多視角裸眼3D電視的技術實現

黃慶敏

（冠捷顯示科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361101）

在現階段的電視產品市場，支持3D功能基本上是各個品牌電視的必備功能。但他們幾乎都不可避免地需要一個附件3D眼鏡才能讓用戶欣賞到3D的視頻畫面。但因長時間配帶眼鏡來觀看3D電視可能帶來的頭暈、惡心等問題特別是近視人群要是再帶上一個眼鏡更是苦不堪言，這個眼鏡的束縛已嚴重影響了用戶對3D視頻畫面的欣賞熱情。顯然各彩電巨頭們也已意識到了這個問題，在近一年的如CES展、IFA展、高交會等重要展會上已開始紛紛展示各自的裸眼3D電視產品，其中超高清晰度多視角的裸眼3D電視更是成為各彩電巨頭們重點介紹的產品。

1 3D電視的實現原理

眾所周知，當我們用雙眼來觀看這個世界的自然景物時，我們可以自然而然地看到立體的3D景觀，其主要原因是我們的左眼與右眼從不同的角度觀察同一個物體時會有不同的畫面感知即左右眼視差，這個左右眼不同的畫面感知經大腦合成后就成了具有縱深立體感的3D畫面，即視差產生了立體，如圖1所示人眼觀察同一個物體時所產生的左右眼視差圖。無論是采用眼鏡式或裸眼式技術來實現裸眼3D顯示，其最基本的原理是相似的，就是利用人眼左右分別接收不同畫面同時通過大腦經過對圖像信息進行疊加重生，構成一個具有3D立體效果的影像[1-3]。

圖1 左右眼視差畫面Fig.1 Parallax image in between left eye and right eye

2 多視角裸眼3D的技術實現

2.1 裸眼3D的技術實現

在沒有3D專用眼鏡裸眼的狀態下，由于沒有了眼鏡的對左右眼畫面的分隔作用，此時我們的左眼和右眼將看到一樣的整個屏幕圖像內容，這樣就沒有了左眼和右眼圖像信息的差別，也就無法看到3D圖像。在這種狀態下只能通過改變屏幕的成像結構來實現，改變屏幕成像結構的目的是讓無3D專用眼鏡的裸眼狀態下讓左眼只能看到左眼圖像，讓右眼只看到右眼圖像。目前改變屏幕成像結構的主要方法是在屏幕上加一層可以實現對屏幕像素點可進行方向性視覺阻檔的設備，經過設備的方向性光線改變后，讓觀看者在電視前的某一區域左眼和右眼分別只能看到各自應該看到的相對應可視畫面，從而形成3D立體圖像的視覺效果。目前在電視屏幕上應用比較多的裸眼式3D技術是光柵式（Barrier）和透鏡式（Lenticular Lens）兩種。其主要實現方式如圖2所示[4]。

圖2 裸眼屏幕技術實現Fig.2 Panel technology for naked eye 3D

2.1.1 光柵式3D技術實現

光柵式3D技術是在屏幕的表層增加一層可開關控制的液晶層。該液晶層里的液晶分子可通過控制改變其相應的排列方式形成一系列垂直排列的柵狀條紋。例如在3D模式下，相應位置的液晶分子由平行改為垂直，此時就會在屏幕前方形成一系列垂直排列的柵狀條紋，這些條紋和條紋間隙可以讓像素的光線按一定的方向發出，不同的像素點位置會有不一樣的光線發出方向，這樣在3D顯示模式下，應該由左眼看到的屏幕像素會被不透明的條紋檔住而不被右眼看到，而通過條紋的間隙左眼就能看到左眼應該看到的屏幕像素；同樣的，應該由右眼看到的屏幕像素會被不透明的條紋檔住而不被左眼看到，而通過條紋的間隙右眼就能看到右眼應該看到的屏幕像素，如圖3所示。采用光柵式技術的特點是與現有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產性與成本上具有優勢，但亮度會下降。在同樣背光源亮度的情況下如果設計的光柵是n視角，當光柵打開時其亮度是光柵沒打時的1/n。

圖3 光柵式工作原理Fig.3 Barrier technology

2.1.2 透鏡式3D技術實現

柱狀透鏡3D技術是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上，這樣在每個柱透鏡下面的圖像像素就會被分成用以分別顯示左眼圖像和右眼圖像的左眼圖像子像素和右眼圖像子像素，由于左右眼的視角不同，即使通過同一個透鏡卻能看到不同的子像素，于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏就看到不同視差角度的圖像，從而在大腦形成3D圖像。為了使屏幕可以在2D和3D模式下可切換，屏幕前面的透鏡層也是通過控制注入在微透鏡里的液晶分子排列方式來控制透鏡的開與關，透鏡開時，屏幕工作在3D模式，透鏡關時，屏幕工作在2D模式。由于透鏡式的生產工藝較為復雜且與現有LCD液晶工藝不兼容，所以相對光柵式的裸眼技術其成本會增加，但相對光柵式有一個明顯的優點是透鏡即使開啟讓整個屏幕工作在3D模式時，透鏡并不會阻擋背光，在相同背光環境下，透鏡技術的3D畫面亮度相對與2D畫面是一樣的。

2.2 多視角的技術實現

2.2.1 多視角的技術特征

較早出現的裸眼3D電視不管是光柵式或透鏡式的都只是雙視角，雙視角電視可觀看到3D效果的區域如圖4所示。其中紅色區域表示左眼可正確觀看到左眼像的區域，綠色區域表示右眼可正確觀看到右眼圖像的區域，當觀看者的左右眼剛好分別落在紅綠區域時就能欣賞到正確的3D畫面。可如圖4所示，雙視角電視可觀看到的3D效果的區域局限性太大了，使得用戶較難找到一個合適的觀看點。

圖4 雙視角可視區示意圖Fig.4 Visual area for two view naked eye 3D

為解決雙視角裸眼技術觀看的局限性問題，多視角的裸眼3D技術被提出來。以四視角透鏡式裸眼3D為例，透鏡層的每一個透鏡下都有4個子像素，4個子像素間都存在一定的視角差，經透鏡折射以后在電視前方將有4個視角區域，分別是視角1、視角2、視角3和視角4，如圖5所示。當觀看者的左右眼只要有分別剛好落在視角1、2或視角2、3或視角3、4區域，他們就都能欣賞到正確的3D畫面。相對雙視角，四視角的可觀看區域明顯比雙視角提升很多。如果有更多視角，裸眼3D電視前的可觀看區域也越多，用戶們就更容易找到可欣賞3D畫面的位置。

圖5 四視角可視區示意圖Fig.5 Visual area for four view naked eye 3D

可是不管是光柵式或透鏡式的裸眼3D，視角的增加都將意味著3D畫面分辨率的降低。以原屏幕為全高清分辨率1920*1080和兩視角裸眼3D為例，在3D畫面下，可觀看到的3D畫面分辨率將在水平或垂直方向的分辨降為原來的1/2，即變成1 920*540或960*1080。如果是四視角的裸眼3D，那3D畫面的分辨率將在水平和垂直方向都降為原來的1/2，即變成960*540。所以針對全高清分辨率的屏幕，視角也無法設計太多。但隨著超高清4K2K分辨率屏幕的推出，多視角的裸眼3D將迎來一次機會。以9個視角為例，原4K2K分辨率的屏幕在3D畫面下其分辨率也能達到1280*720，即3D畫下的分辨率也達到了中國的高清標準。而9個視角的裸眼3D電視前面，用戶無法正確欣賞到正確3D畫面的概率已經很小了。目前市場上即將推出或在近來各展會上展出的可2D和3D間畫面切換的4K2K裸眼3D電視多是9視角或5視角的裸眼3D電視。且以目前測試得到的數據來看，5個視角以上的裸眼3D電視就可以讓用戶較為容易地找到可欣賞3D畫面的觀看點[4-6]。

2.2.2 多視角畫面的技術實現

目前3D視頻的內容一般情況下都只提供雙視角的左右畫面。而多視角的裸眼3D電視需要多個視角畫面在屏幕上顯示。這時就需要將雙視角的左右畫面轉換成多視角相應的畫面。目前較為有效的實現方法步驟[3]如下：

1）先對左右畫面進行算法過算得出一個深度圖，深度圖詮釋了一幅畫面里各物體或人物的層次關系，深度圖以灰度表示畫面，其中灰度值為0（黑色）表示離觀看者的距離最遠，通常把背景部分對應的深度圖部分設為0；灰度值為255（白色）表示離觀看者最近。

2）接著再以左視圖畫面作為參考圖，結合利用深度圖的深度信息來生成所需視角的其他視角畫面。

3）將產生的多視角畫面按屏幕多視角像素的排列規則及屏幕的屏驅動參數進行合成后輸出。

整個流程的示意圖如圖6所示。

圖6 多視角畫面生成及輸出示意圖Fig.6 Generating and display for Multi view naked eye image

3 結 論

裸眼式3D擺脫了眼鏡的束縛，且超高清多視角的裸眼3D技術也基本上解決了裸眼3D技術在分辨率、可視角度和可視距離等方面的不足。多視角裸眼式3D技術現已蓬勃發展，隨著技術的不斷發展及其成本的不斷下降，相信在不久的將來其必將取代現有的眼鏡式3D而成為未來3D電視技術必展的主要技術。

[1]Philips Company.Philips 3D technology introduction[R].Holland:Philips，Inc，1998.

[2]Dolby Company.The best Glasses-Free 3D for any Device[R].USA:Dolby Laboratories， Inc，2012.

[3]Philips Company.Philips 3D auto-stereoscopic display technology[R].Holland:Philips，Inc，2010.

[4]Neil A，Dodgson.Multi view auto-stereoscopic 3D display[R].England:University of Cambridge，2011.

[5]Christian Ruther.3D test[R].Taiwan:TüVRheinland， INC，2013.

[6]Pieter J H.Visual Experience of 3D TV [R].Holland:Eindhoven University，2006.