构建真实视觉世界的3D显示技术
发布时间：2012-5-3 15:32
发布者：李宽
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作者：李健 来源:电子产品世界 很多早就存在并且应用的技术，一旦引入消费电子领域，才真正迎来其爆发的春天，比如最近热的不能再热的3D显示技术。一部《阿凡达》带来的影响远远超过了电影本身，让更多消费者体验到3D技术的震撼，而2010年日本直播了3D显示的世界杯比赛则推动了3D电视抢占家用市场，当任天堂的3DS将裸眼3D技术引入便携终端，3D显示正式宣告已经准备好给每个消费者构建一个真实视觉的世界。 3D显示应用概述 在1838年，英国发明家Charles Wheatstone发现人类眼睛各别观看略有不同视角内容的图像，经由大脑的组合与解析会产生立体感，这种差异，让一个人从两个二维照片看到三维图像(立体图)。170年来，人类就根据左右眼视差的原理，发展了各种3D显示的方法。 相较于2D显示，3D显示多了一维深度的视觉，优于2D显示所能提供的逼真感受与刺激，3D电影是3D显示在公众领域最早也最普遍的应用。在CRT屏幕时代，3D显示也应用在一些特殊用途，例如科学研究、工业设计及医学影像。不过随着高画质数字平面显示技术的发展，大幅改善了3D显示效果，眼镜式或裸眼式3D显示应用，逐渐试探性地在通信及消费性电子市场上出现。 3D显示技术的应用不仅广阔而且宽泛(如图1)，由于3D游戏及3D电影内容较成熟，眼镜式3D显示电影是最早呈现在消费者面前的，这方面的先锋是一些科普教学宣传电影，随后就是好莱坞的商业电影。3D显示电视随着3D电影节目的丰富和蓝光载体的出现，成为最先进入家庭的3D显示平台。裸眼式3D显示目前而言，在大屏幕上的效果仍不如眼镜式3D显示，短期内的应用发展将会偏重在一些特定市场，尤其是像小型个人便携终端或大型公众广告方面的应用，目前市场上，已有包括家用游戏机、电视机、PC监视器、笔记本电脑/平板电脑、蓝光光盘、数字相机、数字摄影机、智能手机以及数字相框等产品的制造商推出或计划推出3D显示相关产品。而除了家电之外，3D显示器未来更可望普及至医疗领域，以及数字告示广告牌等新用途上。 
DisplaySearch调查指出，3D显示器的市场出货量将从2008年的70万台，成长到2018年的1亿9600万台，营收也将从9亿200万美元成长至220亿美元。该预测同时显示，年复合成长率(CAGR)按营收计算将达到38%，按出货量计算将达到75%，如图2。 3D显示技术应用分析 3D显示的市场经过3D电影的铺垫，已经蓄势待发，前途早就注定是光明的。但作为一个瞬间崛起的行业，依然存在众多的问题需要解决，才能促使3D显示技术更快征服消费者的购买欲望。 在消费者需求的研究下，发现目前最被期待的应用在家庭剧院系统，其次分别为3D电视和3D游戏等家用设备。反应在市场的现状，3D投影设备和剧院系统早期销售量超越3D电视。而3D游戏在Nvidia的力推下，有超过400家电子游戏内容商支持立体输出，搭配该公司提供的Shutter Glasses及供货商提供的高倍频显示器解决方案，即可达到高分辨率而立体输出的游戏画质，此外，SONY的PS3游戏主机支持蓝光3D规格输出，未来也可供应立体游戏的内容输出。任天堂的3DS推出裸眼3D之后，目前也已经有上百款游戏与之配套，提供不同的用户体验。 3D电视是3D显示技术真正走向家庭的主力军，而3D电视早在2010年就随着世界杯的3D转播催生了第一批粉丝。2012年作为奥运年配合欧洲杯足球赛，多家电视台表示将用3D转播比赛无疑是3D电视推广的又一个好机会。另一个方面，我们必须看到的事实是，3D电视的技术早已成熟，但鉴于3D电视成本上较现有LED平板电视高出不少，消费者需要足够动力去更换才购买一两年的新电视机。因此，真正目前制约3D电视大规模普及的还是节目内容不足。除了部分体育比赛和传统的商业3D电影之外，其他3D节目资源远远不够支撑起用户的观看需求。虽然很多电视节目运营商已经推出3D相关服务，但内容资源的短缺依然让很多消费者面对3D 电视望而却步，用户资源的缺失，又造成3D视频节目制作者收益无法保障而难以激发创作热情，因此，这个生态系统如何建立是推动3D电视快速普及的重要所在。 目前，很多从业者选择了2D转3D来丰富3D视频资源，这固然能丰富节目数量，但也不过是权宜之计。要将2D影像转成3D影像的技术困难度很高，因为要处理很多视频流，对处理器的能力提出非常高的实时视频流处理要求，不过转好之后的视频播放时对硬件的要求不再苛刻，博通公司宽带通信事业部技术副总裁Sherman Chen介绍，现有的高清多媒体处理芯片已经有足够处理能力支持3D编解码的处理要求，只要是编译好的3D节目，都可以在高清相关设备上实现流畅3D体验。关于2D转3D技术基本上要产生视觉上可见的3D影像，必须要有左右眼视差的两个影像，2D影像内容不具备各景物深度位置的数据，所以如何将2D转3D，最关键技术就是如何分析及判别景物的相对深度关系，找出2D影像的正确深度图(Depth Map)。由于2D文字和3D影像同时并存的应用情境常常出现，因此在特定局部范围内显示3D立体影像效果非常重要;此外，2D和3D显示应用也需要并存，才可让消费者可随时切换观看，因此2D和3D全局显示切换技术也非常关键。但换个角度考虑，由于同样时长的3D拍摄节目是转换原有2D节目成本的8-10倍左右，2D转3D切换技术对于3D电视应用的普及化来说，更是不可或缺。 便携3D终端是另一个推动3D显示的主力，这部分产品最贴近的应用将是裸眼3D。任天堂的3DS可以说是第一个真正意义广泛销售的裸眼3D移动终端，而在2012年，裸眼3D的智能手机和平板电脑将是主流。裸眼3D实现技术和眼镜式3D技术有明显区别，这个后面详细介绍。对于便携终端而言，3D显示应用的市场需求是迫切的，但节目内容的不足已经不是技术推广存在的唯一问题，在便携终端的裸眼3D显示一些不得不面对的问题包括：处理器处理能力和功耗的矛盾，上裸眼3D，意味着智能手机至少要有强大的应用处理器(理论上要有3-4个处理核心);裸眼3D显示的屏幕成本增加和对其他硬件要求的严格，这极大制约智能手机和移动终端的设计，特别是成本优化极具挑战性;观看体验不足，区别于大屏幕的3D效果，在小屏幕上展现裸眼3D，其实际效果并不炫目，特别是长时间观看容易产生眩晕感，加之相关内容的格式要求进行更大的压缩，编解码后产生的效果大打折扣。 另一个裸眼3D急需解决的问题是标准尚未统一，在没有形成一个统一的标准前，裸眼3D大规模需要面对很多现实的问题。像3DS这样的便携设备，在室内不如大屏幕有竞争力，在户外、公共场所等地方玩3DS，你很难保持一个固定的姿势，打开3D则有诸多不方便。 很明显的例子是，很多游戏有重力感应操作，用户一晃动掌机就会出现图像重影。此外，裸眼3D带来的用户眩晕情况也有待最终的评估给出答案，上市前，任天堂曾发出警告，称3DS不适合6岁以下儿童，因为其3D效果影响儿童眼睛发育。 深圳市维尚视界立体显示技术公司(3DVstar)是国内较早提供成熟裸眼3D解决方案的厂商，已经有多款终端产品采用他们的模组实现裸眼3D，该公司总经理杨亚军认为，裸眼3D的出现必然会使消费者有一个适应的过程，是否可以在传统视觉习惯上附加一个新的观看方式?杨总表示，3DVstar在帮助客户生产设计的所有产品中，都能实现在2D和3D中一键式无缝切换，甚至能在观看3D电影时无需暂停就可进行立体和平面的切换。这种一键式方案可通过多种方式来实现，既可“物理式”亦可以是“双击触摸屏式”。而且这种功能支持每一类不同的数码显示产品。 关于3D视频显示技术，瑞萨移动认为，还存在一个共有的问题为观看的最佳地点很少，未来3D视频技术的发展主要方向就是建立多重的最佳观看地点。此外，什么会成为3D视频技术的杀手级应用以及3D技术未来将如何运用目前都不得而知，有待研究。不过瑞萨移动认为，通过像苹果、安卓智能手机的程序开发，会推动杀手级应用的发展。现在，有些智能手机和平板电脑等产品已经可以实现3D技术。人们所花的成本会随着屏幕日益复杂而增加，但是媒体处理器可以针对不同的屏幕的需求来提供数据。3D用户的界面将会变得有趣，尤其是与传感技术结合后，其可在创建的三维空间中与用户互动(这部分内容可以参考相关阅读)。 3D显示技术原理 3D显示分成眼镜式及裸眼式两类，眼镜式依眼镜的不同又分为被动式眼镜(Passive Glasses)与主动式眼镜(Active Glasses)3D显示技术，详细分类如图3。 
眼镜式3D显示技术 被动式眼镜3D显示技术，依左右眼影像分离所采用的光学方法，有偏振滤光(Polarization)及光谱滤波(Spectral Filters)两种。另外，眼镜式3D显示技术依影像显示方法，又可分出时间依序(Time Sequential)、空间分隔(Spatial Separation)与同位图像(Co-Located Pixels)三种。 三种主要影像显示方法 时间依序是将影像一左一右依序显示，所以显示器的画面频率至少要帧频率(Frame Rate)的两倍(120Hz)，配合主动式快门眼镜将左右眼影像分开给各别眼睛。空间分隔是将左右眼影像在显示图框上依奇数列与偶数列垂直穿插排列方式，或是在显示帧每一列依左右眼影像水平像素穿插排列，再配合微位相差膜(Microretarder)及被动式偏振眼镜将左右眼影像分开给左右眼睛。空间分隔左右眼影像垂直(或水平)分辨率只有2D显示的一半。同位图像是将左右眼影像同时间重迭显示，左右眼影像在光学上利用偏振滤光或光谱滤波方法将影像分离，同位图像方法可以做到全画面分辨率3D显示，影像图框频率与2D显示相同。 被动式眼镜3D显示技术应用 目前3D显示技术应用在3D电影所采用的技术有双投影机的同位图像偏振滤光或光谱滤波，以及单投影机时间依序偏振滤光或光谱滤波。单投影机偏振滤光是在投影机镜头前加装一片与投影机同步的快门式偏振滤光片(Z-Screen)，为降低画面闪烁，作法上会将左右眼影像同一图框显示两次，总频率达4倍;因图框频率高，所以采用DLP影像显示技术。 主动式眼镜3D显示技术应用 主动式眼镜技术主要是快门式偏振眼镜，搭配时间依序3D显示器，眼镜左右眼交替开关与屏幕同步，同样由于显示图框频率速度的要求，以往都是搭配DLP或PDP显示器技术。LCD 3D显示早先以空间分隔搭配被动式偏振眼镜为主，随着LCD面板图像更新率(Refresh Rate)的提升，时间依序偏振滤光因有全画面分辨率3D的优点，LCD以时间依序搭配快门式偏振眼镜也普遍被看好，目前有国际绘图芯片大厂nVidia将此技术推动在计算机3D显示的应用。不过主动式眼镜3D显示所用的快门式偏振眼镜价格高，仍有待降低成本。 裸眼式3D显示技术 裸眼式3D显示有2D显示使用上同样的方便性，是3D显示发展的终极目标。目前所看到的裸眼式3D显示技术包括柱状透镜式(Lenticular Plate)、视差光栅式(Parallax Barrier)、自动观者追迹式(Auto Viewer-Tracking)、空间体积式(Volumetric)及全像式(Holographic)。 
一般柱状透镜式及视差光栅式 柱状透镜式及视差光栅式技术已经普遍应用在裸眼式多视角平面3D显示器，也是目前使用较普遍的技术。柱状透镜或视差光栅裸眼式3D显示可以是两个视角(Two-view)或多视角(Multi-view)的设计，其技术原理是利用柱状透镜折射或利用光栅屏幕遮掩影像显示板上由多个不同视角影像交错组成的影像，让各个视角影像投射在空间中，相临视角影像依序展开，观者在适当距离左右眼各收视到相临视角影像，视觉上产生3D影像效果。柱状透镜式光通效率高(大于80%)，相较于视差光栅式有较佳的亮度(视视角数及光栅宽度而定)，不过技术难度及制作成本高。 斜向柱状透镜式及斜向视差光栅式 传统直式柱状透镜及直式视差光栅屏幕多视角3D显示技术，因会大幅降低3D影像水平方向分辨率，3D影像只有全画面分辨率的1/N(N为视角数)。于是有斜向柱状透镜式(Slanted Lenticular Plate)及斜向视差光栅式(Slanted Parallax Barrier)的技术产生，此技术可将分辨率降低的比例适当分配在垂直及水平方向，以提高整体3D影像的画质。两种技术各有多家厂商使用，尤其是斜向视差光栅式技术。制作简单且成本低，从3D手机、3D数字相框等小型产品到多人观看的大型3D数字广告牌都有产品应用推出。 自动观者追迹式 自动观者追迹式3D显示技术，结合摄影机追踪观者眼睛来自动动态调整左右眼影像视角以跟随人眼位置，由于只产生两个视角，可提供较好的3D分辨率，适合单人使用，较偏重在特定专业应用上。 空间体积式 上述眼镜式或裸眼式3D显示技术都是以平面屏幕依两眼视差原理让视觉感知3D的立体影像，3D显示最多就是在屏幕前180度的范围，我们将其称为平面式3D立体影像。而空间体积式3D显示及全像式3D显示技术，则是以光学的方法在空间中产生3D影像，视觉类同具体存在的3D物体，我们将其称为为空间式3D立体影像。空间式3D立体影像需要的数据量庞大且需要高速的影像处理，相对技术难度高很多。空间体积式3D通常是以360度环绕中心投射及反射影像技术，利用人眼视觉暂留的特性，观者可看到360度具体3D立体影像。此技术通常需要运用快速360度旋转的机械动作，机械旋转所产生的振动与噪音，以及中心轴的稳定度，都是需克服的技术问题，由于机械结构的关系，此技术也不易做到大的3D影像显示。 全像式 至于全像式3D显示技术，虽然可以提供较理想的3D视觉效果，国际上有很多研究机构在发展，不过由于技术难度甚高，仍属实验室研发阶段。据了解，日本正发展以全像式3D显示为核心的高拟真通讯技术，预定产品化时间为2025年。 
传输 3D拍好了到底怎么样传输?目前有几种方式，一种是两个都是高清的SDI传输，将来要用3G的方式，1080 50p只是3G中的一种方式。用两路传输会碰到传输时延问题和争议问题，现在的方式是通过两个SDI的方式，一个是左眼的信号，一个是右眼的信号，会出来两个测试的信号。建好系统和检测设备以后，通过左右眼的信号检测整个通道。需要注意有没有把左右眼信号搞混，包括有没有通道之间的延时，如果通道之间有延时会造成错位，3D效果就会有很大问题。 前不久美国实验室有一个传输的规范，传3D的信号有两种方式，一种是3D的左眼右眼并列传，通过压缩。这种方式适用于1080i隔行扫描格式，左眼在水平方面压缩一半，右眼在水平方向压缩一半，类似于1080i的画面，通过MPEG2和H.264去传输，经过解码器把左眼跟右眼信号分别解码出来，这时的水平只有一半，再做上变换，得到的画面就是1080i，出来的即是左右眼的信号。720p的方式是上下的，上部分是左眼，下部分是右眼，这样出来的还是720p的画面，现有的系统同样可以传左右眼的信号，定义多少行到多少行是左眼，多少行到多少行是右眼，接收的解码器同样可以把左右眼解出来，通过电视机显示出来。 |
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