3D顯示技術(shù)的原理說明

2010年，電影《阿凡達》火爆上映，國人親身體驗了3D顯示技術(shù)的震撼效果，身臨其境的觀看感受讓人長時間津津樂道。3D的立體視覺效果讓人們有了前所未有的“真實”的視覺體驗。實際上，繼高清之后，3D已經(jīng)成為顯示設(shè)備的下一個重心

在驚嘆科技帶來的改變的同時，我們有必要了解一下3D技術(shù)的今生前世，看看那些2D圖片是如何躍出紙面的。

3D影像因何而生?

人類的雙眼是橫向并排，之間大約有 6～7 厘米的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有些微的差異，這個差異被稱為“視差”，大腦會解讀雙眼的視差并藉以判斷物體遠近與產(chǎn)生立體視覺。

我們就從人眼談起。人的兩眼相隔在6厘米左右，這意味著假如你看著一個物體，兩只眼睛是從左右兩個視點分別觀看的。左眼將看到物體的左側(cè)，而右眼則會看到她的中間或右側(cè)。當(dāng)兩眼看到的物體在視網(wǎng)膜上成像時，左右兩面的印象合起來，就會得到最后的立體感覺。而這種獲得立體感的效應(yīng)就是“視覺位移”。

如果在制作一部3D電影時，用兩臺攝影機模擬左右兩眼視差，分別拍攝兩條影片，然后將這兩條影片同時放映到銀幕上，放映時加入必要的技術(shù)手段，讓觀眾左眼只能看到左眼圖像，右眼只能看到右眼圖像。最后兩幅圖像經(jīng)過大腦疊合后，我們就能看到具有立體縱深感的畫面。這就是我們所說的3D影像。

早在19世紀(jì)攝影技術(shù)剛剛起步時，人們就用2臺性能和參數(shù)完全相同的相機并列，模擬人的左右兩眼，同時拍下兩張有著細微差異的相片，之后再透過平行視線法、交叉視線法，或者類似雙筒望遠鏡的專屬觀看設(shè)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(xiàn)“視差”，藉以模擬出立體視覺。

隨著立體顯示技術(shù)在電視廣播、視頻游戲、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，三維顯示已從電影銀幕向電視終端、計算機終端、智能手機終端、平板電腦終端等發(fā)展。

目前主流的三維顯示包括立體視覺、頭盔式顯示器、CAVE、裸眼立體顯示器和真三維顯示等。3D顯示技術(shù)主要分為眼鏡類3D顯示技術(shù)與裸眼類3D顯示技術(shù)兩大類型。

眼鏡類3D顯示技術(shù)

眼鏡類3D顯示技術(shù)，我們又可以細分出三種主要的類型：色差式、偏光式和主動快門式，也就是平常所說的色分法、光分法和時分法。

色分法——色差式3D顯示技術(shù)

色分式俗稱為紅藍眼鏡式，最突出的特點是觀看時所配的眼鏡有兩片不同顏色的鏡片組成，通常一片為紅色，另一片為藍色或者綠色。這種技術(shù)早在1915年就被發(fā)明并進行了商業(yè)應(yīng)用，也是最早普及的一種3D顯示技術(shù)。我們?nèi)舾赡昵霸谟螛穲鲋惖膱鏊吹?D動畫，幾乎都是采用這種技術(shù)實現(xiàn)的。

我們知道紅色、綠色和藍色被稱為三原色，自然界中的任何顏色都可以由這三種顏色合成，而這三種顏色本身是互斥的，沒有任何的交集。色分式3D系統(tǒng)正式利用了三原色互斥的特性。

內(nèi)容的拍攝部分沒有任何區(qū)別，只是在后期制作、播放過程中，左圖像只保留三原色中的一種顏色，而右圖像則只保留三原色中另一種顏色。而觀眾所配戴色分眼鏡也是由這兩種顏色的鏡片組成。通過色分眼鏡對左右圖像進行分離，保證左眼看到左圖像，而右眼看到右圖像。左右兩幅圖像經(jīng)過大腦的合成，最終呈現(xiàn)出一幀立體圖像。

色分式由于采用了互斥的三原色，因此左右兩幀圖像即使沖印到同一張底片上，在放映時也可以利用色分眼鏡進行完美的分離。正式具有這個特性，現(xiàn)有的顯示設(shè)備，如電視機、顯示器、投影儀等，在不進行升級的情況下就可以進行這種3D影像的顯示。同時，色分式3D系統(tǒng)的造價很低廉。

然而，色分式3D系統(tǒng)最大缺陷在于其只采用了三原色中的兩種，另一種被丟棄了。因此，在實際顯示中偏色非常嚴重，顯示效果大打折扣。正式由于這個缺陷，導(dǎo)致色分式3D系統(tǒng)趨于淘汰。

光分法——偏光式3D技術(shù)

“光分式”也被稱為“偏振式”。顧名思義，這種技術(shù)利用了偏振光的特點。

我們知道，光波是一種橫波（震動方向垂直于傳播方向），是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉(zhuǎn)換的震動形成的。我們通常將其電場的震動方向稱為光波的震動方向，自然光在各個方向上的震動是均勻的，因而也被稱為非偏振光。如果一束光在任意一個特定的時刻只在一個特定的方向上震動，則這束光就是偏振光。

偏振光可以通過偏振鏡獲得，偏振鏡就是一個柵欄，其具有震動方向。當(dāng)一束自然光通過偏振鏡時，偏振鏡只會這束自然光中與其震動方向一致的一部分光通過，而其他不一致的部分都會被過濾掉。

而當(dāng)一束偏振光經(jīng)過偏振鏡時，如果這束偏振光的震動方向與偏振鏡的震動圓偏振光振動方向一致，這束偏振光則全部被允許通過；反之，如果這束偏振光的震動方向與偏振鏡的震動方向不一致，這束偏振光則全部被過濾掉。光分式系統(tǒng)正是利用了這一原理。

當(dāng)系統(tǒng)進行顯示時，將左、右圖像同時顯示在屏幕上。不過左右兩幅圖像在顯示在屏幕上之前會經(jīng)過不同偏振鏡的過濾，如上圖所示：左圖像用垂直方向的偏振鏡進行過濾，成為在垂直方向上震動的偏振光；而右圖像則采用水平方向的偏振鏡進行過濾，成為在水平方向上震動的偏振光。

與之相對應(yīng)的是，觀眾所配戴的偏振眼鏡的左鏡片的震動方向為垂直方向，右鏡片的震動方向為水平方向。這樣就能保證做圖像最終被觀眾的左眼所看到，而右圖像被觀眾的右眼所看到，兩幅圖像經(jīng)過大腦的合成最終形成一幅具有三維立體感的3D圖像。

偏振光具體上分為線性偏振光與圓偏振光兩種。在任意一個特定時刻，線偏振光和圓偏振光都只在一個特定方向上震動。而隨著時間的變化，線偏振光保持震動方向不變，而圓偏振光的震動方向在垂直于光線傳播方向的平面上旋轉(zhuǎn)。而旋轉(zhuǎn)方向又分為左旋和右旋。

早期的光分式3D系統(tǒng)多采用線性偏振光，而采用線性偏振光最大的缺點是觀眾觀看姿勢必須盡量保持不變。如果觀眾歪頭或側(cè)身，則眼鏡的偏振方向會變得與光線的偏振方向不一致，3D效果會變差，甚至?xí)?dǎo)致觀看者頭暈、頭痛等現(xiàn)象。

圓偏振光的引入則比較有效的改善了線偏振光的缺點。圓偏振光系統(tǒng)與線偏振光系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)沒有任何的區(qū)別，只是將垂直偏振鏡與水平偏振鏡替換為左旋偏振鏡與右旋偏振鏡。

光分式的3D成像效果較好，造價相對較低。該技術(shù)現(xiàn)階段主要被各種3D影院系統(tǒng)所采用，如RealD，IMAX等。光分式最大的問題在于沒有完美的偏振鏡，也無法過濾出完美的偏振光。

因而觀眾所配戴的偏振眼鏡無法對左右圖像進行完美的分離，因而導(dǎo)致總有一部分左圖像的光線進入右眼，而一部分右圖像光線進入左眼。雖然從比例上講很少，但足以導(dǎo)致3D效果的下降，以及導(dǎo)致一部分觀眾觀看過程中的不適，如頭暈、頭痛。

時分法——主動快門式3D顯示技術(shù)

主動快門式3D技術(shù)在原理上比前兩個更加簡單，它直接通過快速交替關(guān)閉一只鏡片的方式，讓雙眼在不同時間接收完全不同的畫面。只要屏幕的刷新率和眼鏡的開關(guān)頻率完美的配合成120Hz以上，便可以讓每只眼睛都得到60Hz刷新率的連貫流暢畫面。

相對于前兩者，主動快門式3D顯示具有更多的優(yōu)勢，它不會產(chǎn)生紅（琥珀）藍3D 的光化學(xué)損傷問題，成本及兼容性代價方面也要優(yōu)于偏振式3D技術(shù)。因此目前主動快門式3D顯示正在快速的進入市場并進入普及階段。但因為主動快門式3D技 術(shù)存在鏡片開合操作，因此或多或少都會產(chǎn)生閃爍感，這是目前主動快門式3D技術(shù)最大的技術(shù)問題。

這種3D技術(shù)在電視和投影機上面應(yīng)用得最為廣泛，資源相對較多，而且圖像效果出色，受到很多廠商推崇和采用，不過其匹配的3D眼鏡價格較高。

裸眼類3D顯示技術(shù)

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(xiàn)出的圖像色彩灰度的不同，而使人眼產(chǎn)生視覺上的錯覺，將顯示的2D圖像感知為3D圖像。

眼鏡類的3D顯示技術(shù)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(xiàn)3D效果。而裸眼類的3D顯示技術(shù)則是通過調(diào)節(jié)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(xiàn)3D效果。

如今的裸眼類3D顯示技術(shù)，組合了目前人類最新面板制造技術(shù)和引擎軟件技術(shù)，一方面，在生產(chǎn)制造方面，采用在液晶面板前方配置雙凸透鏡的全景圖像方式顯示，即在同一個屏幕上，以分割區(qū)域顯示（空間多功裸眼3D技術(shù)）和切割時間顯示（分時多功裸眼3D技術(shù)）來實現(xiàn)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(shù)，將已有的2D圖像和3D圖像的左右兩眼的視差，轉(zhuǎn)換為9視差的3D圖像。

裸眼類3D顯示技術(shù)目前主要有：光柵式、柱狀透鏡式、全像投影式、體積式、分時多工式等幾種

光柵式3D顯示技術(shù)

光柵式與眼鏡類3D顯示技術(shù)最大的區(qū)別在于：觀看光柵式3D顯示系統(tǒng)時不需要配戴眼鏡，裸眼就可以進行3D影像的觀看。由于這個特點，光柵式3D技術(shù)引起了很多廠商的重視，技術(shù)和應(yīng)用上也得到了很大的發(fā)展。

在具體的實現(xiàn)細節(jié)上，光柵式又細分為狹縫光柵式與柱狀透鏡式。

狹縫光柵式的顯示器件被劃分為一些豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。而在顯示器件的前方則有一些柱狀的狹縫光柵。這些光柵的作用在于能夠允許左眼看到左圖像，阻擋右眼看到左圖像；同時光柵允許右眼看到右圖像，阻擋左眼看到右圖像；

而柱狀透鏡式與狹縫光柵式的區(qū)別在于將顯示器件前的狹縫光柵替換為柱面透鏡，如右圖所示：顯示器件同樣被劃分為豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。利用顯示器件前面的柱面透鏡的折射作用，左圖像的光線射向左眼位置，而有圖像的光線射向有眼位置。左右兩幅圖像最終經(jīng)過大腦的合成，最終呈現(xiàn)出一幀立體圖像。

光柵式的優(yōu)點很明顯：觀看者不需要配戴眼鏡；其缺點同樣明顯：

（1）觀看者只能站在幾個固定的角度才能出現(xiàn)立體效果

（2）現(xiàn)階段的清晰度也非常低；

（3）工藝難度與成本都很高，尤其難以在大屏幕上實現(xiàn)；

（4）而且無法與2D兼容。

由于以上特點，光柵式3D技術(shù)主要被一些電視機廠家用來研發(fā)、生產(chǎn)用于廣告牌等展示用途的設(shè)備。

全息投影式3D顯示技術(shù)

全息照相投影相對于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)來說是一種革命性的發(fā)明。光作為一種電磁波有三個屬性：顏色（即波長）、亮度（即振幅）和相位，傳統(tǒng)的照相技術(shù)只記錄了物體所反射光的顏色與亮度信息，而全息照相則把光的顏色、亮度和相位三個屬性全部記錄下來了。

全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光波分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息。

人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只剩下很小的一部分，依然可以重現(xiàn)全部景物。

全息照相在理論上是一種很完美的3D技術(shù)，從不同角度觀看，觀看者會得到一幅角度不同的3D圖像。其它的3D顯示技術(shù)都無法做到這一點。全息照相可應(yīng)用于無損工業(yè)探傷、超聲全息、全息顯微鏡、全息攝影存儲器、全息電影和電視。但是由于技術(shù)的復(fù)雜，全息投影照相技術(shù)目前還沒有得到商業(yè)應(yīng)用。

體積式3D顯示技術(shù)

體積式是由德儀所開發(fā)的激光3D投影技術(shù)，以激光光照射在一個高速旋轉(zhuǎn)盤上的散射現(xiàn)象，于一個玻璃密閉空間內(nèi)顯示立體物件的每一個點，并組成立體影像。但缺點在于投影物件體積受到限制，且越靠近中央轉(zhuǎn)軸解析度越低。

分時多工3D顯示技術(shù)

分時多工技術(shù)又稱為指向背光板技術(shù)。以一組指向性背光板搭配快速反應(yīng)面板，快速切換顯示左、右眼影像讓使用者觀看形成3D影像。

隨著技術(shù)的進步， 3D顯示技術(shù)已成功應(yīng)用到了數(shù)字顯示領(lǐng)域，3D顯示技術(shù)和普通消費者的距離已經(jīng)越來越近了，而作為新起之秀的裸眼3D顯示技術(shù)必將青出于藍而勝于藍，裸眼3D技術(shù)在實現(xiàn)成品化、成熟化后。不僅可以實現(xiàn)了裸眼看3D，而且還可以保證3D立體出屏效果的震撼，解決戴著眼鏡看3D的束縛與困擾，開拓出一個自由自在享受3D的空間。