別來自兩個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顯示技術屬于交錯顯像模式（Interlacing Display Mode）或行交錯格式（Row Interlaced Format），又叫左右眼逐行（Line-by-line）顯示方式[5]。

主動式基于快門原理形成立體影像，是一種幀兼容平面立體視覺系統（Frame Compatible Plano-Stereoscop?ic System），DVB組織近日發布的3DTV商業指標草案就是針對這種主動式顯示技術的。

液晶快門（LCS）眼鏡屬于通過眼鏡本身的動作實現立體顯示的主動式快門眼鏡，其基本原理是運用電場控制液晶的透光狀態，以每秒50次（PAL制）或60次（NTSC制）的頻率交替遮蔽進入兩眼的光線。播放時，只要交替顯示來自3D攝像機左右兩個鏡頭的畫面，在立體同步信號的控制下，讓液晶快門眼鏡與畫面同步動作——屏幕上出現左眼畫面時，右眼鏡片關閉，左眼鏡片呈透光狀態；屏幕上出現右眼畫面時，左眼鏡片關閉，右眼鏡片呈透光狀態。這就是主動式立體顯像技術的基本工作原理。因為是基于空間復用（Spatial Multiplex）原理，左右眼圖以交替的幀順序依次顯示，工作特點頗似翻動書本的頁面，所以這種使用主動式快門眼鏡的立體顯像方式又叫幀序式（Frame Sequential）或翻頁式（Page-Flipping）顯示技術，本質上屬于時分（Time Divided）顯示技術。

圖5、圖6給出了幀序式立體顯像的基本原理與特點。首先將立體攝像機拍攝的左右眼畫面按特定格式進行編碼，然后通過時分技術使左右眼畫面按幀順序交錯排列（見圖6），在顯示終端，液晶快門眼鏡在立體同步信號的控制下，左右眼鏡片依次打開，使兩個眼睛分別看到來自攝像機左右兩個鏡頭的畫面（見圖6），最終實現立體影像的還原[2]。

這種基于時分技術的立體顯像方式，最大優點是左右眼看到的畫面都是全分辨力的，和偏光式立體顯像方式相比，可以實現全高清的高畫質立體顯像。另外電視屏幕上也不用貼偏光膜，簡化了電視屏幕的制造工藝。但是，由于左右眼交替顯像，實際作用于眼睛的畫面刷新率將降低一倍，導致大面積閃爍現象。解決的辦法是采用幀倍頻技術，將顯示設備的幀率提高1倍（PAL制提高到100 Hz，NTSC制提高到120 Hz）。如果三維攝像機本身支持高達120 Hz的幀速率，顯示設備將不必采用幀倍頻技術，但由于信號本身的數據流量增大了1倍，勢必對信號的傳輸、存儲等在技術和設備方面提出更高的要求，這也是主動式立體顯像技術的1個缺點。

另外，液晶式快門眼鏡必須接受同步信號的控制，以保證左右眼鏡片正確開合。對同步控制信號和快門式眼鏡的主要要求有：用紅外線控制，靈敏度和可靠性要高，不得出現幀失落（Drop Frame）現象；鏡片的明暗對比度要大，透光率要高，反應速度要快；另外，還要有偽立體（Pseudo Stereo）識別與反轉功能。總體上，采用液晶快門眼鏡的立體電視系統居于主流地位，最大優點是畫面質量好，不足是眼鏡及整個系統的造價偏高。

[1]Sony.3D成像技術原理[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.