論3D圖像的顯示技術

馮傳崗

論3D圖像的顯示技術

3D中的D是英文Dimensional的縮寫，中文含意是維，維是物理學中一種度量參數（單位），是描述某一變化著的事件時，所必須變化的參數；幾個維就有幾個參數，維可以理解成方向。

當代科學的最新理論認為整個宇宙是由11維組成的 ……，但是，由于人眼只能看到3維的立體世界，故而3維以上的維只有通過數學理論來構建，但要仔細理解就很難了。目前在量子力學中建立的膜理論，對3維以上的維也很難解釋清楚。

這正如一個智力正常，先天只有1只眼睛和1只耳朵的人，沒有了雙眼效應和雙耳效應，就很難理解距離和聲場，他很有可能認為這個世界是2維的。當然，人類對世間一切事物的認知是不斷發展和提高的，對維的認知也是如此。

0維，又稱0維點，是沒有長、寬、高，是向0個方向擴展表現為單純的一個點（如奇點）。

1維，又稱1維線，是指只有長度，沒有寬、高，是向1個方向擴展表現為一條線。

2維，又稱2維面，是指平面世界，只有長、寬，是向2個方向擴展表現為一個面。

3維，又稱3維立體，是指立體世界，是向長、寬、高3個方向擴展表現為立體的靜態空間。人眼看到的世界，就是由長、寬、高3個坐標點的位置即3D空間決定的。

4維，又稱4維空間，是指在空間的架構上比3維立體的長、寬、高三條軸外又增加了一條時間軸，而這條時間的軸是一條虛數值的軸，是向4個方向擴展表現為我們現在所處的時空。

目前人類所提及的4維，大多數是指愛因斯坦《廣義相對論》和《狹義相對論》中論述提及的“4維空間”概念，即“宇宙是由時間和空間構成”的，是“我們生活中所面對的3維空間加上時間構成”的。

5維或更高維，是向5個或“更多方向擴展更高維的時空卷縮在量子尺度以下 ……”

“視差”是3D視覺形成的基礎

1、3D視覺來源于視差

人之所以有3D視覺，是因為人的左右兩眼橫向并排，之間大約有6～7厘米的間隔，因此左右兩眼所看到的影像有著些微的差異，這個差異被稱為“視差”，人腦具有解讀“視差”的能力，并以此判斷出物體遠近，產生3D視覺。

但是，當人與所觀察物體的距離一遠，這點視差就不夠用了，除了折射光路的需要，最主要的是要保證足夠的視差，才能夠對遠距離的物體產生立體感，沒有了視差，就沒有立體感，物體就會被壓縮的象平面的2D畫片。

2、視差、視差值、視差深度

視差是3D影視圖像拍攝中的專有名詞，是“3D場景拍攝中的一個點在左右兩幅影視圖像中投影點的位置差異”。這種差異的大小與視差深度相關，“視差深度包含了3D場景物體的空間信息，可以用視差值來表示相對深度”。

由于視差在3D坐標系統Z軸的值（即深度）各不相同，就會產生不同的視差值。視差和物體與攝像機之間的距離成反比，物體離攝像機越遠視差值越小，越近視差值越大。對于處于同一目標對象上的點，由于它們與攝像機之間的距離相近，因此其視差值也相近，并具有連續性。

視差值是由各種場景點的深度計算出來的，但是由于數字圖像的離散特性，視差值都取一個整數（如9視差等）。

一般說來，圖像的視差值越大，立體感越強。即在表現同一個物體時，拍攝間隔（即3D圖像拍攝中兩臺攝像機模擬人左右兩眼的距離）越大，立體感越強。但是，隨著拍攝間隔的不斷增大，立體感在增強，清晰度在下降，一旦超出了光柵的解析范圍，就會造成圖像模糊，不能和光柵線吻合，從而引起視覺上的不適。

3D圖像拍攝的視差值控制和做3D畫一樣，對較大、圓潤、豐滿的物體可加大拍攝間隔。對細小、有復雜紋理、或豎直線條為拍攝物時，可適當減小拍攝間隔，以提高物體的清晰度。

3、3D顯示技術的形成

早在19世紀攝影技術剛剛起步時，人們就用2臺性能和參數完全相同的相機并列，模擬人的左右兩眼，同時拍下2張有著些微差異的相片，之后再透過平行視線法、交叉視線法或類似雙筒望遠鏡的專屬觀看設備等，讓人的左右兩眼分別觀看2張并列拍攝的相片，以重現“視差”，藉以模擬出立體視覺。

兩個世紀以來，人類由此逐步研究出各種3D顯示技術，主要分為眼鏡3D與裸眼3D兩大類型（見表一）。

眼鏡類3D顯示技術

眼鏡類3D顯示技術，主要是利用光學原理的特制眼鏡來實現。目前市場應用的眼鏡類3D，從技術層面來看主要有快門式和偏光式兩種（見表二），從觀看方式來看主要有被動觀看和主動觀看兩種。

1、被動觀看式

被動觀看式的3D眼鏡，是由單純的鏡片+鏡架所構成，不牽涉到任何機械或電子裝置，主要有紅藍濾色片式3D眼鏡類和偏光式3D眼鏡類兩種，基本原理都是運用光學方式讓左右兩眼觀看到具備視差的圖像。

（1）紅藍濾色片式3D眼鏡類

紅藍濾色片式的3D眼鏡，采用紅色與藍色（或紅色與綠色）濾色片做鏡片，眼鏡本身的成本很低，用紅藍玻璃紙與紙板制作，早期3D電影都采用此種形式，分別投射出經紅色濾光與藍色濾光的畫面，讓觀看者配戴紅藍3D眼鏡來觀看。

由于紅藍濾色片無法正確重現原本畫面色彩，后來又進行了改良，如利用琥珀色與藍色濾色片分別呈現彩色與單色兩組畫面，觀看時人腦會自動組合雙眼觀看到的圖像，因此也可以獲得彩色的立體畫面。

（2）偏光式3D眼鏡類

偏光式的3D眼鏡，是透過如百葉窗般排列的矽晶體涂料薄膜（偏光膜）來過濾原本朝不同方向震動的光線，擋住與偏光膜方向垂直的光線，只讓與偏光膜方向相同的光線通過。由于偏光片只會過濾光線的方向，而不像濾色片那樣濾除光線的顏色，因此可以完整保留畫面的色彩。

播放時只要使用兩組設備分別透過偏光片投射出垂直偏光與水平偏光畫面，或是使用一組設備搭配可切換偏光方向的偏光片交替投射出垂直與水平畫面，再讓觀看者配戴垂直偏光片與水平偏光片組合的眼鏡，即可觀看到3D畫面。

如今的3D電影系統多半采用偏光方式技術，應用特殊的眼鏡、投影機或屏幕等顯示設備，來呈現3D圖像。

2、主動觀看式

主動觀看式的3D眼鏡，是利用眼鏡本身的主動運作來顯示3D效果，有雙顯示器式3D眼鏡類和液晶式3D眼鏡類兩種。

（1）雙顯示器式3D眼鏡類

雙顯示器式雖然無法提供多人觀看的需求，但仍就算是主動式3D眼鏡類的一種，其原理是運用左右眼鏡中配置的兩組小型顯示器來分別顯示左右畫面，以形成3D效果。

由于必須配置兩組獨立的小型顯示器，只能讓單人觀看。通常應用在特殊場合，如搭配頭部偵測應用在虛擬實境觀看的便攜式播放器、游戲機（任天堂在1995年推出的便攜式游戲機Virtual Boy頭戴式顯示器就屬此類）等。

（2）液晶式3D眼鏡類

液晶式的3D眼鏡，由主動液晶鏡片構成，其原理是利用電場來改變液晶透光的狀態，以每秒數十次的頻率交替遮蔽左右兩眼視線，播放時只要交替顯示左右兩眼畫面，再利用同步信號讓液晶式3D眼鏡與畫面同步工作，當播出左眼畫面時讓右眼鏡片變黑、播出右眼畫面時讓左眼鏡片變黑，最終形成3D效果，但這種交替遮蔽會影響畫面的亮度。

液晶式3D不需要濾色或偏光等特殊播放設備，只要提升播放畫面的交替頻率及添加同步信號發送裝置，很適合大尺寸屏幕，供多人觀賞的需求，是目前3D電影和3D電視的主要方式，包括PC上由NVIDIA推出的3D Vision，以及目前各大廠商狂推猛打的3D電視機等產品，都采用了此類技術。

由于液晶式的畫面是采左右交替播放，同一時間內只有一只眼睛能看到畫面，因此當開啟3D顯示模式時，畫面刷新頻率會變為原來的一半。當每秒60次交替頻率時，畫面刷新頻率會降到每秒30次，會讓觀看者感受到明顯的閃爍。因此目前各廠商所推出的方案都是將刷新頻率加倍到每秒120次，以解決閃爍的問題。

液晶式的3D眼鏡由于必須主動運作，因此構造上比被動式3D眼鏡復雜，雖然播放設備的成本較低，但眼鏡的成本高出不少。目前主流的紅外線同步方式的眼鏡中，都必須配備額外的接收控制器與電源。

液晶式3D在近一兩年隨著新產品（3D電視）的推出開始發燒，但在游戲領域的應用已有20多年的歷史，如1986年SEGA推出SEGA MarkIII/Master System、1987年任天堂推出Famicom的Famicom游戲設備系統都采用此類技術。

裸眼類3D顯示技術

人眼具有3D識別能力，但對于顯示器來說必須順應人眼的識別方法來構建圖像，才能真實地顯示3D圖像。

我們知道，顯示器屏幕是平面2D的，人之所以能欣賞到真如實物般的3D圖像，是因為顯示器展現出的圖像色彩灰度的不同，而使人眼產生視覺上的錯覺，將顯示的2D圖像感知為3D圖像。

在光學和色彩學相關的知識中，3D物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色彩，而凹下去的部分由于受光線的遮擋而顯暗灰色彩，這已被廣泛應用于網頁或其他應用中（如對按鈕、3D線條的繪制等），比如要繪制3D文字，即在原始位置顯示高亮度顏色，而在左下或右上等位置用低亮度顏色勾勒出其輪廓，這樣在視覺上便會產生3D文字的效果。

如前所述，眼鏡類的3D顯示技術是通過眼鏡將左右圖像分離出來，并分別送到觀看者的左右兩眼中，實現3D效果。而裸眼類的3D顯示技術則是通過調節光的角度使左右兩個圖像分離出來，并分別送到觀看者的左右兩眼中，以實現3D效果。

如今的裸眼類3D顯示技術，組合了目前人類最新面板制造技術和引擎軟件技術，一方面，在生產制造方面，采用在液晶面板前方配置雙凸透鏡的全景圖像（Integral Imaging）方式顯示，即在同一個屏幕上，以分割區域顯示（空間多功裸眼3D技術）和切割時間顯示（分時多功裸眼3D技術）來實現3D顯示（見表三）。另一方面，在圖像顯示方面，通過計算機圖像處理技術，將已有的2D圖像和3D圖像的左右兩眼的視差，轉換為9視差的3D圖像。

從當前裸眼類3D顯示技術形式來看，有光屏障式（Barrier）、柱狀透鏡（Lenticular Lens）、多層顯示（Multi Layer Display）和指向光源（Directional Backlight）等幾種，目前光屏障式和柱狀透鏡式兩種技術已進入商業應用階段。

1、光屏障式技術

裸眼類的光屏障式技術與眼鏡類的偏光式技術（目前3D電影廣泛采用）有些相似，不過一個要戴眼鏡，一個不要。

光屏障式又稱光屏蔽式、視差障壁（Parallax Barrier）、視差屏障（Parallax Barriers）等等，這主要是研制廠商的技術細節不同所至。

（1）視差障壁式

該技術是由夏普歐洲實驗室研制，實現方法是使用一個開關液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向為90°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過它們的光就形成了垂直的細條柵模式，故稱之為“視差障壁”。

視差障壁安置在背光模塊及LCD面板間，在3D模式下，應該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋右眼；應該由右眼看到的圖像，不透明的條紋會遮擋左眼，通過將左右兩眼的可視畫面分開，使觀看者看到3D畫面。

由于背光遭到視差障壁的阻擋，所以亮度也會隨之降低，要看到高亮度的畫面比較困難，分辨率也會隨著顯示器在同一時間播出影像的增加成反比降低，降為原本的一半。之外還會有觀看距離、角度與方向的限制，必須在規定的距離與角度內觀看，畫面轉 90 度時就會無法呈現立體感。該技術最大的優勢是與LCD液晶工藝兼容，成本上更低一些。

目前，視差障壁技術的代表廠商和產品有，夏普發布的裸眼3D手機，任天堂的3DS游戲機。

（2）可開關液晶視差屏障式

該技術是后續廠商為了改善視差障壁式的先天限制，采用可開關的液晶薄膜來充當視差屏障，利用液晶屏障的開關來切換 2D和3D的顯示模式，液晶屏障排列方式也可以制作成水平與垂直兩種方向，以配合橫拿與直拿的需求。

可開關液晶視差屏障式3D，是目前最廣泛應用于可攜式裝置的方式，包括夏普與日立都不約而同的在任天堂發表N3DS（是一款由日本任天堂推出的便攜式游戲機，最大特點之一是利用了稱為“Autostereoscopy”的技術，即讓使用者不配戴任何特殊眼鏡即可感受到3D圖像效果）后，緊接著開發了各自裸眼3D手機應用的視差屏障式3D顯示屏幕。其中夏普的產品將液晶屏障與觸控薄膜整合在一起，而且同時支持橫拿與直拿的應用，比較符合N3DS的需求。

2、柱狀透鏡技術

柱狀透鏡技術，又被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡技術，主要代表廠商有飛利浦和我國朗辰電子科技。

該技術是通過在液晶面板上加上特殊的精密柱面透鏡屏，將經過編碼處理的3D圖像獨立送入人的左右兩眼，從而可以裸眼體驗3D，同時兼容2D，它相比光屏障式技術最大的優點是其亮度不會受到影響，但觀測視角寬度會稍小。

其原理是在薄薄的液晶屏幕最外層，加上一層泛著光亮的“膜”，其膜叫做“柱狀透鏡膜”，一方面，是利用柱狀透鏡膜的折射來控制光線行進方向，讓左右兩眼接受不同圖像視差以呈現3D效果。由于光線在通過凸透鏡時，行進方向會折射而產生變化，因此只要將左右兩眼畫面以縱向方式交錯排列，再透過一連串緊密排列的柱狀透鏡，讓左右兩眼看到各自的畫面。

另一方面，是使液晶屏的像素平面位于透鏡的焦聚平面上，這樣在每個柱透鏡下面的圖像的像素被分成幾個子像素，因此透鏡就能以不同的方向投影每個子像素。于是人的兩眼從不同的角度觀看顯示屏，就能看到不同的子像素。

不過像素間的間隙也會被放大，因此不是簡單地疊加子像素，柱透鏡與像素列不是平行的，而是成一定的角度。這樣就可以使每一組子像素重復投射視區，而不是只投射一組視差圖像。

柱狀透鏡式可以在多個角度下產生3D效果，適用于多人觀看的場合，不過在不合適的角度觀看時會出現影像重疊的狀況。一般的柱狀透鏡是固定貼附在屏幕表面，而且是以單一方向排列，因此無法切換顯示模式，水平解析度會降為原本的一半，畫質也會受到透鏡折射影響，屏幕旋轉 90度時就無法呈現3D感。不過也有廠商研發在柱狀透鏡中注入液晶來改變聚焦特性的技術，可關閉透鏡的折射效果切換成2D顯示模式。

另外，之所以柱狀透鏡技術的亮度不會受到影響，是因為柱狀透鏡不會阻擋背光，畫面亮度能夠得到很好地保障。不過由于它的3D顯示基本原理與光屏障式技術有異曲同工之處，所以分辨率仍是一個比較難解決的問題。目前已經有面板廠商計劃生產針對3D的超高分辨率面板，如果取得規模效益，會在很大程度上緩解分辨率的問題。

柱狀透鏡方式的歷史久遠，應用范圍也相當廣泛，包括平面印刷或是屏幕顯示器都能運用此方式來呈現3D畫面，市場上常見的3D墊板等產品就是利用相同的原理制作。

3、多層顯示技術

該技術簡稱MLD技術，是美國Pure Depth公司在2009年4月研發，這種技術能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實現裸眼觀看3D文字及3D圖像。與柱狀透鏡技術相比，有以下優點：

（1）觀看3D圖像時，用戶不會產生眩暈、頭疼及眼睛疲勞等副作用；

（2）3D顯示時，屏幕的分辨率不會降低；

（3）可組合顯示文字等2D圖像和3D圖像；

（4）對觀看3D圖像的視野及角度沒有太大的限制，通俗點說就是可視角度足夠大。

目前，采用MLD技術的顯示設備，已經在美國拉斯維加斯的部分娛樂場所得到了應用，并取得了良好的效果。

4、深度融合式3D顯示（Depth-fused 3D）

該技術由日立公司研發，產品問世已久不過應用層面有限。是將兩片液晶面板前后重疊在一起，分別在前后兩片液晶面板上以不同亮度顯示前景與后景的影像，藉由實體的深淺差異來呈現出景深效果。

由于深度融合式并不像其他方式是以模擬兩眼視差來產生立體感，而是讓畫面真正具備前景與后景的差別，能讓觀看者兩眼視線的焦點自然落在畫面位置并感受到景深，因此觀看時眼睛不感到疲勞。不過受限于前后景重疊時的角度偏移不能太大，因此適合觀看的角度有限，加上需要重疊兩片液晶面板來構成，因此不但體積較大，而且成本也較高。

5、指向光源技術

該技術比較先進，實現的方法是通過搭配兩組快速反應的LCD面板和驅動器，讓3D圖像以排序方式進入觀看者的左右兩眼，由于互換的左右兩幅圖像存在著視差，進而讓人眼感受到3D效果。

指向光源比光屏障式、柱狀透鏡式等裸眼3D技術更具有優勢，可以應用到手機、電腦、游戲機等設備中。在3D顯示的亮度和分辨率上都能夠得到保障，進而可以普及發展。但是該技術尚未成熟，遠沒有達到量產的階段，目前仍處于研發階段。

其原理是由指向性背光膜搭配左右配置的背光光源，以高速交替方式分別朝左右兩眼顯示不同圖像畫面來達成3D效果的方式。由于指向性背光膜可以控制光線射出的方向，因此能將左右兩幅圖像畫面分別投射到觀看者的左右兩眼中。

當屏幕右側的背光光源亮起時，就會透過指向性背光膜射出朝左眼方向的光線，用來顯示左眼圖像畫面。當左側的背光光源亮起時，就會透過指向性背光膜射出朝右眼方向的光線，用來顯示右眼圖像畫面。藉由左右圖像畫面高速交替顯示，就能平順的顯示3D圖像畫面。

由于指向性背光方式采用分時多功，因此每次都能以面板的完整解析度來顯示圖像，不像空間多功只能以面板的一半解析度來顯示圖像。而且只要左右兩側的背光光源同時亮起，就能切換為2D顯示模式。不過由于左右兩眼圖像畫面是以指向性的方式顯示，因此只有從屏幕正面觀看時才能看到3D圖像畫面，當屏幕旋轉90度時就無法顯示3D圖像畫面。

結 語

讓所有人脫掉眼鏡看3D，這看似簡單的技術目標，卻已經成為全球爭奪的新型產業的制高點。如今，各國對3D顯示技術研發均不惜巨資，投入巨大，且非常重視投入的持續性。

在國外，裸眼3D廣告已不稀奇，的確大街上來往的人，總不能停下來找個眼鏡戴起來再看廣告吧。近年來，美國的3D電影比例也越來越高，裸眼3D在廣告、展示、游戲、電視、手機等方面已經有了很大的市場，所有視覺娛樂、內容、廣告等領域，已經繞不開3D技術（如裸眼3D試衣技術，已經在互聯網上得到很好的呈現），正在圍繞3D形成新的產業鏈（模式）。

在國內，今年元旦央視3D電視頻道開播，雖然很多城市還未能嘗鮮，但網絡上的3D版春晚點擊量已經不少。元月初，TCL裸眼3D電視現身深圳寶安機場安檢大廳。3月初的全國兩會，人民大會堂正門進去的兩臺裸眼3D電視吸引了不少目光。這是我國利用裸眼3D技術第一次報道大型會議。4月12日，國內首個批量化生產裸眼3D顯示器項目落戶重慶合川，年產量達100萬臺。

雖說目前3D已進入電影、電視領域，但要走進百姓家庭，似乎很難，撇開技術層面不說，高昂的價格就足以讓百姓望而卻步。如今的3D電視可講是“奢侈品”，眼睛式3D電視每臺價格在10000元左右不等（視屏幕大小而定），日前（2013年元旦）TCL和中央電視臺CCTV 3D頻道進行合作，TCL L55F3390A-3D智能電視（TCL智能電視基本都支持3D顯示技術）在國內各大商場亮相，這款55寸眼睛式3D電視因參與國家節能減排，可減去400元優惠，折后價僅為6599元。而裸眼3D電視的價格更是不菲，55寸的每臺50000多元，42寸的每臺40000多元。

據業內人士分析，3D電視的普及起碼需要4至5年的時間，未來在一些購物中心、熱鬧的城市廣場等地能看見它的蹤影。市場永遠是這樣運轉的 —— 任何新事物的誕生和發展總是演繹著從無到有、從不成熟到成熟、從高價到低價的游戲過程，但這個過程需要的是時間。

未來，3D跟我們每一個人都有關系 ……