3D显示技术基础

3D3D显示技术基础显示技术基础 什么是3D电视? 3D是Three Dimensions的缩写，就是三维立体。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。3D电视正是利用这 个原理，把左右眼所看到的影像分离。目前最常用的时分3D液晶电视是通过在 液晶面板上轮流播放左右眼的信号，用户借助同步开关的立体眼镜，将经过编码 处理的3D视频影像独立送入人的左右眼。与普通2D画面显示相比，3D技术可以 使画面变得立体逼真，图像不再局限于屏幕的平面上，仿佛能够走出屏幕外面， 让观众有身临其境的感觉。 尽管3D显示技术分类繁多，不过最基本的原理 是相似的，就是利用人眼左右分别接收不同画 面，然后大脑经过对图像信息进行叠加重生， 构成一个具有前-后、上-下、左-右、远-近等 立体方向效果的影像。 3D的发展历程 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是不同的”发明了一种立体 眼镜，让人们的左眼和右眼在看同样图像时产生不同效果，这就是今天3D眼镜的原理。 3D成像技术最远可以追溯到1844年，一位名字叫做D.B的外国人通过一个立体镜拍下了世 界上最早的3D照片。 1915年，全球首部3D电影《爱的力量》（The Power of Love）开始摄录并制作，并于 1922年正式公映。1935年，首部彩色3D电影面世。 20世纪50年代是3D发展的黄金时期，美国开始出现不少3D电影作品，迪士尼、环球国际、 哥伦比亚等知名片商在内都开始投资3D电影。不过由于当时很多影院不具备3D投放条件，出于 盈利目的，片商还是把绝大部分精力放在2D电影的制作上来。 80年代中期，IMAX开始制作首部3D纪实片。1986年，迪士尼主题公园和环球影城上映了 由迈克尔·杰克逊出演的3D影片。 2009年12月，由詹姆斯·卡梅隆执导，耗资5亿美元的电影巨作《阿凡达》同时以2D、2D IMAX、3D、3D IMAX等多种版本在全球公映，掀起了全球3D热潮。 2008年，日本有线BS 11频道开始播送3D节目。2010年4月，天空传媒开办3D电视频道。 2010年6月，ESPN开设新的3D体育频道，一年内将进行85项赛事的3D转播。 2010年6月，南非世界杯成为史上首次进行3D转播的世界杯比赛。 拍下世界最早的3D照片的立体镜 最早的3D电影 3D球赛 3D影像的形成 3D影像因何而生？归结起来就是“视觉移位”。人的两眼左右相 隔在6厘米左右，这意味着假如你看着一个物体，两只眼睛是从左 右两个视点分别观看的。左眼将看到物体的左侧，而右眼则会看到 它的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时，左右两面 的印象合起来，就会得到最后的立体感觉。当观看者只以单眼来观 看景物时，因为没有了视差，所以立体感也会随之消失。而这种获 得立体感的效应就是“视觉位移”。 立体视觉的3个条件： Ø需要左右眼两路影像 Ø两路影像是不同的，具有正 确的视差 Ø左右眼的影像要完全分离， 左影像进左眼，右影像进右眼。 3D影像的形成 立体视觉的构成 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 厘米的间隔，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。当观看者只以单眼来观看景物时，因为没有了视差，所以立 体感也会随之消失 3D 立体相机 藉由工具辅助来观看 3D 立体图片 观看立体空照图用的立体镜 3D技术分类 目前的3D技术可以分为裸眼式和眼镜式两大类。裸眼3D目前 主要用于公用商务场合，将来还会应用到手机等便携式设备上。而 在家用消费领域，无论是显示器、摄影机或者电视，现在都是需要 配合3D眼镜使用。 一、眼镜式3D技术 可分为色差式、快门式和偏光式（也叫色分法、时分法、光 分法）三种。 二、裸眼式3D技术 可分为透镜阵列、屏障栅栏和指向光源三种，每种技术的原 理和成像效果都有一定的差别。 一、眼镜式3D技术 1、色差式3D显示 色差式3D显示技术也称为分色立体成像技术，是用两台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。通过对应的红蓝等立体眼镜对色 彩进行红色和蓝色的过滤呈现出立体效果的画面，红色的影像通过红色镜片蓝色 通过蓝色镜片，两只眼睛看到的不同影像在大脑中重叠呈现出3D立体效果。 与色差式3D技术配合使用的是被动式红-蓝（或者红-绿、红-青）滤色3D眼 镜。这种技术历史最为悠久，成像原理简单，实现成本相当低廉，眼镜成本仅为 几块钱，但是3D画面效果也是最差的。 色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信 息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤 光，使得一个图片能产生出两幅图像，人 的每只眼睛都看见不同的图像。这样的方 法容易使画面边缘产生偏色。 色差式3D画面用裸眼观看时的效果 一、眼镜式3D技术 2、主动快门式3D 主动快门式3D技术通过提高画面的刷新率来实现3D效果，首先把图像按帧 一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来，同时红外信号 发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在正确的 时刻看到相应画面。这项技术能够保持画面的原始分辨率，很轻松地让用户享受 到真正的全高清3D效果，而且不会造成画面亮度降低。 为保证画面无抖动感， 刷新频率至少要120Hz，左右眼各60Hz。 目前主动快门3D技术是3D电视的主 流。 主动快门式3D技术，配合主动 式快门3D眼镜使用。这种3D技术 在电视和投影机上面应用得最为广 泛，资源相对较多，而且图像效果 出色，受到很多厂商推崇和采用， 不过其匹配的3D眼镜价格较高。 一、眼镜式3D技术 一、眼镜式3D技术 3D 立体眼镜特点： 1、主动运作。 2、配备接受电路与电池。 3、采用红外同步方式。 4、影响画面的亮度。 一、眼镜式3D技术 3D液晶快门眼镜 它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，左右眼各自看到 该看到的画面，加上人眼的视觉暂留生理特性，就可以达成立体显示的效果。 VCC 1 DM 2 DP 3 ID 4 G N D 5 主板上MINIUSB口5V 3D-SYNC 红外发射盒连接线 IR发射 眼镜 3D-SYNC：60HZ， 50%占空比的方波，低 电平指示右眼图像，眼 镜接收到低电平后把右 眼打开，高电平指示左 眼图像，眼镜接收到高 电平后把左眼打开 3D眼镜同步信号 一、眼镜式3D技术 一、眼镜式3D技术 当显示器输出左眼图像时，左眼镜片为透光状态，而右眼为不透光状态，而 在显示器输出右眼图像时，右眼镜片透光而左眼不透光，这样两只眼镜就看到了 不同的画面，达到欺骗眼睛的目的。以这样地频繁切换来使双眼分别获得有细微 差别的图像，经过大脑计算从而生成一幅3D立体图像。 由于液晶式 3D 立体眼镜不需要滤色或偏光等特殊构造的播放设备就能呈 现，只需要提升播放设备画面更新频率及添加同步讯号发送装置即可，因此可适 用于大尺寸多人观赏需求，是目前最广泛应用于 3D 电视等民生娱乐领域的方式。 由于画面是采左右交替方式播放，同一时间内只有一只眼睛能看到画面，因 此当开启 3D 立体显示模式时，画面刷新频率会变为原本的一半。如果只搭配现 有的每秒 60 次更新标准规格时，画面刷新频率会降到每秒 30 次，让观看者感 受到明显的闪烁。因此目前各厂商所推出的方案都是将屏幕刷新频率加倍到每秒 120 次，来避免闪烁的问题。 液晶式 3D 立体眼镜由于必须主动运作，因此构造上比被动式 3D 立体眼镜 复杂，虽然播放设备的成本较低，不过眼镜的成本高出不少。以目前主流的红外 线同步方式来说，就必须配备额外的接收控制电路与电池。而且液晶镜片的交错 遮蔽会影响画面的亮度。 3、偏光式3D技术 偏光式3D也叫偏振式3D技术，属于被动式3D技术，它是利用光线有“振动 方向”的原理来分解原始图像的，先通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振 光两组画面，然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左 右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。偏光式3D技术也叫偏振式 3D技术，配合使用的是被动式偏光眼镜。偏光式3D技术的图像效果比色差式 好，而且眼镜成本也不算太高，目前比较多电影院采用的也是该类技术，不过对 显示设备的亮度要求较高。 一、眼镜式3D技术 偏光式3D技术与色差3D区别： 从成像示意图看有诸多相似之处，都是同时播出两幅图像，由眼镜来提取左右眼图像，在人的大脑中形成立体 画面。但是，它们分解图像的方式不同，同时眼镜提取图像的方式也不同，色差3D是通过滤色片来取出图像，会影 响画面的色彩，而偏光3D通过过滤光线来完成图像的提取，自然图像效果较好。 偏光式3D，但对输出设备的要求较高。应用于电视行业的偏光式3D技术则需要画面具有240Hz以上的刷新率。 目前3D立体电影较多采用偏光式技术。 偏光式 3D 立体眼镜 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。 一、眼镜式3D技术 目前在偏光式3D系统中，市场中较为主流的有RD 3D、Msl3D、杜比3D三种，RD 3D技术市 占率最高，且不受面板类型的影响，可以使任何支持3D功能的电视还原出3D影像。不过这种技术会 使画面分辨率减半，很难实现真正的全高清3D影像，而且画面亮度也会被大大降低。在液晶电视 上，应用偏光式3D技术要求电视具备240Hz以上刷新率。 1.1.眼镜价格比较昂贵眼镜价格比较昂贵 2.2.部分画面会有轻微闪烁感部分画面会有轻微闪烁感 1.1.应用广泛，资源较多应用广泛，资源较多 2.2.效果出色，容易实现全高清效果出色，容易实现全高清 3.3.画面亮度不会被降低画面亮度不会被降低 4.4.蓝光蓝光3D3D标准采用此技术标准采用此技术 主动快门式主动快门式 1.1.画面分辨率减半，难实现全高清画面分辨率减半，难实现全高清 2.2.画面亮度被降低画面亮度被降低 1.1.效果比色差式好效果比色差式好 2.2.眼镜相对便宜眼镜相对便宜偏光式偏光式 1.3D1.3D效果较差效果较差 2.2.画面边缘容易偏色画面边缘容易偏色 1.1.成像原理简单，早期被应用较多成像原理简单，早期被应用较多 2.2.成本低廉，眼镜便宜成本低廉，眼镜便宜色差式色差式 缺点缺点优点优点3D3D技术类型技术类型 三种眼镜式3D技术的比较 一、眼镜式3D技术 3D偏光表现方式： 偏光表现方法，有放映机投影方式，半反射镜合成表现方式，液晶光径变换表现方式 等等；这是一种将左映像和右映像重迭在同一面，再以偏光眼镜将左右眼的影像分离的方 法。用偏光眼镜将影像分离的方式，让影像看起来具有立体感的结像基本原理，结像的位 置，是让左右的影像重迭在同一面的表现方式。 影像表现方式和偏光眼镜的偏光轴方向，是呈90度交差，有＋型和X型两种。X型的 话，会随着左右的偏光轴方向不同，呈现出八字形(/\)和V字形(V)的形状。一般都是设置 「左：45度，右：135度」的/\偏光轴比较多 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。这项技术又称为“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。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。由于 裸眼 3D 立体显示在技术上仍有许多限制，因此主要用于个人化小型化的显 示用途 。 从技术上来看，裸眼式3D可分为光屏障式（Barrier）、柱状透镜 (Lenticular Lens)技术和指向光源（DirectionalBacklight）。 根据运作模式又分可为空间多功式和分时多功式两大类。 二、裸眼式3D技术 1、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」。 A、柱状透镜式 3D 立体显示（Lenticular Lenses）。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。 由于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。 二、裸眼式3D技术 二、裸眼式3D技术 柱状透镜方式的历史久远，应用范围也相当广泛，包括平面印刷或是屏幕显 示器都能运用此方式来呈现 3D 立体画面，市面上常见的立体垫板等产品就是利 用相同的原理所制作。除了呈现立体影像之外，柱状透镜还能用来呈现会随观看 角度而变化的影像。 由于柱状透镜可以在多个角度下产生立体效果，因此可以适用於多人观看的 应用，不过在不合适的角度观看时会出现影像重叠的状况。一般的柱状透镜是固 定贴附在屏幕表面，而且是以单一方向排列，因此无法切换显示模式，水平解析 度会降为原本的一半，画质也会受到透镜折射影响，屏幕旋转 90 度时就会无法 呈现立体感。不过也有厂商研发在柱状透镜中注入液晶来改变聚焦特性的技术， 可关闭透镜的折射效果切换成 2D 模式。 B、视差屏障式 3D 立体显示（Parallax Barriers） 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。 采用可开关的液晶薄膜来充当视差屏障，视差屏障式 3D 立体显示是目前最 广泛应用于可携式装置的方式。 二、裸眼式3D技术 二、裸眼式3D技术 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。由于是采用遮蔽方式来达成立体显示效果，必须将屏幕分为左右两 画面显示，因此水平解析度会降为原本的一半，而且画面亮度会下降。之外还会 还有观看距离、角度与方向的限制，必须在规定的距离与角度内观看，画面转 90 度时就会无法呈现立体感。 日立 3D 液晶面板特色解说示意图 可开关的液晶视差屏障示意图 视差屏障式 3D 广泛应用于可携式游戏显示装置 采用可开关的液晶薄膜来充当视差屏障，就能透过液晶屏障的开关来切换 2D / 3D 显示模式，液晶屏障排列方式也可以制作成水平与垂直两种方向，配合 横拿与直拿的需求切换。 二、裸眼式3D技术 二、裸眼式3D技术 2、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，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 二、裸眼式3D技术 深度融合式 3D 立体显示是将两片液晶面板前后重叠在一起，分别在前后两 片液晶面板上以不同亮度显示前景与后景的影像，藉由实体的深浅差异来呈现出 景深效果。 由于深度融合式并不像其他方式是以模拟两眼视差来产生立体感，而是让画 面真正具备前景与后景的差别，能让观看者两眼视线的焦点自然落在画面位置并 感受到景深，因此观看时眼睛比较不容易感到疲劳。不过受限于前后景重叠时的 角度偏移不能太大，因此适合观看的角度有限，加上需要重叠两片液晶面板来构 成，因此体积较大成本较高。 深度融合式 3D 立体显示不属于多工方式，产品问世已久不过应用层面有限。 日立研发的深度融合式 3D 立体显示屏幕 3D电视相对于传统电视的优势与不足 3D电视之所以在今年被各大厂商不约而同地作为产品推广的重点，并非只是偶然或者巧 合，而更像是电视行业的大势所趋。相对于传统的电视机而言，3D电视能够呈现出来的图像不 再局限于平面，画面大小也不再受屏幕大小的约束，观众会仿佛看到海豚在自己身边优雅游 动，鸟儿从头顶轻轻掠过，足球朝你的面门飞速袭来……这些场景都是以往平面成像的电视所 难以表达出来的。 由于3D电视还刚开始投放市场，产品不成熟的地方还是有的。首先最突出的就是部分人看 3D容易出现眩晕现象。由于每个人的眼睛构造存在差异，例如双眼间距不同、屈光度不同、感 光和辨色能力不同、镜片到眼球距离不同等等，而3D的拍成像和眼镜设计只能依照大部分人的 常规数据来进行，对于一些数据外的人群，可能就很难适应了。最近针对这方面问题，国外已 经出台相关规定，禁止低龄儿童和患眼疾人士佩戴3D眼镜。 主动快门式眼镜价格昂贵。除了购买3D 电视的开销，以市面上一副100美元的均价来计 算，三口之家需要花费300美元来购买眼镜，同 时还必须另外再花50-80美元购买控制同步信号 的发射器，这对于大部分消费者而言，又是一笔 相当可观的支出。而且眼镜需要使用电池，电池 可能会出问题；又或者眼镜有了其它小毛病，维 修费用肯定不低。 再次，虽然3D电视可以呈现更加生动逼真 的影像效果，但是如果失去了丰富的片源支持， 电视台无法提供精彩的节目内容，即使通过3D 形式，也会觉得索然无味。