3D视频技术原理及应用

3D视频技术原理及应用内容摘要目前许多研究者已经把三维显示系统作为下一代最有潜力的显示系统，并已经提出了许多三维显示技术，如，眼镜式三维显示、三维体显示、全息显示等几大类。本文首先介绍了三维显示技术的背景和发展概况，接着简要介绍了各种三维显示技术的原理及特点，最后介绍了３Ｄ技术在各个领域上的应用。关键词：3Ｄ技术，分类，原理，特点，应用一、３Ｄ成像原理（一）什么是3Ｄ3D–3Dimension即三维立体，是相对于2D平面的一个概念。我们人类所生存的世界就是一个三维的空间，我们在现实世界中观察到的物体也都具有三个维度：高度、宽度和深度，我们早已习惯了3D的世界。然而由于技术发展的局限性，在电影、广播电视以及印刷等媒体世界中，我们被局限在了二维世界。（二）3Ｄ影像的特点立体逼真：3D影像与人类现实生活中习惯的场景达成了一致，更加的逼真；临场感强：3D影像的立体感、景深，让观者产生身临其境的感觉；强烈视觉冲击：可以利用3D影像特点制造各种强烈的视觉冲击，如体育比赛直播、演唱会现场直播，以及各种宏大的电影场景。（三）立体视觉的根源人天生具有两只眼睛，而两只眼睛间的距离大体为6~7厘米。正是由于这6~7厘米的距离，当人的双眼注视一个物体时，双眼看到的景象并非一致，而是存在细微的差别。存在细微差别的两幅二维图像，经过大脑的合成最终呈现出立体感。3D影像技术正是利用了双眼分视原理，在节目拍摄的过程中，摄像机在工作模式上模仿人的双眼，左右镜头分别拍摄一幅具有细微差别的二维图像。在观看3D影像时，采用各种技术，以保证让左眼只能看到摄像机的左镜头所拍摄的影像，而右眼只能看到摄像机的右镜头所拍摄的影像。两幅存在细微差别的二维影像经过大脑的合成，产生立体影像。（四）3Ｄ影像发展简史早在1839年，英国科学家查理·惠斯顿爵士根据“人类两只眼睛的成像不同”发明了一种立体眼镜，让人们的左眼和右眼在看看到两幅存在差异的图像以产生立体效果。直至今天，所有的3D显示设备无不采用这种原理，无论其通过多么简单或多么复杂的技术实现。1903年，第一部3D电影《火车进站》诞生；随着新技术的发明、进步，3D影像于上世纪50年代迎来第一个黄金时期，被认定为历史上第一部3D长片电影《非洲历险记》在这个时期上映并取得了商业成功。然而由于昂贵的制作成本和显示设备，3D影像的发展进入低潮期；IMAX技术的发明并于1986年温哥华世博会进行展示，为3D产业带来了革命性的变化。2009年《阿凡达》上映，以及之前和之后上映的一系列3D电影都取得了商业成功，将3D推向又一次高潮。二、主要3D显示技术及其原理在不同的发展时期，根据不同的应用，不同的公司开发了不同的3D显示技术；从观看形式上来区分，有的需要配戴眼镜，有的不需要配戴眼镜；即使配戴眼镜，眼镜也有主动式与被动式之分；总体来说，配戴眼镜观看技术发展比较成熟，设计和制造难度、制造成本较低，3D效果好；而裸眼观看的技术还处于起步阶段，制造难度高，成本高，而观看的效果不尽如人意，尤其是观看的角度有限制，清晰度差，3D效果也不好。以下介绍当前主要几种３Ｄ显示技术：（一）色差式3D立体成像色差式3D成像技术是最早出现的也是最容易实现的一种3D立体成像技术。从技术层面上看色差式3D立体成像是比较简单的一种方法，这种3D成像只需要通过一副简单的红蓝(或者红绿)眼镜就可实现，硬件成本不过几元钱。显示设备方面也无需额外升级，现有的任何显示设备都可以直接显示。色差式3D立体成像技术的原理是将两张不同视角上拍摄的影像分别以两种不同的颜色印制在同一副画面中，如果不戴眼镜，我们只能看到色彩重合的模糊图像。但是戴上眼镜后，左右眼不同颜色的镜片分别过滤了对应的色彩，只有红色的影像通过红色镜片蓝色通过蓝色镜片，最终两只眼睛看到的不同影像在人脑中重叠产生了立体效果。色差式3D立体成像原理简单，能达到的3D景深效果也还算不错。不过由于采用的色度分离方式会给观看者带来比较严重的视觉障碍，舒适感始终不能让人满意，同时画面的色彩还原效果也一直在较低的水准徘徊，这就导致了它很难成为3D立体显示技术中的主流。优点：技术难度低，成本低廉。缺点：3D画质效果不理想，图像和画面边缘容易偏色。（二）快门式3D技术快门式3D技术,使用一付主动式LCD快门眼镜，交替开关左眼和右眼让左右眼看到的两幅图像在我们的大脑中融合成一体来实现，从而产生单幅图像的3D深度感。目前三星、LG、SONY等国际大厂所推出的3D电视主要使用的就是这种3D显示技术。在PC领域的NVIDIA的3Dstereo、在投影领域的德州仪器的DLPLink，XPAND3D系统也都是属于快门式3D技术。快门式3D技术的原理是根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)，左眼和右眼个60Hz的快速刷新图象才会让人对图象不会产生抖动感，并且保持与2D视像相同的帧数，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉，便观看到立体影像。主动快门式眼镜都采用的是液晶控制开合，通过液晶分子的运动控制左眼或右眼感知画面，刷新频率为60Hz，这样就是为什么3D电视要求面板刷新率最低为120Hz的原因。目前市面上有些机子的刷新频率很低，达不到120Hz，所以在商场试机的时候会有明显的闪烁，特别对着日光灯的时候，因为频率的不同步造成的闪烁感特别明显。刷新频率越低，闪烁感越大，120Hz其实才刚刚达到可用的要求，刷新率越高，画面越稳定，眼睛越不容易疲劳。在电视机端采用RF或IR的方式发射同步信号，眼镜里的MCU接收到信号后进行处理，分离出R/L的开关信号，经升压电路做升压处理（约10V）后作为眼镜镜片的开关电压。此外，眼镜里面还有一个3.7-4.2V输入降至3.6V的DC-DC用来给单片机供电，一个+5V输入（USB处取电）给锂电池充电的充电电路。而由TI制作的电视与投影机打出的DLP®-Link白光快门讯号会直接由Xpand公司制作的眼镜接收，免除过去需额外组装发射器的昂贵发射和接收系统。优点：资源相对较多，厂商宣传推广力度大，3D效果出色。缺点：快门眼镜价格昂贵。（三）偏光式3D技术偏光式3D技术（即偏振式3D技术），属于被动式3D技术，眼镜价格也较为便宜，目前3D电影院、3D液晶电视等很多采用偏光式3D技术。偏光式3D也细分出了很多种类，例如应用于投影机行业的偏光式3D技术，则需要两台以上性能参数完全相同的投影机才能实现3D效果，而应用于电视行业的偏光式3D技术则需要画面具有240Hz或者480Hz以上的刷新率，同时在屏上贴一种偏光膜，使画面能从不同的方向传送，而偏光眼镜让左右眼画面分离成垂直和水平画面，在大脑中交错重叠后实现3D效果。在偏光式3D系统中，目前市场中较为主流的有RealD3D系统、MasterImage3D、杜比3D系统三种。特别是RealD3D技术，其市场占有率最高，而且不受面板类型的影响，可以帮助任何支持3D功能的电视和显示器产生出高清3D影像，拥有这项技术的RealD公司主要是通过技术授权进行推广。优点：偏光式眼镜价格低廉，3D效果出色，市场份额大。缺点：安装调试繁琐，成本不便宜，画面分辨率减半，难实现全高清。（四）裸眼式3D技术裸眼式3D即看3D立体电视不需要带眼镜，目前国内一些机场大厅上TCL所展示的3D显示就是属于这种方式。裸眼式3D技术可分为光屏障式(Barrier)、柱状透镜(LenticularLens)技术和指向光源(DirectionalBacklight)三种。由于人的双眼观察物体的角度略有差异，因此能够辨别物体远近，产生立体的视觉。三维立体影像电视正是利用这个原理，把左右眼所看到的影像分离。3D液晶电视的立体显示效果，是通过在液晶面板上加上特殊的精密柱面透镜屏，将经过编码处理的3D视频影像独立送入人的左右眼，从而令用户无需借助立体眼镜即可裸眼体验立体感觉，同时能兼容2D画面。裸眼3D显示技术一般被称为“裸眼多视点”技术，也就是不通过任何工具就能让左右两只眼睛从显示屏幕上看到两幅具有视差的、有所区别的画面，将它们反射到大脑，人就会产生立体感。它也利用了人眼的视差原理，通过给观看者左右两眼分别送去不同的画面，从而达到立体的视觉效果。由于观察者可以不佩戴眼镜，因此这些技术非常适合在公共场所展示的大屏幕显示器，便于多人观赏。不过，裸眼3D显示技术的缺点也非常明显：人们在观看屏幕时，必须位于一定的范围内才能观察到立体画面，若距离屏幕位置太远，或观察角度太大的时候，3D效果并不明显。此外，若离屏幕距离太近，人会有明显的头晕现象，因此该技术暂时还不适合在小尺寸显示器上使用。此外，这种技术在显示效果方面相对较差。当前市面中裸眼3D显示技术主要有以下几种：１.光屏障式(Barrier)光屏障式3D技术也被称为视差屏障或视差障栅技术，其原理和偏振式3D较为类似，是由夏普欧洲实验室的工程师十余年的研究成功。光屏障式3D产品与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势，但采用此种技术的产品影像分辨率和亮度会下降。光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏。２.柱状透镜(LenticularLens)柱状透镜技术也被称为双凸透镜或微柱透镜3D技术，其最大的优势便是其亮度不会受到影响。柱状透镜3D技术的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。不过像素间的间隙也会被放大，因此不能简单地叠加子像素。让柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度。这样就可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。之所以它的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得到很好地保障。不过由于它的3D显示基本原理仍与视差障壁技术有异曲同工之处，所以分辨率仍是一个比较难解决的问题。３.指向光源(DirectionalBacklight)对指向光源(DirectionalBacklight)3D技术投入较大精力的主要是3M公司，指向光源(DirectionalBacklight)3D技术搭配两组LED，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序(sequential)方式进入观看者的左右眼互换影像产生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。前不久，3M公司刚刚展示了其研发成功的3D光学膜，该产品的面试实现了无需佩戴3D眼镜，就可以在手机，游戏机及其他手持设备中显示真正的三维立体影像，极大地增强了基于移动设备的交流和互动。优点：分辨率、透光率方面能保证，不会影响既有的设计架构，3D显示效果出色。缺点：技术尚在开发，产品不成熟。（五）全息技术全息照相相对于传统的摄影技术来说是一种革命性的发明。光作为一种电磁波有三个属性：颜色（即波长）、亮度（即振幅）和相位，传统的照相技术只记录了物体所反射光的颜色与亮度信息，而全息照相则把光的颜色、亮度和相位三个属性全部记录下来了。摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光波分为两束，一束直接射向感光片，另一束被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。一张全息摄影图片即使只剩下很小的一部分，依然可以重现全部景物。全息照相在理论上是一种