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N 种裸眼3D显示技术全解析

我爱方案网| 裸眼3D,显示技术,[ZT-032]| 2012-01-09
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中心议题:
    * N 种裸眼3D显示技术全解析
解决方案:
    * 光屏障式(Barrier)
    * 柱状透镜(Lenticular Lens)技术
    * 指向光源(Directional Backlight)技术
    * DFD(Depth-Fused 3D)
    * MLD(multi-layer display多层显示)


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2010年初,余观影《阿凡达》感觉立体显示技术贯穿始终,大有席卷整个数字领域之势;同时立体显示技术的产品如雨后春笋般接踵而出,譬如3D电视、3D显示器、3D显示屏等,目前已经有包括三星在内的多家显示器厂商都推出了免佩戴专业眼镜就能看到3D立体画面的显示设备。但是我们在体验炫动的画面时,必须要戴上一副视觉感光度极差的3D眼镜,这套负累的配套设备确实使人颇感不便,于是追求完美的人们便把目光转向了无辅助立体显示技术。

无辅助立体显示技术虽然抛弃了立体眼镜的包袱,但其显示效果会如何大家不免有疑问。由于无辅助显示技术现在大多处于研发阶段并且主要应用在工业领域,大众接触的并不多。我的论文关注最多的就是裸眼3D显示技术。

谈起裸眼3D显示技术首先要说立体显示技术。人眼看物体时,人的两只眼睛同时观察物体,不但能扩大视野而且能判断物体的远近,从而产生立体感;这是由于人的两只眼睛同时观察物体时,在视网膜上形成的像并不完全相同,左眼看到物体的左侧面较多,右眼看到物体的右侧面较多,这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后远近,从而产生立体视觉,并衍生出立体显示技术。立体显示技术主要分为眼镜式3D显示技术和无辅助立体显示技术(即裸眼3D显示技术),如下图示。



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。由于观察着可以不佩戴眼镜,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。

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。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。

2.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。

 


3.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

4.其他裸眼3D显示技术

DFD(Depth-Fused 3D)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half mirror,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。

在2009年4月,美国PureDepth公司宣布研发出改进后的裸眼3D显示技术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。

除3D桌面显示器外,手机、PDA等掌上设备的显示屏幕也将会采用裸眼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3D OLED面板。考虑到便携性,这类手机3D屏幕不要求人们佩戴专用的3D眼镜。除三星外索尼等其他厂商也相继推出了相关技术的产品,其原理就是通过覆盖在屏幕上的一层特殊的“透镜”来实现立体显示的。它可以把小型显示屏中显示的图像“分开”为两幅略微不同的画面,并分别送入左右眼中,让画面变得立体并且看起来有深度。由于该“透镜”的厚度极薄,人用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。

随着技术的进步,纵观3D显示技术已成功应用到了数字显示领域,3D显示技术和普通消费者的距离已经越来越近了;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,如分子结构模型展示、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。而作为新起之秀的裸眼3D显示技术必将青出于蓝而胜于蓝,未来裸眼3D显示技术发展前景不可限量!相信随着3D显示技术进一步成熟,我们今后会在生活的各个领域中看到3D显示设备的身影。




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