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不戴眼镜也能看! 六种3D显示技术全解析

我爱方案网| 3D,显示,裸眼| 2011-08-28
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中心议题:
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    *  裸眼式3D技术介绍
    *  3D市场分析
解决方案:
    *  眼镜式——色差式、快门式、偏光式
    *  裸眼式——光屏障式、柱状透镜、指向光源


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不戴眼镜也能看! 六种3D显示技术全解析


你看《阿凡达》了吗?是不是3D版?

2010年伊始,国人讨论《阿凡达》的频率已经超过了吃饭和天气。因为《阿凡达》,3D技术在2009年的寒冬彻底火了一把。“3D太逼真了,绝对的身临其境,电影中的子弹打过来你绝对会下意识的躲避!”——看过3D版《阿凡达》的人总是在这样津津乐道。


但是笔者今天告诉你的是“3D不仅只有阿凡达,立体生活其实很简单”。3D成为了当之无愧的核心关键词;从电视、显示器到投影机、MP4等显示设备已经全部推出了3D产品;2010年南非世界杯实现了3D转播;专门提供3D画面的电视台于2010年正式开播;电影巨头梦工厂宣布2009年之后制作的动画片都是3D形式;支持3D的游戏已经数以百计;互联网上已经有了3D网页……


继高清之后,3D已经成为显示设备下一个重心。虽然无数读者对3D已经耳熟能详,但是3D究竟是什么,3D能给我们带来什么,我们需要为3D付出什么,3D技术有什么缺点呢?大部分的读者还有着这样的疑问。今天,笔者就和大家一起对3D技术进行剥丝抽茧,对3D技术进行全面系统的了解。

D是英文Dimension(线度、维)的字头,3D便是指三维空间。相比普通的2D画面,3D更加立体逼真,让观众有身临其境的感觉。目前的3D技术可以分为裸眼式和眼镜式两种,裸眼式3D技术目前主要应用在工业商用显示方面(以后还将应用于手机等显示设备中);眼镜式3D技术则集中于消费级市场,此次世界上观看《阿凡达》采用的全部是眼镜式3D技术。如果细分的话,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,而裸眼式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。下面笔者就为大家简单的介绍一下这六种3D技术的原理和优缺点。

 



眼镜式3D技术

色差式

色差式3D历史最为悠久,成像原理简单,实现成本低廉,但是3D画面效果也是最差的,需要配合色差式3D眼镜才能看到3D效果。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。目前我们较为最常见的滤光片颜色通常是红/蓝,红/绿,或者红/青,目前采用这种技术的影院以及越来越少了。

优点:技术难度低,成本低廉
缺点:3D画质效果不是最好,画面边缘易偏色

快门式

快门式3D技术主要是通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)来实现3D效果,属于主动式3D技术。当3D信号输入到显示设备(诸如显示器、投影机等)后,120Hz的图像便以帧序列的格式实现左右帧交替产生,通过红外发射器将这些帧信号传输出去,负责接收的3D眼镜在刷新同步实现左右眼观看对应的图像,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(摄像机拍摄不出来效果),便观看到立体影像。


NVIDIA的3D stereo、德州仪器的DLP Link还有XPAND 3D系统都是均属于快门式3D技术。从片源来看,快门式3D技术的资源也最为丰富,刷新率提升到120Hz的视频和游戏均可实现3D立体效果。得益于NVIDIA在显卡市场中的领先地位,和德州仪器DLP在投影机市场占据半壁江山优势,快门式3D技术在电脑和投影机行业已经成了3D技术的代名词。但是快门式3D技术的一大制约便是眼镜的价格,由于属于主动式眼镜,所以成本和售价较高,很多消费者难以接受。

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

偏光式
偏光式3D也叫偏振式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液晶电视等大多采用的是偏光式3D技术。和快门式3D技术一样,偏光式3D也细分出了很多种类,比如应用于投影机行业的偏光式3D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,从实现的方式二者也存在很多差别。


 
 

 


在偏光式3D系统中,目前市场中较为主流的有RealD 3D系统、MasterImage 3D、杜比3D系统三种。特别是RealD 3D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,目前已经和东芝、索尼、JVC、三星等公司达成了合作,在3D影院方面其占有率也遥遥领先。

 

杜比3D数字影院由内置了3D颜色管理的杜比服务器、杜比3D滤光轮组件和杜比3D眼镜组成,其设计理念和优势就是采用被动式眼镜和适用于白色银幕。需要注意的是,杜比3D系统可以直接安装在数字放映机的灯泡和成像元器件之间,其滤光便相当于DLP投影机中的色轮,换言之,杜比3D数字影院使用了德州仪器DLP投影机的成像核心。

使用中,杜比3D滤光轮置于现行标准数字放映机内部,在灯泡和光引擎之间,可以减轻光引擎的压力,而且成像之前已完成分色,所以不会降低图像质量;旋转的滤光轮分出光谱信息不同的两份红、绿、蓝,经过特殊设计的眼镜则在左右眼只能分别接收到各自的光谱信号;使用杜比3D数字电影系统,2D和3D电影只需使用一个文件包即可,通过1U大小的杜比3D滤光轮控制器(DFC)保持滤光轮与放映机同步,杜比3D滤光轮可下降进入光路、呈现3D效果,也可上升避开光路、呈现2D效果,避免了双母版带来的麻烦;而且DFC操作极为简便,通过面板一键控制滤光轮的升降,并且面板可直观显示三种工作状态。

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

裸眼式3D技术


在前文中我们提到了裸眼式3D技术大多处于研发阶段,并且主要应用在工业商用显示市场,所以大众消费者接触的不多。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(Directional Backlight)三种。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚,但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足。

在显示行业新品展会上,笔者已经有幸见到了近十款裸眼式3D显示设备。在观看的时候,观众需要和显示设备保持一定的位置才能看到3D效果的图像(3D效果受视角影响较大),3D画面和常见的偏光式3D技术和快门式3D技术尚有一定的差距。不过可以告诉读者的是,液晶面板行业巨头友达光电,研发巨头3M等已经在积极进行研发,预计部分裸眼式3D显示设备将于今明两年实现量产。

 



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上时,不透明的条纹会遮挡左眼,通过将左眼和右眼的可视画面分开,使观者看到3D影像。

优点: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
缺点:画面亮度低,分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低

柱状透镜(Lenticular Lens)技术
柱状透镜(Lenticular Lens)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。

优点:3D技术显示效果更好,亮度不受到影响
缺点:相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容,需要投资新的设备和生产线。

指向光源(Directional Backlight)技术



对指向光源(Directional Backlight)3D技术投入较大精力的主要是3M公司,指向光源(Directional Backlight)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

 



其他裸眼3D技术


在2009年4月,美国PureDepth公司宣布研发出改进后的裸眼3D技术——MLD(multi-layer display多层显示),这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板,实现在不使用专用眼镜的情况下,观看文字及图画时所呈现3D影像的效果。

另外,国内厂商欧亚宝龙旗下的Bolod裸眼3D显示器如今已经发展到第四代,产品也全部实现高清显示,在国内的3D显示行业处于领先位置。当然,由于非市场主流,对于MLD技术和Bolod裸眼3D显示器,我们此次只做简单的了解,不做深入技术性探讨。

对于3D显示技术,消费者也并非一片叫好声,笔者便听到了不少反对的声音。下面笔者便将这些观点整理发表,让大家时刻保持清醒的头脑,切不可盲目追随。

一、3D市场无比混乱

无比混乱的市场可以说是3D市场目前面临最大的难题。作为一种新型的显示技术,3D技术目前正处于蓬勃发展的阶段,但是整个3D行业却无统一标准,不仅消费者晕头转向,有些厂商的技术人员也为之头疼。就在笔者撰写此文的时候,也为众多说法不一的3D技术为之挠头。


如果想让整个市场取得革命性的突破,那么制定相关的3D行业标准也就成了迫在眉睫的事情。在3D内容制作、媒介传输、信号接口、显示解码等诸多环节均建议相应的规范,让厂商在生产研发之时有章可循,也还消费者一个明明白白。

二、3D使部分观众眩晕


大部分观众看完《阿凡达》都连声叫好,但是我们也不应忽视部分因为3D版《阿凡达》而出现眼干、眼痛、头晕、恶心等症状的观众,据报道还有观众观影后突发急性青光眼。据笔者了解,目前已经有不少专业眼科医生建议青光眼、屈光不正、眼肌有问题的观众放弃观看3D版《阿凡达》。


3D画面是虚实交汇的,这些动感的虚画面会让人们聚焦眼球很困难,长时间观看很容易出现头晕、头痛。另外,电影院内光线比较暗,观众瞳孔自然就会放大,另外3D画面对于眼睛刺激性也特别大,眼压也会随之升高,出现眼干、眼痛等症状。

三、3D资源稀少

想看1080p高清视频?网上随便一搜便琳琅满目。但是3D内容呢?虽然支持3D的游戏已经多达百款,但是每年在影院放映的3D电影还寥寥无几,其他诸如3D图片等资源更是为数稀少,在这种情况下,消费者又有什么理由耗费数倍的价钱去购买一款“华而不实”的产品呢?

对于3D产品厂商来说,从行业长远的发展来看,将全部热情扑在产品的研发推广毫无疑问是错误的。作为普通的消费者,笔者只有亲身体验震撼逼真的3D效果,并且了解到市场中充斥着为数甚多的3D资源才会选购3D显示设备,相信有着这样想法的也不止笔者一位。

 



四、大多3D产品不支持1080p全高清


也许在一两年后,此问题便以得到彻底解决,但是从目前的情况来不支持1080p全高清的3D设备还是占据了大部分的市场。好不容易才感受到了1080p的清晰逼真,现在却让我为3D而选择放弃,相信没有几位消费者会答应。

好在3D技术经过10余年的发展,终于在近些年突破了这一瓶颈,大多已能够支持1080p内容。可以预见的是,以后的大屏幕3D显示设备均兼容1080p高清,二者缺一不可。

五、戴3D眼镜有诸多不便

“我本来就已经戴了一副近视眼镜,看3D电影的时候还要在外面加一副3D眼镜,鼻梁压的生疼不说,那个3D眼镜还又脏又破,看电影的过程中一个劲的往下掉。”——刚刚看完《阿凡达》的同事小王这样诉苦。


戴3D眼镜不方便的问题是针对眼镜式3D技术而言的,但是在目前市场中,裸眼式3D产品寥寥无几,大众消费者默认为3D技术都是需要戴眼镜的。话题再回到《阿凡达》上来,据部分媒体报道,在《阿凡达》热映期间,各种3D眼镜在淘宝上销售创造了新高峰,看来人们对电影院电影的舒适度、大小、效果等还是有很多担心。

3D代表着显示技术的终结了吗?非也!相信已经有部分前卫的读者听过“4D影院”、“全息影像”等新鲜名词了,那么这些指的又是什么呢?笔者在此也为大家顺便做简单的介绍。

 


 


4D影院是在3D影院的基础上发展起来的,除了传统的3D视觉震撼之外,还还根据影片的情节精心设计出烟雾、雨、光电、气泡、气味、布景、人物表演等效果。和传统的3D电影相比,观众在观看4D影片时除了视觉、听觉外还能感受到触觉、嗅觉等全方位感受。目前4D电影片源更为稀少,观众选择范围有限,笔者暂时也没有发现正式的商业4D电影。

 


全息影像目前也在飞速的发展中,诸如《星球大战》、《特种部队之眼镜蛇的崛起》等电影中的部分情节已经为我们展示了全息影像技术在未来应用的可能。另外,CNN报道奥巴马竞选总统期间,全息影像对于处于不同地点主持人之间进行互动也提供了不小的帮助。从严格意义上来讲,全息影像并不属于3D技术的范畴之内。

如果想看到全息影像,首先要对拍摄设备进行改良。在拍摄全息画面的时候,摄影机不仅需要记录物体上的反光强度,也要记录位相信息。在观看的时候则需要借助透明度高的介质构成的多棱锥,然后经过光学的反射才能看到立体效果。作为一种新兴技术,全息影像技术的清晰度、容量等问题还没有得到妥善的解决,观看全息电影的时间更是遥远。

写在最后:经过几十年的历程,3D技术取得了迅猛的发展。当然,对于我们这些普通消费者来说,也没必要了解如此繁杂的3D技术,我们需要的只是效果更出色,实现难度更低,价格更低廉的3D显示产品而已。对于3D技术,我们已经等了几十年,现在是否意味着迎来曙光了呢?关于3D技术的更多详情,尽请关注太平洋电脑网投影机频道,我们也在随时关注3D行业的进展。

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