3D立体显示技术

3D显示技术主讲学生：谭小明什么是3D显示技术虽然3D技术早就为大众耳熟能详了，3D技术在市场上也有了多年的发展，包括3D电视、3D显示器以及3D投影机。3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。而3D技术就是虚拟三维的技术，通过利用计算机的运算达到视觉、听觉等方面立体效果的一种技术。在电影中实现的3D效果就是利用双眼立体视觉原理，使观众能从银幕上获得三维空间感视觉影像的电影。立体视觉的构成由于立体视觉是基于视差而来，因此3D立体显示的基础，就是要以人工方式来重现视差，简单说就是想办法让左右两眼分别看到不同的影像，藉以模拟出立体视觉。在这个基础之下发展出各式各样的3D立体显示技术，主要分为眼镜与裸眼两大类型。我们之所以能感受到立体视觉，是因为人类的双眼是横向并排，之间大约有6～7公分的间隔，因此左眼所看到的影像与右眼所看到的影像会有些微的差异，这个差异被称为「视差（Parallax）」，大脑会解读双眼的视差并藉以判断物体远近与产生立体视觉。目前，市场上已经有了四种比较成熟的3D显示技术，包括彩色立体三维，偏振三维，立体三维以及最新的DLPLink技术。这四类技术是当前被广泛采用的3D投影技术。由于各自的原理不同，成本不同，效果不同，也分别占有了不同的市场。其中，立体三维技术应该是目前我们最常见的一种3D投影技术了。因为几乎目前所有的3D影院都是采用的这种设备，大家在影院中看到的《阿凡达》《豚鼠特工队》等电影几乎都是这种技术实现的。眼睛式3D显示技术被动式3D立体眼镜被动式3D立体眼镜指的是眼镜本身是单纯的镜片+镜架所构成，不牵涉到任何机械式或电子式的运作。虽然此类眼镜所采用的技术有很多种，不过基本原理都是透过光学方式让两组画面分别只能穿过左右其中一眼的镜片，让左右眼观看到具备视差的影像。红蓝滤色片式3D立体眼镜最早问世的是采用红色与蓝色（或红色与绿色）滤色片构成的3D立体眼镜，眼镜本身的成本很低（可使用红蓝玻璃纸与纸板制作），早期的3D立体电影多采用此方式，分别投射出经红色滤光与蓝色滤光的画面，再让观看者配戴红蓝3D立体眼镜来观看。偏光式3D立体眼镜在偏光技术普及后，开始有厂商采用偏光式的被动式3D立体眼镜。偏光片是透过如百叶窗般排列的矽晶体涂料薄膜（偏光膜）来过滤原本朝不同方向震动的光线，会挡住与偏光膜方向垂直的光线，只让与偏光膜方向相同的光线通过。由于偏光片只会过滤光线的方向，而不会像滤色片那样过滤光线的颜色，因此可以完整保留画面的色彩。偏光原理播放时只要使用两组设备分别透过偏光片投射出垂直偏光与水平偏光画面，或是使用一组设备搭配可切换偏光方向的主动式偏光片交替投射出垂直偏光与水平画面，再让观看者配戴垂直偏光片与水平偏光片组合的偏光式3D立体眼镜，就可以观看到立体画面液晶式3D立体眼镜是采用主动式液晶镜片所构成的3D立体眼镜，运用液晶可借由电场来改变透光状态的原理，以每秒数十次的频率交替遮蔽左右眼视线。播放时只要交替显示左右眼画面，再透过同步讯号让液晶式3D立体眼镜与画面同步运作，播出左眼画面时让右眼镜片变黑、播出右眼画面时让左眼镜片变黑，就可以达成立体显示的效果。液晶式3D立体眼镜主动式3D立体眼镜主动式3D立体眼镜主动式3D立体眼镜是透过眼镜本身的主动运作来达成3D立体显示效果。˙双显示器式3D立体眼镜双显示器式3D立体眼镜虽然无法提供多人观看需求，不过仍就算是主动式3D立体眼镜的一种，运作的原理非常简单，透过左右眼镜中配置的两组小型显示器来个别显示左右眼画面，来达成立体显示的效果。由于必须配置两组独立的显示器，因此成本较高，而且只能让单人观看。因此通常只应用在特殊用途，像是搭配头部侦测应用在虚拟实境裸眼3D立体显示技术虽然眼镜方式能满足多人共同观看的需求，不过观看时必须配戴特殊眼镜仍旧是个相当大的障碍，各家厂商于是投入不需要配戴特殊眼镜的裸眼3D立体显示技术研发。所谓的「裸眼3D立体显示」，是指在不配戴任何特殊配件的状态下以裸眼视觉就能直接观看到3D立体显示的效果。虽然基本原理仍旧是让左右眼观看不同画面产生视差来营造立体感，不过前提是不配戴眼镜，因此必须透过特殊设计的屏幕来达成目标。裸眼3D立体显示根据运作模式又分为空间多功式与分时多功式两大类。空间多功式裸眼3D立体显示空间多功式裸眼3D立体显示是在同一个屏幕上，以分割显示区域（空间）同时显示左右两眼画面（多功）来达成3D立体显示效果的方式，因此被称为「空间多功」。˙柱状透镜式3D立体显示（LenticularLenses）柱状透镜式3D立体显示屏幕，是在屏幕表面设置垂直排列的圆柱状凸透镜薄膜，透过透镜折射来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同影像产生视差呈现立体效果。由与光线在通过凸透镜时，行进方向会折射而产生变化，因此只要将左右眼画面以纵向方式交错排列，再透过一连串紧密排列的柱状透镜，就能让左右眼看到各自的画面。视差屏障式3D立体显示（ParallaxBarriers）视差屏障式3D立体显示屏幕，是在屏幕表面设置称为「视差屏障」的纵向栅栏状光学屏障来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同影像产生视差达成立体显示效果。由于左右眼视线通过栅栏状视差屏障的角度不同，因此会看到后面屏幕的不同部分，只要将左右眼画面以纵向方式交错排列，就能让左右眼看到各自的画面产生立体感。分时多功式裸眼3D立体显示时间多功式裸眼3D立体显示是在同一个屏幕上，各切割一半时间来交替显示（分时）左右两眼画面（多功）以达成3D立体显示效果的方式，因此被称为「分时多功」。˙指向性背光分时式3D立体显示指向性背光分时式3D立体显示，是藉由指向性背光膜搭配左右配置的背光光源，以高速交替方式分别朝左右眼显示不同画面来达成立体显示效果的方式。由于指向性背光膜可以控制光线射出的方向，因此能将左右画面分别投射到观看者的左右眼中。当屏幕右侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝左眼方向的光线，用来显示左眼画面。当左侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝右眼方向的光线，用来显示右眼画面。藉由左右画面高速交替显示，就能平顺的显示立体影像。由于指向性背光方式采用分时多功，因此每次都能以面板的完整解析度来显示画面，不像空间多功只能以面板的一半解析度来显示画面。而且只要左右两侧的背光光源同时亮起，就能切换为2D显示模式。不过由於左右眼画面是以指向性的方式显示，因此只有从屏幕正面观看时才能看到立体影像，而且当屏幕旋转90度时就无法显示立体影像。指向性背光分时式3D立体显示产品目前仍处于研发阶段。上文所述的是我们常见的3D显示技术一些基本常识。随着科学技术的不断发展，还有很多厂商都在研发新的3D显示技术，下面，我们就来进行简单的介绍。●透镜3D液晶显示技术该技术是由飞利浦和夏普共同创导，其不需要佩戴眼镜，它是利用在液晶的最表层添加了数组透镜，而在这层凸透镜数组上形成影像。其中每个透镜以液晶像素成一个小的角度摆放，并且对应了7个液晶Cell，每一个液晶像素有3个液晶Cell组成，具备呈现RGB三色的功能，再加上根据特殊的算法，在液晶Cell中形成不同颜色，而最终形成影像，确保让观看者在左、右眼上形成不同的图像，这样就可以看到逼真的三维效果，缺点是如果观看液晶的角度不同，因为Barrier的效果减弱，而无法看到三维效果，而且多焦点影像极易造成眼睛疲劳。●DFD立体显示技术DFD（Depth-Fused3D）是日本NTT根据全新的错视原理开发的景深融合型立体影像技术，其利用两片液晶显示器与halfmirror，开发不需特殊眼镜就可以观赏的立体影像的技术，这种立体影像制作原理称为REAL。REAL立体影像的制作过程是先利用一般摄影机、相机、闪光灯摄影等方式拍摄影像，然后取一般摄影与闪光灯摄影拍摄影像灰色度两者的差分，再与一定峰值比较藉此获得二值化（0与1的数字元元化）的影像，接着抽出所谓的近影像领域，最后再将Relief状景深添加至近影像领域内。被照物景深形状除了球体比较接近真实景深外，其它物体都会出现某种程度的差异，只要近影像与远影像两者前后关系维持正确，且景深为连续性平滑状的话，通常利用肌理描绘（texture）作补正，就可以获得非常协调的立体影像。●手机3D显示技术除了桌面显示器外，手机、PDA等掌上设备的显示屏幕也将会采用3D显示技术。近期，三星为我们展示了一款针对手机设备开发的3DOLED面板。考虑到便携性，这类手机3D屏幕不会要求人们佩戴专用的3D眼镜。除了三星外，如东芝等厂商也推出了相关的技术，其原理是通过覆盖在屏幕上的一层特殊的“透镜”实现的。它可以把小型显示屏中显示的图像“分开”称两幅略微不同的画面，并分别送入左右眼中，让画面变得立体有深度。由于该“透镜”的厚度极薄，人的肉眼甚至无法直接看到它的存在，不会影响到画面的正常显示。总结眼睛式3D显示技术已经具备进入家庭的条件3D电视的用户体验还不够好，目前只适合成为电视机的附加功能从技术路线看。3D电视只是目前产品的升级，产业链格局不会有太大变化随着技术的进步，3D显示技术和普通消费者的距离已经越来越近，它不再是行业用户的专利。在三星和优派均推出游戏性3D显示器后，人们可以将3D显示器搬到卧室内，而不用和其他人一起挤在电影院中观看。凭借着身临其境的立体画面，3D显示器对高端游戏玩家而言拥有极大的吸引力。除了针对个人用户外，3D显示器同样适合于商用以及科研，如展示分子结构模型、军事目标、文物艺术品展示、会展、大企业形象展示等各领域发挥其独特的作用。相信随着3D技术进一步成熟，我们今后会在生活的各个领域中看到3D显示设备的身影。Thanksforlistening！