3D顯示技術(shù)原理及前景
摘要：本文將從目前市面上的3D顯示技術(shù)出發(fā),闡明3D 顯示的各種原理和優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹涉及關(guān)于3D 輸入和顯示方面的知識(shí)，例如HDMI 1.4A 規(guī)范中增加的3D 視頻規(guī)格，以及3D 終端顯示方面的知識(shí)，例如120Hz 和240Hz 屏的3D 處理、mini-LVDS、V-by-One、Internal DisplayPort (iDP™)等技術(shù)。
關(guān)鍵詞：3D display；3D video Format; Blue-Ray 3D；HDMI 1.4a 3D Video；DisplayPort 1.2； V-by-One® HS Standard version 1.3 ； Internal DisplayPort (iDP™)。
3D顯示技術(shù)原理
1、色差式3D 立體成像
色差式 3D 歷史最為悠久，成像原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低廉，但是3D 畫面效果也是最差的，需要配合色差式3D 眼鏡才能看到3D 效果。色差式3D先由旋轉(zhuǎn)的濾光輪分出光譜信息，使用不同顏色的濾光片進(jìn)行畫面濾光，使得一個(gè)圖片能產(chǎn)生出兩幅圖像，人的每只眼睛都看見不同的圖像。目前我們較為最常見的濾光片顏色通常是紅藍(lán)，紅綠，或者紅青，目前采用這種技術(shù)的影院已經(jīng)越來越少了，畢竟跟不上用戶體驗(yàn)度的需求。
優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)難度低，成本低廉。
缺點(diǎn)：3D 畫質(zhì)效果不理想，圖像和畫面邊緣容易偏色。
2、快門式3D 技術(shù)
快門式3D 技術(shù),使用一付主動(dòng)式LCD 快門眼鏡，交替開關(guān)左眼和右眼,讓左右眼看到的兩幅圖像在我們的大腦中融合成一體來實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生單幅圖像的3D 深度感。目前三星、LG 、SONY等國(guó)際大廠所推出的3D 電視主要使用的就是這種3D 顯示技術(shù)。在PC 領(lǐng)域的NVIDIA 的3D stereo、在投影領(lǐng)域的德州儀器的DLP Link，XPAND 3D 系統(tǒng)也都是屬于快門式3D 技術(shù)。
快門式3D 技術(shù)的原理是根據(jù)人眼對(duì)影像頻率的刷新時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，通過提高畫面的快速刷新率(至少要達(dá)到120Hz)，左眼和右眼個(gè)60Hz 的快速刷新圖象才會(huì)讓人對(duì)圖象不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)感，并且保持與2D 視像相同的幀數(shù)，觀眾的兩只眼睛看到快速切換的不同畫面，并且在大腦中產(chǎn)生錯(cuò)覺，便觀看到立體影像。主動(dòng)快門式眼鏡都采用的是液晶控制開合，通過液晶分子的運(yùn)動(dòng)控制左眼或右眼感知畫面，刷新頻率為60Hz，這樣就是為什么3D電視要求面板刷新率最低為120Hz 的原因。目前市面上有些機(jī)子的刷新頻率很低，達(dá)不到120Hz，所以在商場(chǎng)試機(jī)的時(shí)候會(huì)有明顯的閃爍，特別對(duì)著日光燈的時(shí)候，因?yàn)轭l率的不同步造成的閃爍感特別明顯。刷新頻率越低，閃爍感越大，120Hz其實(shí)才剛剛達(dá)到可用的要求，用過CRT顯示器的同學(xué)都知道，刷新率越高，畫面越穩(wěn)定，眼睛越不容易疲勞。在電視機(jī)端采用RF 或IR 的方式發(fā)射同步信號(hào)，眼鏡里的MCU 接收到信號(hào)后進(jìn)行處理，分離出R/L 的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)升壓電路做升壓處理（約10V）后作為眼鏡鏡片的開關(guān)電壓。此外，眼鏡里面還有一個(gè)3.7-4.2V 輸入降至3.6V 的DC-DC 用來給單片機(jī)供電，一個(gè)+5V 輸入（USB處取電）給鋰電池充電的充電電路。而由TI 制作的電視與投影機(jī)打出的DLP®-Link 白光快門訊號(hào)會(huì)直接由Xpand 公司制作的眼鏡接收，免除過去需額外組裝發(fā)射器的昂貴發(fā)射和接收系統(tǒng)。
優(yōu)點(diǎn)：資源相對(duì)較多，廠商宣傳推廣力度大，3D 效果出色。
缺點(diǎn)：快門眼鏡價(jià)格昂貴。
3、偏光式3D 技術(shù)
偏光式 3D 技術(shù)（即偏振式3D 技術(shù)），屬于被動(dòng)式3D 技術(shù)，眼鏡價(jià)格也較為便宜，目前3D 電影院、3D 液晶電視等很多采用偏光式3D 技術(shù)。偏光式3D 也細(xì)分出了很多種類，例如應(yīng)用于投影機(jī)行業(yè)的偏光式3D 技術(shù)，則需要兩臺(tái)以上性能參數(shù)完全相同的投影機(jī)才能實(shí)現(xiàn)3D 效果，而應(yīng)用于電視行業(yè)的偏光式3D 技術(shù)則需要畫面具有240Hz 或者480Hz 以上的刷新率，同時(shí)在屏上貼一種偏光膜，使畫面能從不同的方向傳送，而偏光眼鏡讓左右眼畫面分離成垂直和水平畫面，在大腦中交錯(cuò)重疊后實(shí)現(xiàn)3D 效果。
在偏光式 3D 系統(tǒng)中，目前市場(chǎng)中較為主流的有RealD 3D 系統(tǒng)、MasterImage 3D、杜比3D 系統(tǒng)三種。特別是RealD 3D 技術(shù)，其市場(chǎng)占有率最高，而且不受面板類型的影響，可以幫助任何支持3D 功能的電視和顯示器產(chǎn)生出高清3D 影像，擁有這項(xiàng)技術(shù)的RealD公司主要是通過技術(shù)授權(quán)進(jìn)行推廣。
優(yōu)點(diǎn)：偏光式眼鏡價(jià)格低廉，3D 效果出色，市場(chǎng)份額大。
缺點(diǎn)：安裝調(diào)試繁瑣，成本不便宜，畫面分辨率減半，難實(shí)現(xiàn)全高清。
4、裸眼式3D 技術(shù)
裸眼式3D 即看3D立體電視不需要帶眼鏡，目前國(guó)內(nèi)一些機(jī)場(chǎng)大廳上TCL所展示的3D顯示就是屬于這種方式。
裸眼式 3D 技術(shù)可分為光屏障式(Barrier)、柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)和指向光源(Directional Backlight)三種。由于人的雙眼觀察物體的角度略有差異，因此能夠辨別物體遠(yuǎn)近，產(chǎn)生立體的視覺。三維立體影像電視正是利用這個(gè)原理，把左右眼所看到的影像分離。3D 液晶電視的立體顯示效果，是通過在液晶面板上加上特殊的精密柱面透鏡屏，將經(jīng)過編碼處理的3D 視頻影像獨(dú)立送入人的左右眼，從而令用戶無需借助立體眼鏡即可裸眼體驗(yàn)立體感覺，同時(shí)能兼容2D 畫面。
優(yōu)點(diǎn)：裸眼式3D 技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)便是擺脫了眼鏡的束縛。
缺點(diǎn)：分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足，目前僅用在大型的公共場(chǎng)所。
5、光屏障式（Barrier）3D技術(shù)
光屏障式3D技術(shù)也被稱為視差屏障或視差障柵技術(shù)，其原理和偏振式3D較為類似，是由夏普歐洲實(shí)驗(yàn)室的工程師十余年的研究成功。光屏障式3D產(chǎn)品與既有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產(chǎn)性和成本上較具優(yōu)勢(shì)，但采用此種技術(shù)的產(chǎn)品影像分辨率和亮度會(huì)下降。光屏障式3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)開關(guān)液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向90°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過它們的光就形成了垂直的細(xì)條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術(shù)正是利用了安置在背光模塊及LCD面板間的視差障壁，在立體顯示模式下，應(yīng)該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋會(huì)遮擋右眼；同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋會(huì)遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3D影像。
優(yōu)點(diǎn)：與既有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產(chǎn)性和成本上較具優(yōu)勢(shì)
缺點(diǎn)：畫面亮度低，分辨率會(huì)隨著顯示器在同一時(shí)間播出影像的增加呈反比降低
6、柱狀透鏡(Lenticular Lens)3D技術(shù)
柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡3D技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)便是其亮度不會(huì)受到影響。柱狀透鏡3D技術(shù)的原理是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡，使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上，這樣在每個(gè)柱透鏡下面的圖像的像素被分成幾個(gè)子像素，這樣透鏡就能以不同的方向投影每個(gè)子像素。于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏，就看到不同的子像素。不過像素間的間隙也會(huì)被放大，因此不能簡(jiǎn)單地疊加子像素。讓柱透鏡與像素列不是平行的，而是成一定的角度。這樣就可以使每一組子像素重復(fù)投射視區(qū)，而不是只投射一組視差圖像。之所以它的亮度不會(huì)受到影響，是因?yàn)橹鶢钔哥R不會(huì)阻擋背光，因此畫面亮度能夠得到很好地保障。不過由于它的3D顯示基本原理仍與視差障壁技術(shù)有異曲同工之處，所以分辨率仍是一個(gè)比較難解決的問題。
優(yōu)點(diǎn)：3D技術(shù)顯示效果更好，亮度不受到影響
缺點(diǎn)：相關(guān)制造與現(xiàn)有LCD液晶工藝不兼容，需要投資新的設(shè)備和生產(chǎn)線。
7、指向光源（Directional Backlight）3D技術(shù)
對(duì)指向光源（Directional Backlight）3D技術(shù)投入較大精力的主要是3M公司，指向光源（Directional Backlight）3D技術(shù)搭配兩組LED，配合快速反應(yīng)的LCD面板和驅(qū)動(dòng)方法，讓3D內(nèi)容以排序（sequential）方式進(jìn)入觀看者的左右眼互換影像產(chǎn)生視差，進(jìn)而讓人眼感受到3D三維效果。前不久，3M公司剛剛展示了其研發(fā)成功的3D 光學(xué)膜，該產(chǎn)品的面試實(shí)現(xiàn)了無需佩戴 3D 眼鏡，就可以在手機(jī)，游戲機(jī)及其他手持設(shè)備中顯示真正的三維立體影像，極大地增強(qiáng)了基于移動(dòng)設(shè)備的交流和互動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率、透光率方面能保證，不會(huì)影響既有的設(shè)計(jì)架構(gòu)，3D顯示效果出色
缺點(diǎn)：技術(shù)尚在開發(fā)，產(chǎn)品不成熟
其他裸眼3D技術(shù)
在2009年4月，美國(guó)PureDepth公司宣布研發(fā)出改進(jìn)后的裸眼3D技術(shù)——MLD（multi-layer display多層顯示），這種技術(shù)能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實(shí)現(xiàn)在不使用專用眼鏡的情況下，觀看文字及圖畫時(shí)所呈現(xiàn)3D影像的效果。
另外，國(guó)內(nèi)廠商歐亞寶龍旗下的Bolod裸眼3D顯示器如今已經(jīng)發(fā)展到第四代，產(chǎn)品也全部實(shí)現(xiàn)高清顯示，在國(guó)內(nèi)的3D顯示行業(yè)處于領(lǐng)先位置。
3D顯示技術(shù)的發(fā)展前景
1、3D市場(chǎng)無比混亂
無比混亂的市場(chǎng)可以說是3D市場(chǎng)目前面臨最大的難題。作為一種新型的顯示技術(shù)，3D技術(shù)目前正處于蓬勃發(fā)展的階段，但是整個(gè)3D行業(yè)卻無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不僅消費(fèi)者暈頭轉(zhuǎn)向，有些廠商的技術(shù)人員也為之頭疼。就在筆者撰寫此文的時(shí)候，也為眾多說法不一的3D技術(shù)為之撓頭。
如果想讓整個(gè)市場(chǎng)取得革命性的突破，那么制定相關(guān)的3D行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也就成了迫在眉睫的事情。在3D內(nèi)容制作、媒介傳輸、信號(hào)接口、顯示解碼等諸多環(huán)節(jié)均建議相應(yīng)的規(guī)范，讓廠商在生產(chǎn)研發(fā)之時(shí)有章可循，也還消費(fèi)者一個(gè)明明白白。
2、3D使部分觀眾眩暈
大部分觀眾看完《阿凡達(dá)》都連聲叫好，但是我們也不應(yīng)忽視部分因?yàn)?/span>3D版《阿凡達(dá)》而出現(xiàn)眼干、眼痛、頭暈、惡心等癥狀的觀眾，據(jù)報(bào)道還有觀眾觀影后突發(fā)急性青光眼。據(jù)筆者了解，目前已經(jīng)有不少專業(yè)眼科醫(yī)生建議青光眼、屈光不正、眼肌有問題的觀眾放棄觀看3D版《阿凡達(dá)》。
3D畫面是虛實(shí)交匯的，這些動(dòng)感的虛畫面會(huì)讓人們聚焦眼球很困難，長(zhǎng)時(shí)間觀看很容易出現(xiàn)頭暈、頭痛。另外，電影院內(nèi)光線比較暗，觀眾瞳孔自然就會(huì)放大，另外3D畫面對(duì)于眼睛刺激性也特別大，眼壓也會(huì)隨之升高，出現(xiàn)眼干、眼痛等癥狀。
3、3D資源稀少
想看1080p高清視頻？網(wǎng)上隨便一搜便琳瑯滿目。但是3D內(nèi)容呢？雖然支持3D的游戲已經(jīng)多達(dá)百款，但是每年在影院放映的3D電影還寥寥無幾，其他諸如3D圖片等資源更是為數(shù)稀少，在這種情況下，消費(fèi)者又有什么理由耗費(fèi)數(shù)倍的價(jià)錢去購買一款“華而不實(shí)”的產(chǎn)品呢？
對(duì)于3D產(chǎn)品廠商來說，從行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來看，將全部熱情撲在產(chǎn)品的研發(fā)推廣毫無疑問是錯(cuò)誤的。作為普通的消費(fèi)者，筆者只有親身體驗(yàn)震撼逼真的3D效果，并且了解到市
場(chǎng)中充斥著為數(shù)甚多的3D資源才會(huì)選購3D顯示設(shè)備，相信有著這樣想法的也不止筆者一位。
4、大多3D產(chǎn)品不支持1080p全高清
也許在一兩年后，此問題便以得到徹底解決，但是從目前的情況來不支持1080p全高清的3D設(shè)備還是占據(jù)了大部分的市場(chǎng)。好不容易才感受到了1080p的清晰逼真，現(xiàn)在卻讓我為3D而選擇放棄，相信沒有幾位消費(fèi)者會(huì)答應(yīng)。
好在3D技術(shù)經(jīng)過10余年的發(fā)展，終于在近些年突破了這一瓶頸，大多已能夠支持1080p內(nèi)容?？梢灶A(yù)見的是，以后的大屏幕3D顯示設(shè)備均兼容1080p高清，二者缺一不可。
5、戴3D眼鏡有諸多不便
戴3D眼鏡不方便的問題是針對(duì)眼鏡式3D技術(shù)而言的，但是在目前市場(chǎng)中，裸眼式3D產(chǎn)品寥寥無幾，大眾消費(fèi)者默認(rèn)為3D技術(shù)都是需要戴眼鏡的。話題再回到《阿凡達(dá)》上來，據(jù)部分媒體報(bào)道，在《阿凡達(dá)》熱映期間，各種3D眼鏡在淘寶上銷售創(chuàng)造了新高峰，看來人們對(duì)電影院電影的舒適度、大小、效果等還是有很多擔(dān)心。經(jīng)過幾十年的歷程，3D技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展。當(dāng)然，對(duì)于我們這些普通消費(fèi)者來說，也沒必要了解如此繁雜的3D技術(shù)，我們需要的只是效果更出色，實(shí)現(xiàn)難度更低，價(jià)格更低廉的3D顯示產(chǎn)品而已。盡管3D電視和電影還沒有普及，但研究者們已經(jīng)在開發(fā)下一代3D技術(shù)了。他們的奮斗目標(biāo)是：可裸眼觀看的三維顯示器和可虛擬觸摸、操作的3D圖像。這里我們主要闡述裸眼式三維顯示，即自由立體顯示技術(shù)，不需要佩戴立體眼鏡等附屬設(shè)備的3D顯示技術(shù)。
視差擋板式裸眼3D技術(shù)及柱透鏡式裸眼3D技術(shù)發(fā)展前景廣泛
1、視差擋板式裸眼3D
視差擋板就是在光路加上一些遮蔽物，把部分方向的光遮住，只讓某些角度的光可以傳出去。
擋板的位置經(jīng)過精密計(jì)算，可以左眼像素（綠色）只被左眼看到，右眼像素（紅色）只被右眼看到。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)及制作比較簡(jiǎn)單
缺點(diǎn)：分辨率下降，亮度下降
2、柱透鏡式裸眼3D
基本原理是在面板前方，放上經(jīng)過精確計(jì)算的透鏡來改變光線的方向。由左眼像素發(fā)出的光，會(huì)經(jīng)過透鏡的折射，都進(jìn)入左眼的區(qū)域，同樣的右眼的像素也只進(jìn)入右眼。
優(yōu)點(diǎn)：亮度沒有損失
缺點(diǎn)：分辨率下降，柱透鏡加工精度要求較高
綜合以上的技術(shù)，目前所提出的各種方式都仍有其優(yōu)缺點(diǎn)，但隨著時(shí)間的進(jìn)步，這些問題也漸漸的被解決，正如當(dāng)初的彩色顯示器代替了黑白顯示器，液晶顯示器代替CRT顯示器一樣，隨著顯示技術(shù)的革新，沒有輔助設(shè)備的三維顯示技術(shù)代替平面顯示技術(shù)將是必然趨勢(shì)。隨著科技的不斷發(fā)展，相信3D技術(shù)會(huì)越來越完善，同時(shí)給人們提供更美好的視聽享受。
參考文獻(xiàn)：
【1】《V-by-One HS Standard Ver1.2 Abridged Edition》
【2】《THine releases V-by-One HS Standard version1.3》
【3】《EPI_Specification1.0》
【4】《HDMI Spec1 1.4a 3D Extraction》
【5】秦開懷 羅建利 《自由立體顯示技術(shù)及其發(fā)展》 《中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)》 14卷10 期
【6】李克彬 李世其 《3D顯示技術(shù)的最新研究進(jìn)展》《計(jì)算機(jī)工程》29卷 12 期
【7】周建強(qiáng).趙燕偉.Zhou jianqian.Zhao Yanwei LED分色分光機(jī)定位測(cè)試裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì) -機(jī)械傳動(dòng)2010,34(7)
【8】萬睿.李志敏.張鳳陽.張晶.黃凡.Wan Rui.Li Zhimin.Zhang Fengyang.Zhang Jing.Huang Fan 一種改善全彩LED顯示屏色差影響的方法 -燈與照明2007,31(3)
【9】杜尖鋒 大功率LED分色分光機(jī)定位測(cè)試裝置的虛擬樣機(jī)研究 2009
【10】閔芳勝 全自動(dòng)大功率LED分光分色機(jī)的開發(fā)研究 2009
申先生微信
伍先生微信
