3D技術原理及發展狀況和前景

摘 要：本文從3D技術起源及原理出發，較系統介紹了3D技術發展狀況和前景-從擺脫特制眼鏡的束縛到裸眼3D；從利用人眼的視差特性產生立體感到基于全息影像技術在空間顯示真實的3D立體影像；從激光再現全息技術到白光再現全息技術。并對各個時期的技術及其優缺點作出分析和評價。

關鍵詞：3D技術；裸眼3D；全息影像技術

1 3D技術起源及原理

人眼產生3D視覺的秘密——偏光原理：

人眼在看任何物體時，由于兩只眼睛在空間有一定間距約為5cm，即存在兩個視角。這樣形成左右兩眼所看的圖像不完全一樣，稱為視差。這種細微的視差通過視網膜傳遞到大腦里，就能顯示出物體的前后遠近，產生強烈的立體感。這是1839年，英國科學家溫斯特發現的一個奇妙的現象，至今為止幾乎任何3D影像技術都是基于這個原理開發的。

2 3D技術發展狀況

2.1 3D成像技術種類

3D成像技術有很多種，分為不閃式3D技術、互補色技術、時分法技術、光柵式技術、普式技術、全息式技術等。而其中以時分法為當今所廣泛應用，而不閃式技術和互補色技術也有著較為廣泛的應用。為了方便說明我們用互補色技術解釋立體電影的形成（光的三原色原理——紅、綠、蘭）

⑴互補色技術是目前比較多電影院采用的技術，依據人眼的成像原理，以兩臺攝影機模擬人眼左右眼所成的像。再在放映過程中使用兩臺放映機它將不同視角上的成像用不同的顏色印刻在同一副畫面下，互補色3D眼鏡采用的技術也就是色分法，色分法會將兩個不同視角上拍攝的影像分別以兩種不同的顏色印制在同一副畫面中。如果在這樣的情況下，我們直接利用肉眼去觀看紅藍、紅綠等多種模式類的電影，就會出現模糊的重影圖像。這樣我們就無法觀看到紅藍、紅綠等多種模式類的電影的立體效果。再讓用戶通過紅藍立體鏡片來觀看到立體效果。由于技術成熟而且眼鏡造價相對低廉，所以廣為當今的電影院所接受。

⑵時分法即是（快門法）通過提高屏幕刷新率把圖像按幀一分為二，形成左右眼連續交錯顯示的兩組畫面，通過快門式3D眼鏡的配合，使得這兩組畫面分別進入左右雙眼，最終在大腦中合成3D立體圖像。計算機可以用顯卡將普通2D影像生成3D效果，成為未來用戶接觸3D視覺的主流設備。它也包括紅藍色分法，但這只是為了讓不具備硬件條件的用戶也能體驗3D視覺的次級方案，它主要是利用快門原理的時分法技術。

時分法3D視覺體驗的質量取決于鏡片液晶的偏轉頻率。要獲得理想的視覺效果，顯示器至少需要120Hz的刷新率，分配到每只眼睛上的圖像刷新率是60Hz。這樣視網膜影像殘留效應，人就很難感覺出來，圖像就不覺閃爍。

⑶不閃式3D 電視方式。不閃式3D使用特殊薄膜分離左右影像來體現3D影像。把分離左側影像和右側影像的特殊薄膜貼在3D電視表面和眼鏡上，通過電視分離左右影像后同時送往眼鏡，經眼鏡的過濾，把分離左右影像送到各個眼睛，大腦再把這兩個影像合成高清晰3D影像。因為不閃式3D能夠體現1秒鐘240張3D合成影像，沒有重疊畫面和拖拉現象，所以不閃式3D也被稱作世界唯一的240赫茲3D電視。

2.2 裸眼3D顯示技術

目前3D立體顯示技術，大部分要依賴特制的眼鏡，長時間的觀看會有惡心眩暈等感覺。舒適度大大降低。由以下這兩種技術（視差障壁；柱狀透鏡技術）的基礎上改良而成的裸眼3D顯示技術能較好解決這些問題，代表3D立體顯示技術發展前沿。

⑴視差障壁技術。在顯示器和眼睛之間設置一個柵欄式的擋板，就可以改變奇、偶列圖像的光線走向，使之分別送達左、右眼，形成立體視覺效果。這種方法的雙眼視圖也是位于屏幕上的奇列和偶列分區，實施是用一個開關液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向為90°的垂直條紋寬幾十微米。通過它們的光就形成了垂直的細條柵模式，稱之為“視差障壁”。通過一系列的縫隙來觀看奇、偶列圖像，這樣的裝置使左、右眼能分別看到對應的圖像，形成立體視覺效果。

缺陷：由于視差障壁，亮度會降低，分辨率也降低，導致清晰度將降低。

⑵柱狀透鏡技術。在顯示器前面板鑲上一塊柱透鏡板（透鏡板由細長的半圓柱透鏡緊密排列構成）組成裸眼立體顯示的光學系統，像素的光線通過柱透鏡的折射，把視差圖像投射到人的左、右眼，經視覺中樞的立體融合獲得立體感。

優點：亮度不受到影響，3D顯示效果更好。

缺點：相關制造與現有LCD液晶工藝不兼容，需要投資新的設備和生產線

為了克服上述不足，還有一些改進版的新技術：

⑶MLD技術—微位相差板法。使用微位相差板改變光的偏極態來分離左、右眼視圖。也是使用視差圖像來實現立體場景，兩幅圖像分別顯示在奇列分區和偶列分區。

優點：觀看3D影像時，不會產生眩暈、頭疼及眼睛疲勞；分辨率高；可兼容文字等二維影像和3D影像；可視角度大。

⑷指向光源技術。這種裸眼立體顯示器在LCD像素后面使用線光源提供背光照明，密集的線光源照明使奇、偶列像素的圖像傳輸路徑產生分離，分離后的視差圖像能分別到達對應的眼睛.全部像素被分為奇、偶列交錯的兩個顯示單元。用來顯示具有視差的立體對圖像。

優點：分辨率、透光率較高，能沿用現有的設計架構，3D顯示效果出色

缺點：技術產品還不成熟。

2.3 全息影像技術

人類之所以能感受到立體感是由于人的兩眼視差。根據這個原理，可以將3D顯示技術分為兩種：一種是利用人眼的視差特性產生立體感；另一種則是在空間顯示真實的3D立體影像，如基于全息影像技術的立體成像。全息影像是真正的三維立體影像，用戶不需要佩戴帶立體眼鏡或其他任何的輔助設備，就可以在不同的角度裸眼觀看影像。全息顯示技術的問世給真正的立體三維電視帶來了希望之光。全息電視與立體電視相比，其優越之處不僅僅在于立體三維圖像更接近于物體自身，而且還要從人眼對物體深度感在生理上的心理暗示來加以考慮。

⑴3D全息影像技術簡介。全息技術最早是應用在照相上的。它實際上是利用了光的干涉原理。把物體特有的光波資訊記錄在感光材料上，經過顯影定影處理後，得到一張全息圖。這張全息圖上面是沒有圖像的。要想看到圖像，就是要使光波重現。重現的圖像與原物一模一樣，如同透過窗口觀看外面的景物一樣。移動眼睛可以看到物體的不同側面。觀看前后不同距離的景物時，效果更加出色，與看話劇演出沒什么兩樣。

世界上最酷的透明玻璃電視—CLARO推出了一款以前從未見過的顯示器——透明玻璃電視，名為“Holoscreen”。它不同于現在的任何一款電視，是全息技術與視覺審美的無瑕結合的產物。它可以接受所有輸入格式。從電視、DVD、錄影、個人計算機到筆記本，都能使用。可稱得上是顯示技術的大革命。

⑵3D全息影像技術產品。全息投影3D全息立體投影設備不是利用數碼技術實現的，而是投影設備將不同角度影像投影至進口的MP全息投影膜上，讓你看到不屬于你自身角度的其他圖像，因而實現了真正的3D全息立體影像，是近期非常流行的技術。可實現的全息投影從技術上分為三種。1）空氣投影；2）激光束投影；3）日本公司研制了一種利用激光束來投射實體的全息影像投射方法。

以360全息成像為例，是由透明材料制成的四面錐體。當觀眾的視線透過椎體的一個面時，通過表面鏡射和反射，能夠從椎體內的空間里看到自由飄浮的影像。

2010年上海世博會中，多個國家館就采用了全息投影技術，其亦幻亦真的感覺，帶給人全新的視覺體驗。可以把遠處的人或物以三維形式投影在空氣之中。《阿凡達》視覺團隊把這一技術應用在湖南衛視2012跨年演唱會的舞臺上，不必借助3D眼鏡、IMAX屏幕，如幻似真的奇幻場面就呈現在舞臺現場。全息投影技術本質上是通過空氣或其它特殊的介質形成立體的影像，突破了傳統的聲、光、電等介質的局限性，成像色彩鮮艷，對比度、清晰度都非常高，強烈的空間感和透視感是這種技術最具魅力之處。全息投影有望超越當前的各種3D技術，成為終極立體顯示解決方案。

3 3D技術發展前景

在激光全息技術中，全息顯示技術由于更接近于人們的日常生活而倍受關注。它不僅可制出惟妙惟肖的立體三維圖片美化人們的生活，還可將其用于證券、商品防偽、商品廣告、促銷、藝術圖片、展覽、圖書插圖與美術裝潢、包裝、室內裝潢、醫學、刑偵、物證照相與鑒別、建筑三維成像、科研、教學、信息交流、人像三維攝影及三維立體影視等眾多領域，近年來還發展成為寬幅全息包裝材料而得到了廣泛的應用。由于白光再現全息技術可在白晝自然環境中或在普通白光照射條件下觀看物體的三維圖像，一直是研究全息技術的最新發展及運用，期待自身的努力使得全息顯示技術得到了迅速的發展。

[參考文獻]

[1]張曉媛.裸眼立體顯示技術的研究.天津理工大學碩士學位論文.