裸眼3D顯示技術的發展現狀

黃火梅，金佳斌，袁心怡，尹海璐，李賢武，崔鑫儒，宋曉燕，

（1．上海理工大學，上海 200093；2．上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院，上海200025）

如果從1838年惠斯通發明立體鏡算起，3D顯示技術已有接近兩百多年的歷史了[1]。近些年來，3D電影和游戲的興起，給大眾帶來了不少新奇的體驗，而科技的進步也在不斷地推動著立體顯示技術的發展。目前，裸眼3D顯示技術是影像行業最新、前沿的高新技術，因其體驗感優、舒適性強、準確率高等特點而快速發展，促進了醫療、軍事、娛樂、教育、遺產保護等領域的技術革新，應用前景不可估量[2]。

1.裸眼3D技術的分類及原理

3D技術依賴的生物基礎是雙眼觀察物體角度的不同，因此能辨別遠近、深淺，從而產生立體的感覺。裸眼3D顯示技術是通過顯示屏的技術性設置直接使人左、右眼接收到不同畫面，在大腦合成后實現立體視覺效果，不需任何輔助工具[3]。目前，裸眼 3D 技術的實現主要分為光屏障式技術、柱狀透鏡技術、指向光源技術和多層顯示技術[4,5]。

光屏障式技術:光屏障式技術也被稱為狹縫光柵、視差屏障或視差障柵技術，它的原理是在顯示屏安置“視差障壁”，形成的柵狀條紋可以阻斷光線，條紋的間隙可以透過光線。當液晶屏上顯示左眼觀看的圖像時，右眼被條紋遮擋；而顯示右眼觀看的圖像時，左眼會被遮擋，從而將左眼和右眼的可視畫面分開，雙眼的畫面在大腦合成后產生立體效果。光屏障式3D產品與既有的LCD液晶工藝兼容，還能將顯示模式在2D和3D之間轉換，因此量產性好、成本較低。但是，由于遮光裝置的作用，畫面亮度會下降，觀眾的最適觀看點也有限，還需要質量較高的液晶板和驅動裝置來滿足交替顯示的要求。同時，光屏障技術立體效果的實現需要在液晶屏同時顯示左、右眼圖像，導致畫面清晰度減半，并且顯示器同時展示的影像越多，分辨率降低越多。

柱狀透鏡技術:柱狀透鏡技術也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡3D 技術，它的原理是在顯示器前加上一層由細長的半圓柱透鏡緊密排列構成的柱狀透鏡板，使顯示屏圖像的像素被透鏡分成幾個子像素，向不同方向投影，讓觀看角度不同的雙眼看到不同的子像素，從而把視差圖像投射到人的左、右眼，經視覺中樞的融合獲得立體感。因為透鏡不阻擋背光，因此畫面亮度不會受到影響。不過由于它的立體顯示原理與光屏障式的相近，所以分辨率仍較低。同時，運用柱狀透鏡技術的相關制造要在液晶屏前加上凸透鏡，和現有LED液晶工藝不兼容，必須投資新的設備和生產線，提高了生產成本和維護費用，對產品普及不利。

指向光源技術:指向光源技術又稱方向性背光3D技術，它的原理是在設備搭配左右兩組LED背景光源，在顯示右眼圖像時，右邊的光源會被點亮，光線經折射后只進入右眼，使右眼看到此畫面而左眼看不到；當顯示左眼圖像時，左邊的光源會被點亮，光線經折射后只進入左眼，使左眼看到此畫面而右眼看不到，最終使右眼和左眼的圖像分別進入大腦。又因為視覺暫留原理，雙眼分別看到的畫面能夠在人腦中合成3D影像。該技術補充了光屏障式和柱狀透鏡技術的缺點，分辨率跟亮度都不會降低，能呈現高畫質的3D內容，同時還適用于原有的設計架構，方便生產制造。但是，指向光源技術還不夠成熟，有待開發和完善。

表1 四種不同類型裸眼3D顯示技術的對比

多層顯示技術:多層顯示技術簡稱MLD技術（Muli-Layer Display），是2009年由美國PureDepth公司研發出來的。MLD技術使用兩塊具有一定間隔的液晶板，一塊液晶板位于另一塊的前方，兩者間有一個透明的間隔層，前面的液晶板用來顯示前景圖片，后方的液晶板用來顯示背景圖片。當系統顯示出前景與背景圖像時，整個畫面會有縱深感，從而展示出三維影像，此時分辨率不會改變，觀看視角較廣。同時，使用MLD技術的產品可以兼容2D和3D模式，還能隨時將顯示二維碼的字幕部分添加在屏幕下方，使用效果甚好。但是，由于需要多加一層液晶板，所以制作成本較高，難以做到很薄。

2.裸眼3D存在的問題和解決方法

分辨率較低:利用光屏障式技術的裸眼3D顯示器的畫面亮度和分辨率會下降，柱狀透鏡技術雖彌補了光屏障式技術亮度下降的缺點，但分辨率低仍是待解決的問題。若能使每個透鏡的截面達到微米級，就能支持更高的分辨率，提高畫面清晰度，但超精細的柱狀透鏡制作難度高。方向性光源 3D 技術補充了光屏障技術和柱狀透鏡技術的缺點，顯示影像時分辨率跟亮度都不會降低，但該技術尚在開發，產品還不成熟。多層顯示技術利用兩塊液晶板模擬屏幕深度來顯示出任意角度的三維圖像，解決了畫面亮度和分辨率下降的問題。另外，漸變孔徑狹縫光柵可以在保證光學效率和分辨率的前提下實現3D顯示，解決了傳統狹縫光柵技術的問題[6]。

制作成本高:由于相關技術和使用材料等因素限制，要制造出便攜、輕薄且畫面高清的裸眼3D產品，生產成本會非常高，不利于推廣和普及。同時，裸眼3D LED需要特制的內容，但是3D視頻的制作投資大、成本高，相關技術和實踐也缺乏，所以用于播放終端的3D作品片源缺乏，需要豐富裸眼3D資源庫。我們可以提高2D-3D視頻轉換技術，同時借鑒國外的裸眼3D視頻拍攝的先進技術，創新裸眼3D拍攝技術，降低成本[7]。此外還可以開發其他材質的透鏡，改善透鏡面板的性能，以此降低制作成本和難度。

可視角度和距離小:由于硬件條件的限制，最佳的觀看方向和位置都是固定的：距離過遠則3D效果不明顯，頭部移動偏離位置后會出現圖像模糊的現象。所以，裸眼3D技術還存在可視角度和距離較小的問題。若增加最佳視點，就要針對每個視點同步顯示播放內容，這對顯示屏要求較高。通?？梢詫⒛槻扛櫦夹g與裸眼3D技術配合使用，實時跟蹤用戶所在準確位置，保證用戶時刻處于最佳觀看位點，還可采取旋轉陣列形式的 LED 立體顯示，通過多根 LED 顯示材料旋轉形成的立體空間場，實現完全的全立體裸眼顯示，避免可視角度和距離小的問題，并可隨意變換角度[8]。

3.裸眼3D技術的行業概況

目前國內外在裸眼3D研發方面處于比較領先地位的主要有六家企業：美國NewSight、韓國LG、荷蘭飛利浦、日本東芝、萬象三維視覺公司和上海的易維視。

NewSigh公司和LG都主要采用光屏障式技術。NewSigh公司將全程管理網絡與裸眼3D數碼信號結合，能給客戶提供全程動態視頻，還開發了能進行內容生產和重放的3D軟件。它的產品消除了莫爾紋，減少了過渡區，并抑制了眩光；LG與谷歌合作開發裸眼3D產品，它主研究的醫用顯示器符合DICOM標準、背光輸出穩定、功能強大、支持精確診斷、靈活性高、支持多語言。此外，LG公司在液晶透鏡技術上的研發較早，在液晶透鏡的大部分功效點上都有專利分布，特別在提高顯示質量以及減少液晶透鏡的厚度等方面的研發持續性較好。

飛利浦和東芝主要采用柱狀透鏡技術。飛利浦在裸眼3D透鏡顯示設計、3D內容創造和3D格式的研究突出，處于世界前列。它與杜比實驗室一起研制的裸眼3D新技術，適用于各種裸眼3D設備，方便所有商家為用戶提供合適的3D視頻內容服務；東芝的產品運用9視差系統，裸眼3D效果十分流暢。它推出了全球第一臺裸眼3D電視，并且支持2D模式向3D切換。東芝采用的LED背光源技術十分先進，其亮度可以根據圖像各部分的明暗情況實施精確調整，從而使畫面品質出色。

萬象三維擁有自主知識產權的播放軟件和視頻播放服務器，可為不同層次用戶提供多種視頻內容制作選擇，其產品在鳥巢中心、多地科技館進行展示，還通過將裸眼3D 與VR/AR 技術完美融合推出BeeEyes互動平臺，得到了重點關注。其裸眼3D顯示屏特點是超大面積、支持多人同時觀看、支持實時場景生成、支持互動控制、超遠出屏距離、超寬觀看角度等，能應用于廣告傳媒、主題公園、科博館、醫療、軍事、房地產、游戲等。

易維視自主研發了裸眼3D電視機、裸眼3D廣告機、裸眼3D平板等產品，擁有長期的3D技術算法積累，在動態背光、超解析、頻率轉換和超多試點方面有技術領先。由于采用多視點轉換技術，易維視的裸眼3D平板適合多人、多角度觀看。同時，易維視推出的EVT301芯片能夠實時進行單視點/雙視點內容到多視點視頻信號的轉換與處理，與現有的電視工業標準兼容，十分適用于大屏幕的裸眼3D顯示器。易維視主要產品有4K超高清裸眼3D電視、高清晰度裸眼3D廣告機、高清晰度裸眼3D平板、裸眼3D模組以及裸眼3D拼接墻。

4.結語

目前，雙目視差顯示技術發展最為成熟，制造的產品也層出不窮，種類越發繁多，代表性產品有裸眼3D電視、裸眼3D電腦、裸眼3D手機、LED裸眼3D顯示器等，相應的技術標準體系也正在建立。同時，用于產品展示的體三維顯示技術已得到應用，光場顯示、全息顯示技術雖然仍處于實驗室研究階段，但是也在不斷地完善，發展和應用潛力無限?？梢姡阊?D已經步入了一個全新的發展階段。