立體顯示技術的分類與進展

李 超 / 康獻斌 / 時大鑫 / 李書政

(鄭州中原顯示技術有限公司，河南 鄭州 450001)

0 前言

3D顯示技術也稱為立體顯示技術。100多年前，法國物理學家李普曼在世界上首次提出物象可以用立體的形式展現出來。隨著科技的發展，先后出現了種類繁多、各具特色的3D顯示技術。至今為止，應用最廣泛的3D技術仍然是偏振型3D技術，其典型應用之一就是立體電影院的立體投影顯示系統。根據成像原理，3D顯示技術可分為雙圖像3D、真三維和全息顯示。

1)雙圖像3D(Double-image 3D)

目前，該技術已得到廣泛應用，如立體電影院、3D電視機等。根據是否需要借助外部設備又分為需要佩戴3D眼鏡和無需佩戴3D眼鏡兩類技術。

2)真三維(True 3D)

真三維即真3D，之所以出現這樣的詞匯是因為雙圖像3D僅僅是在水平方向上重現3D，但是不同角度所視物象是相同的，而垂直方向上則完全沒有3D效果。真3D的意義就在于水平、垂直方向上均呈現3D效果，且不同視角所視圖像也不相同。

3)全息顯示

全息即全部信息。通常情況下，一張全息圖是攝影錄音的光場，全息圖本身不是普通定義的圖像，它是一種干擾模式、高密度攝影媒體的物象表面輪廓的光場再現。

在上述各種3D顯示技術中，目前只有偏振型基于雙圖像的3D顯示技術得到了大規模應用。絕大部分立體電影放映設備(包括IMAX)都采用的是偏振型3D投影顯示技術。下文將對各種3D顯示技術以及與3D顯示相關的技術予以介紹。

1 基于雙圖像的3D顯示技術

基于雙圖像(Double-Image)的3D顯示技術是迄今為止真正得到大規模應用的3D顯示技術。基本原理是由信源端采集視角有區別的兩幅圖像(左圖像和右圖像)，分別送入觀看者的左眼和右眼，從而在觀看者的大腦中產生立體感。由于其信源是表征左、右眼的雙圖像，因此也稱為雙目型3D顯示。應用最廣泛的立體電影和3D廣播電視都屬于此種類型。根據具體實現方式的不同，基于雙圖像的3D LED顯示技術又可以分為雙色型、電子快門型、偏振型和裸眼型等。

1.1 雙色型3D顯示

此種3D顯示技術需要觀看者佩戴專用眼鏡，兩個鏡片分別由紅色和青色(藍色)濾光片構成，觀看經過特殊制作的圖像(左、右圖像的主色調分別由紅色和青色構成)來產生立體效果。由于濾光片將過濾掉其他顏色的光，因此每只眼睛均不可以感受全部色彩，所以此類3D顯示是屬于“信息缺失”型3D顯示，因此該技術無法得到大規模應用。

1.2 電子快門型3D顯示

此種3D顯示技術需要觀看者佩戴特制的電子眼鏡，眼鏡的左、右鏡片前端有電子快門控制。快門關閉時圖像被遮擋，打開時才可看見前方圖像，在任意時刻都保持一個鏡片開啟而另一鏡片關閉的狀態。快門的控制與顯示圖像同步，左鏡片開啟時顯示左圖像，右鏡片開啟時顯示右圖像，循環往復。此類顯示技術并不丟失任何色彩，但在任何時候都僅有一只眼睛可以看到圖像，所以也存在一些難以克服的問題。

1)由于任何時刻都只有一只眼睛可以看到圖像，而在大腦中由中樞神經合成第三眼的立體感必須有左、右眼兩個圖像共同完成，需要反復利用大腦表皮細胞進行信息存取，會使觀看者產生嚴重的疲勞感。

2)此類系統在控制端增加了倍頻器，用來交替顯示左、右圖像并控制電子眼鏡的同步，造價高昂，維護和使用不便。

3)電子快門型3D顯示由于在時間軸上左、右交替顯示，在時間軸上會產生很大的失真。

1.3 偏振型3D顯示

此種3D顯示技術使用兩種不同方向的偏振系統分別作用于左、右眼圖像，是目前所有3D顯示類型中立體效果最突出的一種。偏振型3D顯示利用光偏振原理來分解原始圖像。系統向觀看者輸送兩幅光線振動方向不同的畫面，當畫面經過偏振眼鏡時，觀看者的左、右眼能同時接收左、右兩組畫面，再經過大腦合成立體影像。偏振型3D顯示的優點包括：1)顯示色彩損失最小，色彩顯示更接近其原始值。2)原偏振系統左眼圖像被右眼看到的情況幾乎不可能發生，所以偏振式3D在眼睛傾斜到一定角度時依然能顯示高質量的3D畫面。3)眼鏡成本低、佩戴舒適、無大小限制、無電子元件輻射等。4)偏振型3D顯示不會產生雙色型及電子快門型常見的3D眩暈感及疲勞感。

偏振型LED立體顯示系統可用于電影院、大專院校、高端社區、大型購物中心、會展中心及高端會所、3D教育、軍事指揮以及航天指揮中心的立體顯示等場合。圖1所示為在迪斯尼總部的應用。

圖1 顯LED 3D顯示系統進駐迪斯尼總部

1.4 裸眼型3D顯示

裸眼型3D顯示也稱為“自由視3D顯示”，其基本原理是采用交叉打光等方法使左眼圖像進入左眼，右眼圖像進入右眼。由于裸眼型3D顯示沒有分離器，因此如何將左、右圖像準確地送入對應的眼睛就是最核心的問題。盡管采取了各種措施，裸眼型3D顯示的分辨率、視角以及立體效果這幾項核心指標均無法和偏振型相比。筆者所在單位試驗過的裸眼型LED屏幕有狹縫光柵和柱面鏡型等。在多視點系統中，雖然視點數越多，裸眼3D的可視角度越大，但是分辨率也越低，而且所謂的“出屏效果”也更差。就目前情況看，各種類型的裸眼顯示的市場量加起來也不足偏振型市場量的1%，因此，本文主要介紹偏振型大型3D顯示的實際應用。不同視點的節目制作和幀結構詳見圖2～4。

1.4.1 狹縫光柵型3D顯示

圖5所示為狹縫光柵系統的基本原理，圖6所示為狹縫光柵的光柵結構。狹縫光柵型3D顯示的基本原理是顯示屏前面設立專門的光柵，在任何一個角度都只能通過狹縫看到特定的兩個視點的圖像，當前后、左右移動距離時，看到的兩個視點也發生變化。這里要說明的是，圖6的排列沒有統一標準，完全可以自行設定。

圖2 8視點3D節目制作

圖3 28視點3D節目制作攝像機矩陣

圖4 128 視點3D節目制作攝像機矩陣

圖5 狹縫光柵3D顯示的原理示意

圖6 狹縫光柵的結構示意

1.4.2 柱面鏡型3D顯示

柱面鏡3D顯示原理是基于凸透鏡的折射原理，如圖7所示，圖8所示為一個6視點的柱面鏡裸眼顯示的原理示意圖。

圖7 柱面鏡裸眼3D顯示原理

圖8 柱面鏡的覆蓋示意圖

1.5 其他裸眼型顯示技術

1.5.1 方向性像素3D顯示

美國惠普公司開發了一種名為“方向性像素”(directional pixel)的技術，在顯示屏上制作了大量納米級寬度的溝槽，向不同方向發射光線。每個方向性像素都有三組溝槽，可以向不同方向射出紅光、綠光、藍光，然后由這三種原色疊加出不同的顏色，最終得到立體效果。

1.5.2 多層裸眼3D顯示

2009年4月，美國PureDepth公司宣布研發出改進后的裸眼3D技術——MLD(multi-layer display，多層顯示)。這種技術能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實現裸眼看文字及圖畫時所呈現3D影像的效果。

2 真三維(3D)顯示技術

真三維的類型很多，由于近年來此類技術層出不窮，也出現了原理相互交叉的類型，在區分以及劃類上沒有統一標準。這里主要是指使用顯示像素的深度分度來直接觀察到具有物理景深的三維圖像。下文對不同類型的顯示進行說明。

2.1 體3D顯示

體三維顯示(Volumetric 3D Display)是真三維顯示的代表性技術，體三維顯示技術目前可分為掃描體3D顯示(Swept-Volume Display)和固態體3D顯示(Solid-Volume Display)兩種，前者是基于發光面的旋轉結構，如圖9～10所示，一個電機帶動一個發光面，比如一塊LED顯示板高速旋轉，由R、G、B三基色形成圖像，在不同角度上顯示也不同，發光板看上去變得透明了，這個亮點仿佛是懸浮在空中，成為一個體3D顯示。

圖9 LED立體旋轉屏體3D顯示系統

圖10 高速旋轉投影屏的結構示意

2.2 全息顯示技術

全息技術(Holography)自20世紀60年代激光器問世后得到了迅速發展，其基本機理是利用光波干涉法同時記錄物光波的振幅與相位(圖11)。由于保留了原有物光波的全部振幅與相位信息，故與原物有著完全相同的三維特性。即人們觀看全息像時會得到與觀看原物時完全相同的視覺效果，其中包括各種位置視差。

圖11 全息照片獲取原理

2.3 基于MEMS光束掃描的LHE 3D顯示技術

MEMS光束掃描型方法被命名為超長距離空間光束均勻發射(Light Homogeneous Emitting，LHE)新型三維立體顯示方法。實際搭建的LHE三維顯示器從實驗論證了新型研究思路的可行性并獲得出色成果。同時得益于無光學畸變的高精度光束發射，該方法也在裸眼立體顯示深度上獲得重大突破，為實現超長距離裸眼立體顯示尋找到有效途徑。通過實時控制MEMS光束，可制作超長距離的動態裸眼立體影像顯示器，現階段生成的立體圖像縱深超過6m。此外，結合可控輸入數據源與掃描模式，LHE三維顯示裝置將實現包括二維、多視點立體及裸眼三維立體全像等模式在內的多模態動態影像顯示。圖12所示為清華LHE裸眼 3D項目，該項目正是100多年前李普曼所提出的蠅眼式集成真立體技術的一個體現。

圖12 清華LHE裸眼3D項目

3 虛假視頻的識別與界定

市面上流行過許多虛假的“超級全息3D投影”，這些虛假視頻的出現對于3D技術的正常發展起了很壞的作用。如Magic Leap一條大鯨魚落地(圖13)、支付寶‘如影計劃’(圖14)、法國Cicret手環(圖15)、法國餐廳(圖16)等。

圖13 Magic Leap的著名“一條大鯨魚落地”的3D“全息顯示”視頻截圖

圖14 支付寶如影計劃

圖15 Cicret發布的視頻截圖

關于Pepper′s Ghost(圖17)，雖然并非完全是虛假視頻，但其實質和所宣傳的內容完全不同。都是使用了一種稱為“Pepper’s Ghost(帕博爾幻象)”的“技術”，與其說成是技術，還不如說這是一種魔術。

圖16 所謂的法國餐廳全息3D投影

圖17 最憶是西湖的Pepper’s Ghost效果

4 2D/3D轉換技術

在我國，2D轉3D的技術領頭單位是清華大學和北京大學。“2D轉3D”既然是“轉”，就一定和“原生態”有不同之處，而實際上這個差別很大，2D轉3D的優勢是可以將以2D方式記錄的視頻經過轉換成了“3D”，但是同樣由于技術原因存在著各種由于轉換而產生的弊病。隨著3D獲取技術的進一步發展，2D轉3D技術的發展速度日漸放緩。

5 3D視頻的生成、編碼、傳輸和3D技術相關標準

5.1 3D視頻的生成、編碼、傳輸

3D視頻的生成主要是3D動漫的制作、3D攝像機的直接生成以及兩者的結合。

在編碼方面，當前3D視頻的主流編碼技術主要有H.262、H.264和H.265，由北大主持制定的AVS-2編碼技術也得到了推廣；在傳輸方面，由清華主持的DTMB、DTMB-A技術已經被認定是國際上效率最高、綜合技術指標最強的傳輸技術。我國目前有6個3D廣播電視頻道，當前的發展前景尚不明顯。

對于3D視頻的傳輸，筆者所在單位有著獨特的專利技術，在2011年，提出過“雙路全高清”的傳輸概念，最近，隨著“真3D技術”的發展，又提出了使用單一信道完成四通道視頻傳輸的理論(圖18)，以上的專利申請均獲得授權。

圖18 “四合一”視頻編碼概念

5.2 3D技術相關標準

談到3D標準，自然會想到3D廣播電視標準，目前在我國的6個有3D頻道的電視臺使用的都是由歐廣聯A-154標準演變過來的總局標準，在這方面，國際上的發展也尚不明朗。

為了發展3D事業，歐廣聯、ITU、SMPTE都發布了大量針對3D廣播電視的標準，這些標準涉及到3D技術的各個方面。對于3D電影方面，主要還是應用DCI標準。

在我國，按照國務院的工作范圍劃分，3D廣電的標準制定屬于廣電總局負責。具體的提出主要是由總局的兩個電視研究所主持；3D電影的研究工作按照業務劃分由總局電影所主持。

在3D顯示屏的標準方面，由工信系統的“3D產業聯盟”做了大量工作。

6 結束語

在3D技術各方面的發展中，我國有了一定的進展，在LED大屏幕的發展方面，由于中國的LED顯示屏在世界上的分量相對最大，未來將大有作為。

[1] 李超, 時大鑫等. 偏振型LED3D大型顯示系統. 技術報告[R]. 2012.

[2] 李超. 超高清晰度電視與三維電視進展[J]. 電視技術，2011, 35(22):19-24.

[3] Angelo G. Solimini “Are There Side Effects to Watching 3D Movies? A Prospective Crossover Observational Study on Visually Induced Motion Sickness” PLOS ONE February 2013 | Volume 8 | Issue 2 | e56160.

[4] 李超. LED立體大屏幕與3D眩暈綜合癥[R]. 中國圖象圖形學學會第七屆立體圖象技術學術研討會, 2013.

[5] 李超. 下一代顯示技術——高清+3D論LED立體大屏幕[R]. 深圳“LED高峰論壇”, 2014.

[6] 李超等. LED立體大屏幕在現代軍事的應用[J]. 電子科學技術, 2014(3).

[7] 李超等. LED三維顯示屏與教育信息化[J]. LED屏顯世界, 2014(12).

[8] 李超 .人類3D視覺與大型健康型顯示技術[R]. 2017 香港會展中心“第十屆數字電影特效高峰論壇”, 2017.