3D成像及其電視技術漫談

敖翔宇

摘 要：在現實生活中，我們已經有著越來越多的機會接觸到3D電視和3D電影。這種看似尖端的技術到底是如何實現的呢？3D電影已經接近普及，而3D電視離我們到底還有多遠呢？本文將帶領讀者探究3D技術的原理以及其在我們生活中運用。

關鍵詞：3D電視；偏光；裸眼3D

對一個熱愛電影的朋友來說，2010年1月在國內上映的美國電影《阿凡達》無疑是一部不可錯過的大作，但是若說買張光碟自己在家看，我想多數人會說不。從傳統電影評析角度來看，《阿凡達》并沒有什么出彩之處，老套的劇情，簡單的人物刻畫，電影開始5分鐘后，很多影迷朋友估計就能猜到結局，那是什么成就了《阿凡達》呢？答案就是3D成像技術。

如果說4K、8K一類的技術是為了提高畫面分辨率，改善節目內容細節，那么3D成像技術則是為了改善觀眾的觀感體驗。3D成像這一技術名詞聽起來頗具現代感，但實際上它的歷史可以追溯到上個世紀初。1903年科學家發現了“視差制造立體”的原理，并利用雙鏡結構實現了它，由此揭開了3D成像技術發展的序幕。

在經歷了一段曲折的發展道路，并在短暫的沉寂后，3D電影在新的世紀重回我們的視野，2010年的《阿凡達》將3D電影推向了巔峰，或者說是近10年來的巔峰。相對于3D電影，3D電視起步更晚。但以此就判定3D電視的發展就落后于3D電影，那無疑是個大誤會。自1925年實際意義上的電視機誕生后，電視領域的科學天才們就開始斷斷續續的嘗試在電視上實現3D顯示。20世紀50年代，彩色電視技術發展到接近實用的階段，“互補色立體分像電視技術”開始應用于立體電視，要觀看立體節目你需要的只是一個濾光鏡，和看那時的立體電影一樣。或分色或利用偏振光，3D電視與3D電影基于同樣的顯示原理，走著兩條相互平行，目的相同的道路。

說了這么多歷史，到底什么是3D成像技術，它的實現原理是怎樣的呢？

現代3D成像技術是在1903年發明的“視差產生立體”原理基礎上發展而來的。所謂“視差產生立體”原理就是當我們觀察事物時，兩眼所看到的畫面會因為兩眼位置不同而產生細微的差異（這一差異也被稱作視差位移），我們的大腦通過對這種差異的處理讓我們有了立體視覺，而3D成像技術的核心就是“制造視差”。

想要在兩眼間制造視差，首先得知道我們的眼睛對顏色、光線頗為敏感，而因為視覺惰性（指眼睛看到景物后，景物在感覺上會存留一段時間，這一現象源于神經系統的惰性）的存在，它甚至對時間也是敏感的。知道了我們的雙眼對什么參數敏感后，我們就可以有針對性的創造條件制造視差，既然上面提到了三個參數，我們也就至少有三種制造視差的方式，即色差式、偏光式和主動快門式。

色差式成像的實際應用技術被稱為光譜分光技術，它的基本原理是利用旋轉的濾光輪分出光譜信息，使用不同顏色的濾光片進行畫面濾色，使得一個畫面能產生出兩幅存在細微色差的圖像，其優點是成本低廉，實現簡單，但因其成像效果差，容易產生色偏，所以未被作為現代主流3D成像技術。

基于人眼視覺惰性的3D成像實用技術是主動快門式3D技術，其基本原理是以很高的頻率輪流開關左右兩眼的鏡片，使兩眼看到不同時間片上的畫面（可以簡單理解成輪流睜開閉上我們的眼睛，只讓某一只眼睛看到它需要看到的畫面）利用人眼的視覺惰性在左右眼生成不同的畫面，只要開關時間足夠快，就能夠讓人產生3D視覺。這一技術的優點很多，如殘影少、3D效果完整、無分辨率損失等，但其缺點也同樣明顯，主要有亮度損失大、高速開閉鏡片導致的視覺疲勞、眼睛快門不同步導致的畫面模糊和因液晶材質特性導致的可視角度限制。最后，相對較高的實現成本也限制了這種技術發展。

偏光式3D成像技術的核心原理是偏振分光技術，所謂偏振分光技術是指利用特殊的光學結構（通常是偏光膜）濾掉無用的光波，只允許特定振動方向的光波通過的技術。在實際應用中，我們先將圖像分為垂直向偏振和水平向偏振兩組畫面，然后光線在通過濾光片后將這兩組畫面分別投射給左右眼，于是我們任意一個眼睛只能看到兩組畫面中的一組，視差由此產生，剩下的就交給我們的大腦了。需要提到的是，在這一方法下，兩只眼睛只接收兩個在屏幕上占一半的畫面，其直接結果就是畫面清晰度和3D效果也會因此而減半。比如一個1920*1080P的屏幕將只能給我們提供960*1080或1920*540清晰度的畫面體驗。即使這樣，它的優勢也是非常明顯的。首先，相對于主動快門式3D技術，偏光式技術不存在畫面閃爍導致的視覺疲勞問題，即使長時間觀看節目也不會有頭暈惡心等癥狀。而且因其兩眼產生的圖像是分離左右影像來體現3D影像，所以不會有兩眼間的干涉現象發生，及不存在畫面重疊的3D影像。其次，因其未利用時差來實現畫面分離，故可以在相同時間里以更高的頻率觀看3D畫面，從而杜絕刷新頻率慢導致的畫面拖拉現象。最后，偏振式3D技術實現簡單，實現成本相對較低，具備成為主流3D技術的條件。

從以上的簡要說明中我們可以看出，3類3D成像技術的實現都需要我們佩戴相對應的眼鏡或具備相同功能的設備，基于同樣技術的3D電影也是這樣。作為一個觀影者，戴著眼鏡坐在影院中看場3D電影也許并不算事，但如果你身在家中，為觀看3D電視節目而時刻帶著眼鏡就未免有些麻煩，特別是原本就有近視問題的觀眾本就戴著一副眼鏡時。這也是3D電視與3D電影的一個重要分歧點，電視觀眾的節目觀看時間更長，他們往往對舒適度有更高的要求，因此電視觀眾比起電影觀眾更需要脫離眼鏡的束縛，由此引出一種基于相同成像原理，卻有著不同實現方式的3D成像技術——裸眼3D技術。

裸眼3D技術主要分為光屏障式、柱狀透鏡技術和指向光源三種，相較眼鏡3D技術而言，它讓觀眾擺脫了眼鏡的約束是它最大的優勢，但因其技術原理，目前而言，它在分辨率、可視角度和可視距離方面存在諸多限制。

采用光屏障式3D技術的電視屏上集成了一層由偏振膜和高分子液晶層構成的光柵層，因左右眼的視角不同，這些光柵結構會限制進入我們左右眼的光線，從而在左右眼產生不同的畫面，進而產生3D視覺。稍加分析我們就會發現光屏障式3D技術的實現原理與偏光式3D技術類似，區別在于它將鏡片的偏光特性集成到了電視屏幕中。光屏障式3D技術實現簡單，傳統的液晶屏生產線稍加改造就可以生產這類屏幕，但因其光柵結構的存在，這一技術生產出的液晶屏畫面亮度會偏低，而分辨率也會受到影響。

使用柱狀透鏡技術的裸眼3D電視在其液晶顯示屏的前面添加了一層柱狀透鏡，是液晶屏的像平面位于透鏡焦平面之上，這樣使得每個柱狀透鏡下的像素被分成數個子像素，而這些子像素被投射向了不同的方向，同樣因為視角的差異，我們的兩眼會看到不同的子像素，從而產生視差，生成3D視覺。因這一技術中像素只是通過透鏡而無其他遮擋，故屏幕亮度不會受到影響，但透鏡的曲光特性導致其在畫面分辨率上也難有進步，另外生產這一技術的液晶屏幕生產線并不與傳統液晶屏生產線兼容，故生產成本更高。

指向光源技術的3D電視目前還未實用化，其基本原理是搭配兩組LED光源，配合快速反應的LCD面板和驅動方法，讓3D內容以排序方式進入觀看者眼睛中，通過互換兩眼影像產生3D視覺。這一技術在分辨率、透光率方面皆能保證，但其尚處于試驗階段，并未進入實際應用階段。

雖然在屏幕上實現3D效果已不是什么新鮮的概念，很多家庭可能已經購置了自己的3D視頻設備，但這里筆者要說3D成像技術應用依然處于萌芽階段。

就內在條件而言，雖然3D成像技術已經發展了很多年，經過無數次更新換代，很多有代表性的技術也已經能在日常生活中使用，但我們也可以看出任何一種3D成像技術都還有不成熟的環節，也許在我們急著將3D引入生活前，我們可以在3D成像技術上再進一步。

就外在條件來看，只有少數節目制造商具備生產3D節目內容的資質，且3D視頻采集、傳輸、回放和存儲設備價格成本居高不下，這使得短時間內3D節目的制作成本會遠遠高于普通節目的制作成本，我們當然可以利用特定算法實現普通節目的3D化，但就目前的技術而已，得到的效果并不盡如人意。且就3D終端來看，在很長一段時間內，電影依然是3D終端市場主流，家庭3D的普及還需要些時間。

盡管如此，我們依舊可以預想，在未來3D成像技術終會成為一種主流成像技術，它會進入我們生活的方方面面，讓這個世界最枯燥的角落也變得栩栩如生。