傾心裸眼3D 成就立體視覺

劉榮　毛艷玲

動畫電影《冰河世紀4》上映時，網(wǎng)絡上曾流傳一張GIF動態(tài)圖片，圖片內容是影片里那只萌萌的松鼠伸著它的大鼻子貼著冰面左右搜尋松果的氣味。由于經過特殊處理，視覺上松鼠的鼻子仿佛從畫面里伸出來一樣，立體感非常強。這種GIF動態(tài)圖由三張小圖構成，通過在中間圖片的左右兩側添加兩條白色線條和虛化圖像來達到裸眼3D的示意效果。

對于裸眼3D技術，人們并不陌生。近年來，這項技術已經在一些游戲、電視、圖文等領域有所應用，關注度直線攀升，這項技術已經由最初的概念逐漸變?yōu)榇蟊娛熘囊豁椥录夹g，為市場帶來了許多新的商機。

諸多業(yè)內人士對裸眼3D技術青睞有加，甚至有人大膽預測，只要裸眼3D技術發(fā)展成熟，勢必會扭轉近兩年3D電視的頹勢。而一旦這項技術得到大面積的普及，必然會帶來新一輪的3D熱潮。

這樣的預測并不是毫無依據(jù)。一方面，據(jù)騰訊科技報道，截至2014年10月底票房過億的52部電影中，26部是3D電影，累計票房超過120億美元，占總票房250億的近半數(shù)。甚至還出現(xiàn)了“特供”中國觀眾的3D電影，如《機械戰(zhàn)警》、《超驗駭客》和《超體》等（在北美只是2D），觀眾對3D電影的喜愛和認可是有目共睹的。

不過，這些3D影片下線后，觀眾在視頻網(wǎng)站上看到的仍然是2D片源。所以，可以試想一下，如果裸眼3D技術普及，人們在任何時候都能通過身邊的顯示設備享受3D效果帶來的視覺沖擊與震撼。僅電影一項就可以預見，裸眼3D技術有很大的市場潛力。

另一方面，從近幾年頻繁舉辦的各種3D圖片展、論壇、展會可以看到，我國裸眼3D產業(yè)鏈的發(fā)展基本趨于成熟，上下游的資源整合與共享、市場的集中開拓等也都取得了明顯進步，裸眼3D在未來將擁有無限可能。

在我國裸眼3D技術研究和發(fā)展的歷史道路上，江西南昌大學機電工程學院副教授梁發(fā)云，是一個不能忽略的典型代表之一。可以毫不夸張地說，他的不少成果為我國裸眼3D技術后續(xù)的發(fā)展提供了很好的參考和借鑒。

從零開始，“笨鳥”先飛

眾所周知，觀看3D電影需要額外佩戴專門的助視眼鏡，才能感受到立體視覺。但有不少觀眾會因此在觀影過程中出現(xiàn)不適反應，比如頭暈、惡心等。

這些現(xiàn)象引發(fā)了梁發(fā)云的思考：有沒有辦法既能讓觀眾擺脫眼鏡束縛輕裝上陣，同時又能繼續(xù)體驗3D的立體視覺呢？

2002年，通過博士入學考試的梁發(fā)云，在導師提供的幾個選題里，看到了“不用佩戴眼鏡的3D技術”，心中一陣竊喜：“這不正是想要做的研究嗎？”于是，在導師的極力推薦下，梁發(fā)云沒有做過多考慮，便為自己敲定了研究方向。

然而，這個決定引起了身邊人的不解：“放棄某研究所多年的工作，選一個并不熟悉的領域從頭開始，實在有點冒險。更何況，當時裸眼3D技術在國內一片空白，即便真的千般萬般好，大可以從國外引進或者借鑒，沒必要做第一個吃螃蟹的人！”

梁發(fā)云可不這么認為。在他看來，引進、借鑒固然可以，但真正關鍵、核心的技術，你有錢買人家也未必賣。核心的技術只有掌握在自己手中，才能建立我國在3D技術領域的主導地位。“身為科研人員，有責任也有義務去挑戰(zhàn)未知領域，促進新行業(yè)的飛速發(fā)展。”梁發(fā)云就這樣帶著一腔孤勇和對裸眼3D技術的憧憬踏上了旅程。

然而，殘酷的現(xiàn)實卻給了他當頭一棒。“根本不知道用什么辦法實現(xiàn)真實場景的顯示，也不知道技術機理是什么。”回憶初涉裸眼3D領域時的情景，梁發(fā)云直言，“參考資料、文獻匱乏，基本找不到能夠借鑒的東西，再加上我們那時候顯示技術的積累也比較薄弱，真的是一頭霧水，無從下手。”

即便如此，梁發(fā)云依然執(zhí)意走下去。面對種種挑戰(zhàn)，他采取了“最笨”的辦法，從零開始，一點一點打基礎、尋突破。于是，他頻頻出現(xiàn)在各種展會現(xiàn)場，觀摩、學習、收集相關研究資料。為了弄明白顯示技術機理，2003年他甚至自掏腰包購買兩臺液晶顯示屏來拆解研究。

憑著這股不服輸?shù)膭艃汉汀氨盔B”先飛的意識，梁發(fā)云和他的團隊在2003年迎來了第一臺裸眼立體顯示器樣機的誕生。“盡管它還不夠完美，但效果仍舊優(yōu)于國外第一代裸眼3D樣機。”通過不懈努力，梁發(fā)云首戰(zhàn)告捷，不僅取得了實實在在的成果，還利用自制的標定設備，進行大量測試、驗證，從而確定了獨立視區(qū)的分布規(guī)律，建立了“立體度”參數(shù)的質量評定方法。

隨后，梁發(fā)云將這些研究成果以論文的形式，發(fā)表在多家學術期刊上，為國內外裸眼3D技術的優(yōu)化設計和質量檢測奠定了堅實基礎。

梁發(fā)云坦言，當時為了盡快讓研究走上正軌，他一度過著食堂、實驗室、寢室三點一線的生活，滿腦子都被光學原理、質量測試、評價方法塞得滿滿的。現(xiàn)在回過頭去看，確實覺得當初研究裸眼3D這個決定有點大膽和盲目，但也正是這種無畏一切的執(zhí)著，支撐著他堅持到了最后。

乘勝追擊，再創(chuàng)佳績

2005年博士畢業(yè)后，梁發(fā)云入職南昌大學，從事教學和科研工作，并在學校配備資金的支持下，購買了儀器設備，建立了專業(yè)實驗室，計劃將裸眼3D技術研究引入更深的層面，開啟一段全新的旅程。

在此期間，梁發(fā)云帶領團隊在前期研究的基礎上不斷創(chuàng)新、優(yōu)化，又取得了突破性的進展。他們用光學差分板固定在液晶顯示屏的前面或后面，得到了前置式與后置式的裸眼3D液晶屏。

據(jù)了解，這種液晶屏將TFT LCD作為圖像顯示單元，能夠使左右眼的圖像分別顯示在奇列和偶列構成的亞屏幕上。如此一來，光學差分組件則會改變圖像顯示單元上左右眼圖像的傳輸光線，在觀看區(qū)域匯聚形成左右眼獨立視區(qū)，雙眼便能接收到獨立且互不干擾的圖像，從而達到立體視覺效果。

梁發(fā)云表示，這項成果研究的光學差分式裸眼3D技術既能作為圖像、視屏、文字的視覺接口，也能廣泛用于圖文顯示設備。

目前為止，裸眼3D技術的關鍵部分難題基本已被攻克，除了顯示屏取得突破，梁發(fā)云團隊還在以下領域取得了創(chuàng)新性的成果：

首先，提出亞屏幕、獨立視區(qū)、自屬圖像、他屬圖像等概念，完善了裸眼3D技術光學機理研究，使其在應用中得以呈現(xiàn)更好的3D效果。

其次，提出了立體度參數(shù)定標裸眼3D顯示器的技術質量，如立體度、視覺特性、獨立視區(qū)等，并研究開發(fā)了測試設備及方法，為裸眼3D顯示器的測評提供了有效手段。

第三，研制了不同尺寸的裸眼3D液晶顯示屏，深入研究了3D傳感器技術，并用可編程FPGA將兩只CCD、CMOS傳感器連接，組成眼睛仿生裝置，實現(xiàn)了3D圖像拍攝、人機3D視覺交互。

最后，提出了基于眼睛跟蹤的自動多視點技術實現(xiàn)方法，提高了亞屏幕圖像的分辨率，充實了裸眼3D技術的研究內涵。

以上成果不僅在國內引起強烈反響，也引起國外研究者的關注。梁發(fā)云以這些成果發(fā)表了30余篇專業(yè)學術論文，并申請了多項專利，獲得了多項江西省高校科技成果獎勵。

2012年12月，江西省教育部門組織有關專家召開了“裸眼3D技術理論及應用研究”成果鑒定會，與會專家通過認真審核一致認為，裸眼3D技術研究內容及成果豐富，創(chuàng)新性明顯，在裸眼3D技術參數(shù)評價方法和自動多視點技術研究方面，達到了國內領先水平，具有重要的理論意義和實際應用價值，為我國裸眼3D技術的進一步研究奠定了科研基礎。

組建平臺，實現(xiàn)轉化

對于科研人員而言，將研究成果轉化為實際應用，惠及民眾，給社會創(chuàng)造價值，是畢生的心愿。梁發(fā)云也不例外，在裸眼3D技術研究取得一定成果之后，他把目標鎖定產業(yè)化。

梁發(fā)云認為，3D技術已經進入產業(yè)化階段，尤其是在消費電子領域市場前景廣闊，容量巨大，產業(yè)鏈產值每年高達上千億。有了佩戴式3D技術的前車之鑒，裸眼3D技術作為一種新型顯示技術，自然也是潛力無限。更何況，科技部“十二五”計劃中，已將其列入重點發(fā)展方向，專門規(guī)劃了其理論和應用的發(fā)展目標。這一切在他看來，就是裸眼3D技術要“走紅”的信號。

為此，梁發(fā)云不僅組建了裸眼3D技術與虛擬現(xiàn)實技術研究中心（下稱中心），還于2010年4月成立南昌興亞光電科技發(fā)展有限公司（下稱興亞光電）。據(jù)悉，中心目前主要負責光學機理、評價標準和測試方法、視覺特性、3D圖像與視頻信號處理方法、微電子3D電路、3D傳感器、虛擬圖像、3D人機交互等領域的深入研究，而公司則關注裸眼3D技術產品的研制與開發(fā)，力求雙管齊下，更好、更全面地促進我國裸眼3D技術的產業(yè)化發(fā)展。

以中心為研究平臺，目前梁發(fā)云團隊已承擔了多個廳委重點科技項目、產學研科技項目的研究工作。而作為成果轉化的重要平臺，興亞光電初期研制的17存產品目前已完成小批量試用，用戶普遍反映3D效果非常明顯。目前，10英寸以下小尺寸產品的開發(fā)工作也已提上公司日程，相信用不了多久就能與用戶見面。梁發(fā)云表示：“這種小尺寸的裸眼3D系統(tǒng)可以廣泛應用于平板電腦、手機系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、智能小區(qū)門禁系統(tǒng)等領域，經濟價值非常高。”希望這些產品能夠盡快完善，投入市場與民眾見面。

目前，梁發(fā)云在科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金支持下，致力于以裸眼3D顯示屏為基礎，開發(fā)嵌入式電路系統(tǒng)和應用軟件，并嘗試在ARM高頻芯片上組建平板電腦系統(tǒng)和應用系統(tǒng)，研制裸眼3D視覺傳感器以及圖像視頻播放軟件，以期推動我國裸眼3D技術產業(yè)更進一步發(fā)展。

掃除技術弊端，加速3D時代發(fā)展

作為影像行業(yè)最新、最前沿的高新技術，裸眼3D技術的出現(xiàn)和發(fā)展，在改變傳統(tǒng)圖像平面視覺之余，也掀起了圖像制作領域的技術革命。

作為裸眼3D技術的先行者，梁發(fā)云表示，這項技術的炙手可熱是有目共睹的。他相信，隨著3D技術熱潮的興起，這一領域將會吸引更多年輕人才的加入，產業(yè)化的難題都會隨著研究的深入逐步化解。

對于裸眼3D技術未來的發(fā)展，梁發(fā)云始終持樂觀態(tài)度。在他看來，隨著科技的不斷進步，人民生活水平的不斷提高，大眾對影像領域的需求將會朝著更加真實、立體、多元化的方向發(fā)展。“當前不少影視劇、視頻節(jié)目、游戲、動漫等領域已經開始采用3D技術制作，產能巨大。裸眼3D技術非常適用于平板電腦、樓宇廣告設備、編寫娛樂影音設備、通信設備等領域，可以形成不同尺寸規(guī)格、功能多樣化的產品，滿足不同用戶的需求，標準化和模塊化的發(fā)展趨勢十分明顯。”

梁發(fā)云認為，盡管要實現(xiàn)裸眼3D技術產業(yè)化的發(fā)展，目前仍需深入研究3D圖像處理技術、3D傳感器技術、3D視覺交互技術，以及3D視覺測量技術及其精度理論，但先進的制圖技術、廣闊的應用范圍、超大的市場容量，都在傳遞一個信息——裸眼3D技術將會成為未來顯示設備的主流標準，帶來不可估量的經濟和社會效益，加速3D時代的來臨。作為國內裸眼3D領域的先行者，梁發(fā)云將繼續(xù)在這一新興領域深入研究，希望貢獻更多的創(chuàng)新成果，滿足裸眼3D產業(yè)更多需求。