2010年新年伊始，電影《阿凡達(dá)》就在中國(guó)刮起了一陣“阿凡達(dá)”熱，一度出現(xiàn)了一票難求的景象。到目前爲(wèi)止，其國(guó)內(nèi)票房已經(jīng)突破7億元人民幣，成爲(wèi)內(nèi)地市場(chǎng)首部票房超過(guò)1億美元的電影。而就全球票房來(lái)看，其突破《泰坦尼克號(hào)》18.4億美元的票房記錄，榮登史上最賣座電影稱號(hào)沒(méi)有懸念。毫無(wú)疑問(wèn)，成就《阿凡達(dá)》票房神話的元?jiǎng)资淄?D顯示技術(shù)。無(wú)獨(dú)有偶，在剛剛落幕的CES（國(guó)際消費(fèi)電子展）上，3D同樣成爲(wèi)最大的熱點(diǎn)。與此同時(shí)，3D內(nèi)容的制作也進(jìn)入了快車道，好萊塢正在謀劃拍攝更多的3D電影，美國(guó)和歐洲今年將有3D電視頻道開(kāi)播。這一切預(yù)示著3D顯示技術(shù)的新時(shí)代即將到來(lái)，2010年也許就是3D顯示技術(shù)的元年。在這樣一個(gè)時(shí)刻，你是否了解3D顯示終因此如何實(shí)現(xiàn)的、這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展到一個(gè)什麼樣的階段、未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)還會(huì)帶給我們?cè)诰什麼樣的驚喜？
三種3D顯示技術(shù)
3D顯示（或稱立體成像）技術(shù)有幾百年的歷史。從原理上大體可分為三大類：立體圖像對(duì)技術(shù)(Stereo Pair)、體顯示技術(shù)(Volumetric Displays)、全息技術(shù)(Holography)。
立體圖像對(duì)是目前發(fā)展最成熟也是應(yīng)用最廣泛的3D顯示技術(shù)，戴立體眼鏡看3D電影和裸眼就能看到立體結(jié)果的顯示屏基本上基于這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。它的基本原理是，先産生場(chǎng)景的兩個(gè)視圖或多個(gè)視圖，然後用某種機(jī)制（如佩戴眼鏡）將不同視圖分別傳送給左右眼，確保每只眼睛只看到對(duì)應(yīng)的視圖而看不到其他視圖。如果觀察者無(wú)需佩戴立體眼鏡即可看到立體結(jié)果，則稱爲(wèi)“裸眼立體顯示”。
雖然立體圖像對(duì)技術(shù)能夠提供立體感，但它本質(zhì)上只是空間中兩張或多張平面圖像，通過(guò)“欺騙”人眼視覺(jué)系統(tǒng)而立體成像。這類技術(shù)會(huì)使人眼産生矛盾的晶狀體焦距調(diào)節(jié)和視線彙聚調(diào)節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間觀看會(huì)産生視覺(jué)疲勞。而體顯示技術(shù)與之不同，它物理上顯示了三個(gè)維度，能在空間中産生真正的3D結(jié)果。成像物體就像在空間中真實(shí)存在，觀察者能看到科幻電影中一般“懸浮”在半空中的3D透視圖像。從數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)說(shuō)，平面圖像對(duì)應(yīng)了二維數(shù)組，每個(gè)元素被稱爲(wèi)像素；而三維圖像對(duì)應(yīng)三維數(shù)組，每個(gè)元素被稱爲(wèi)體素。體顯示技術(shù)正是在空間中表現(xiàn)了這個(gè)三維數(shù)組。
依據(jù)是否有機(jī)械結(jié)構(gòu)，體顯示可分為兩種實(shí)現(xiàn)方法，掃描體顯示(Swept Volume)和靜態(tài)體顯示(Static Volume)。掃描體顯示技術(shù)使用高速旋轉(zhuǎn)的平面反照光線，并通過(guò)視覺(jué)記憶而立體成像。一個(gè)成功的產(chǎn)品是Actuality系統(tǒng)公司的Perspecta 3D顯示器。而靜態(tài)體顯示的典型產(chǎn)品是Felix3D公司的SolidFelix，它以含有稀土元素的晶體作為顯示介質(zhì)，使用兩束相干激光照射晶體內(nèi)部空間點(diǎn)發(fā)光。另一個(gè)靜態(tài)體顯示技術(shù)的產(chǎn)品是DepthCube系統(tǒng)，它使用20塊液晶屏層疊而成，任何時(shí)刻只有一塊屏工作，其他基本上晶瑩的，而圖像也只投射到工作的顯示屏上。DepthCube在這20塊屏上快速切換顯示3D物體截面從而產(chǎn)生縱深感。
全息技術(shù)是使用光波的干涉和衍射原理記載并再現(xiàn)物體的真實(shí)感的一種成像技術(shù)。全息照片記載了物體拍攝時(shí)的干涉條紋，重現(xiàn)時(shí)用相干光源照射全息照片，依據(jù)光的衍射而立體成像。全息技術(shù)再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺(jué)效應(yīng)。除用光波產(chǎn)生全息圖外，現(xiàn)在已發(fā)展到可用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖，然而需要的計(jì)算量極其巨大。全息術(shù)應(yīng)當(dāng)是3D顯示的終極解決方案，但目前還有很多技術(shù)問(wèn)題有待解決，短期內(nèi)難有成熟產(chǎn)品量產(chǎn)。
立體眼鏡的作用
衆(zhòng)所周知，看3D版的《阿凡達(dá)》需要戴一種眼鏡。這種眼鏡是起什麼作用的？原來(lái)，觀察立體圖像對(duì)時(shí)，需要一種機(jī)制分離左右眼圖像，使左眼只看到左圖，右眼只看到右圖。立體眼鏡所起的就是這種作用。
曾經(jīng)有一種外觀很像望遠(yuǎn)鏡的立體鏡，左右鏡頭直接將相應(yīng)視圖送到左右眼，然而這種裝置只能供單人觀看。使用單一顯示設(shè)備並允許多人觀看的常用方法是幀切換技術(shù)。左右視圖交替在屏幕上顯示，一種遮擋機(jī)制使得播放左視圖時(shí)遮住右眼，播放右視圖時(shí)遮住左眼。早期人們使用機(jī)械裝置在顯示刷新時(shí)遮擋對(duì)應(yīng)的眼睛。而新技術(shù)使用光電方法完成遮擋，立體眼鏡也更輕便。
液晶屏可以用來(lái)制作高速切換的快門眼鏡，這是使用了液晶分子加電時(shí)重新排列從而改變液晶屏晶瑩性的原理。電子脈沖使鏡片變得晶瑩，允許光通過(guò)。沒(méi)有電脈沖時(shí)，鏡片不晶瑩，眼睛就看不到圖像。顯示設(shè)備可以是電腦顯示器也可以是投影儀。左右鏡片的電脈沖隨顯示設(shè)備上的左右視圖交替而交替，快門眼鏡需要通過(guò)紅外連接或電纜連接與顯示設(shè)備同步。由于被左右兩路視圖輪流占用，顯示設(shè)備要達(dá)到120Hz以上的刷新率才能幸免畫質(zhì)閃爍。與下面介紹的偏振式立體眼鏡相比，快門眼鏡裏因有光電控制設(shè)備因而造價(jià)較高。
偏振立體眼鏡使用了光的偏振特征。顯示設(shè)備外表附有一個(gè)偏振控制器，根據(jù)左右視圖播放輪流産生偏振方向相互鉛直的偏振光。觀察者佩戴的偏振眼鏡配合顯示設(shè)備的偏振光，其結(jié)果相當(dāng)于遮擋快門。當(dāng)左視圖顯示時(shí)，顯示設(shè)備發(fā)出的偏振光平行于左眼鏡片的偏振方向，左眼能看到左視圖，而右眼鏡片偏振方向與之鉛直不能看到左視圖。右視圖顯示時(shí)，情況與之相反。
如果使用投影方法，可以安裝兩個(gè)投影儀幸免左右視圖切換，圖像看上去也較亮。這就是我們?cè)诰所說(shuō)的雙機(jī)放映。一個(gè)投影儀播放左視圖，另一個(gè)同步播放右視圖。兩個(gè)投影儀鏡頭使用方向互鉛直的偏振片。然而，使用兩個(gè)投影儀總會(huì)給調(diào)節(jié)圖像帶來(lái)很多困難，因爲(wèi)來(lái)自不同投影儀的左右視圖需要對(duì)齊，亮度要一致，圖像大小要一致。由于兩個(gè)投影鏡頭位置不也許重合，投影圖像的梯形畸變不能完全一致。爲(wèi)最小化兩投影圖像的差異，兩個(gè)投影儀通常上下排列。
偏振圖像看上去較暗，這是因爲(wèi)經(jīng)過(guò)偏振後光不能有效地傳播。如果使用投影設(shè)備，投影屏幕最好塗有一層不會(huì)消偏振的材料。影院裏采用軟金屬屏放映的結(jié)果比白屏要好，就是因爲(wèi)金屬屏幕幾乎不破壞偏振光。但采用偏振方法的立體顯示設(shè)備通常播放端造價(jià)較高，而偏振眼鏡很便宜，對(duì)于大批觀衆(zhòng)也不會(huì)增加很多成本，因此對(duì)于電影院和商業(yè)展覽是一個(gè)好的選擇。
裸眼3D電視如何呈現(xiàn)立體結(jié)果
不用戴眼鏡就能看到立體圖像的技術(shù)被稱爲(wèi)“裸眼立體顯示技術(shù)”，裸眼3D電視就屬于這一類。裸眼立體顯示可以通過(guò)在一般平面顯示器前放置狹縫光柵或柱鏡光柵實(shí)現(xiàn)。圖1以雙視圖爲(wèi)例示意性說(shuō)明白其原理。顯示器的像素沿水平方向被分爲(wèi)兩組，譬如一組爲(wèi)奇數(shù)列的像素，另一組爲(wèi)偶數(shù)列的像素。這兩組像素被分別用來(lái)顯示左右視圖，或者說(shuō)，左右視圖以列交錯(cuò)的方法顯示在屏幕上。
圖a在顯示器平面前放置狹縫光柵，狹縫方向豎直並與像素分組配合。狹縫光柵類似于生活中的柵欄，光只能從狹縫中通過(guò)。觀察者前後調(diào)整與顯示器的距離，在某個(gè)特定距離下，透過(guò)狹縫每只眼睛剛好能看到屬于其中一個(gè)視圖的那組像素，而不能看到屬于另一個(gè)視圖的像素。這種結(jié)果也可由柱鏡光柵實(shí)現(xiàn)（如圖b所示），柱鏡光柵由細(xì)長(zhǎng)的半圓柱形透鏡排列而成，其焦點(diǎn)落在顯示屏外表，柱鏡將像素發(fā)出的光平行投射出去。柱鏡位置要與像素位置嚴(yán)格配準(zhǔn)，使不同視圖像素發(fā)出的光到達(dá)不同的眼睛。
狹縫光柵制作成本較低，但狹縫光柵法擋住了一部分光，圖像看上去較暗。柱鏡光柵加工精度要求高，同時(shí)由于顯示平面發(fā)熱還要考慮柱鏡材料的熱脹冷縮系數(shù)，這個(gè)問(wèn)題在制作大尺寸顯示器時(shí)尤爲(wèi)突出。這兩種光柵實(shí)現(xiàn)方法一般適用于液晶顯示器或等離子顯示器，而不適用于舊式的CRT顯示器，因爲(wèi)CRT顯示器的像素顯示位置會(huì)有漂移從而影響立體成像。光柵也可以用于紙質(zhì)印刷品上，這就是我們?cè)诰見(jiàn)到的立體相冊(cè)和立體畫。
雖然光柵法能實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示，但不能保證在職意位置都能看到立體結(jié)果，它有一個(gè)最優(yōu)觀看距離。從附圖可以看出，在最優(yōu)距離下左右移動(dòng)頭部有50%的機(jī)會(huì)看到的是左右顛倒的圖像，而不能立體成像。如果不在這個(gè)最優(yōu)觀看距離上，則會(huì)進(jìn)一步減少看到立體結(jié)果的機(jī)會(huì)。增加視圖的個(gè)數(shù)可以改善這種情況，F(xiàn)在國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品化的裸眼立體顯示器多采用8個(gè)視圖，此時(shí)在最優(yōu)距離下也有1/8的也許性看不到正確的立體匹配。然而，增加視圖數(shù)量卻是以犧牲清晰度爲(wèi)代價(jià)。不同視圖的像素按特定交錯(cuò)方法顯示在屏幕上，視圖總數(shù)越多，屬于每個(gè)視圖的像素?cái)?shù)就越少，立體成像的辨別率也就越低。
除光柵法外，還有很多其他方法實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示，如前面提到的幀切換方法和多投影儀方法。幀序列方法用單一的顯示設(shè)備高速切換顯示多視圖，每個(gè)視圖在時(shí)間上是斷續(xù)的，但其在空間辨別率上沒(méi)有損失。爲(wèi)提高空間中的可視區(qū)域需要增加視圖個(gè)數(shù)，而這對(duì)幀切換方法的顯示設(shè)備刷新率要求很高，這種方法還只停留在實(shí)驗(yàn)室裏。多投影儀方法的立體成像在空間辨別率上沒(méi)有損失，時(shí)間上也是連續(xù)的。它的要緊問(wèn)題是設(shè)備成本太高，因爲(wèi)每增加一個(gè)視圖就要增加一個(gè)投影儀。另外，多投影儀間的對(duì)齊校準(zhǔn)也較爲(wèi)複雜。
3D顯示技術(shù)前景看好
近年來(lái)，許多研究機(jī)構(gòu)都在立體顯示原理方面做了廣泛深入的探索，如英國(guó)的劍橋大學(xué)、美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)、日本早稻田大學(xué)、澳洲科廷理工大學(xué)都有實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行相關(guān)的研究。而工業(yè)界則注重將技術(shù)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品化，如荷蘭的飛利浦已經(jīng)在裸眼立體顯示器方面做出成熟國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。日本的夏普和日立則將三維屏幕應(yīng)用得益機(jī)上。中國(guó)臺(tái)灣廠商奇美電子、友達(dá)光電在提高立體顯示性能方面積極展開(kāi)研發(fā)。國(guó)內(nèi)廠商天津三維、超多維和創(chuàng)圖視維也推出多種自主知識(shí)産權(quán)的立體顯示國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。
在今年國(guó)際電子消費(fèi)展上，松下展示了一塊152英寸四倍高清（4096×2160像素）的三維等離子顯示屏。索尼發(fā)布了不同尺寸的最新3D高清電視系列。LG推出首個(gè)具有3D功能的超薄高清電視，刷新率達(dá)到480Hz。三星則展出不戴眼鏡就能欣賞的3D電視。國(guó)內(nèi)廠商海信也展出55英寸LED背光3D電視。
有了3D電視，還要有3D節(jié)目源。英國(guó)天空電視臺(tái)已經(jīng)公布今年內(nèi)將啓動(dòng)歐洲首個(gè)3D電視頻道。美國(guó)娛樂(lè)和體育電視臺(tái)(ESPN)將從今年6月起用3D方法轉(zhuǎn)播南非世界杯。美國(guó)探索發(fā)現(xiàn)頻道也將同索尼公司和IMAX公司合作，于2011年推出24小時(shí)不間斷播出的3D頻道！栋⒎策_(dá)》等3D影片的成功上映將促使電影産業(yè)朝立體化方向邁進(jìn)，好萊塢將推出越來(lái)越多的立體電影，夢(mèng)工廠、迪士尼制作的動(dòng)畫片將全部使用立體格式，而一大批經(jīng)典電影也將制作成立體電影重新上映。
然而，立體電視走入家庭估計(jì)不能像彩色電視取代黑白電視、高清畫質(zhì)取代標(biāo)清畫質(zhì)那麼順利。第一是立體片源缺少，立體視頻的拍攝和制作比傳統(tǒng)視頻複雜很多，原有的二維視頻轉(zhuǎn)成三維視頻仍需大批手工操作；其次是觀看立體畫面需要購(gòu)置全新的立體顯示設(shè)備，而立體電視機(jī)目前還較爲(wèi)昂貴；其三是目前主流的立體顯示技術(shù)仍需要佩戴眼鏡，這改變了人們通？措娨暬螂娪暗牧(xí)慣。另外，立體圖像對(duì)技術(shù)並不是物理空間中的真正的立體影像，它實(shí)際上欺騙了人眼視覺(jué)系統(tǒng)而産生的立體“錯(cuò)覺(jué)”，長(zhǎng)時(shí)間觀看這種圖像會(huì)産生眼部不適。盡管有這些問(wèn)題的存在，但是立體顯示正在走入我們?cè)诰的生活，技術(shù)的日新月異正在給我們?cè)诰帶來(lái)全新的視覺(jué)體驗(yàn)。
鏈 接：看3D電影為什么會(huì)頭暈
很多看完《阿凡達(dá)》3D版電影的人都有頭暈的感受。究其原因是因爲(wèi)現(xiàn)在的3D電影采用的是立體圖像對(duì)的3D顯示技術(shù)，可以說(shuō)只假如采用這種技術(shù)，就會(huì)引起一定程度的頭暈。
如正文所述，采用立體圖像對(duì)形成3D影像時(shí)，需要兩個(gè)視圖。這兩個(gè)視圖通常由兩個(gè)並排放置的相機(jī)同步拍攝獲得，兩個(gè)相機(jī)應(yīng)該保全光軸平行，並具有雷同的光學(xué)特征，如焦距、視角大小、感光度等。相機(jī)沒(méi)有校準(zhǔn)對(duì)齊就會(huì)引起頭部疼痛、眼睛疲勞、惡心或其他不適癥狀。成像點(diǎn)與顯示屏之間的距離大小也應(yīng)有一定範(fàn)圍，因爲(wèi)人眼視覺(jué)系統(tǒng)要在左右視圖中搜索匹配對(duì)應(yīng)點(diǎn)。如果正視差（即成像點(diǎn)在顯示屏之後）過(guò)大，會(huì)産生兩眼視線分離，即左眼向左看，右眼向右看。負(fù)視差（即成像點(diǎn)在顯示屏之前）過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致對(duì)眼。另外，立體圖像縱深變化過(guò)快也會(huì)引起人眼不適。
雙視圖立體成像還會(huì)使人眼視覺(jué)系統(tǒng)的晶狀體聚焦調(diào)節(jié)和視線彙聚調(diào)節(jié)相互矛盾。爲(wèi)看到投影平面上的清晰圖像，眼睛會(huì)調(diào)節(jié)焦距使之適合于這個(gè)平面的空間深度。而當(dāng)左右眼視圖中的對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)匹配之後，如果雙眼視線交叉點(diǎn)不在投影平面上，也就是說(shuō)人眼感知的空間點(diǎn)在投影平面的前方或後方，眼睛就要再次調(diào)節(jié)晶狀體焦距適應(yīng)于這個(gè)空間點(diǎn)的深度。而這反過(guò)來(lái)使投影平面上的圖像不能在視網(wǎng)膜上清晰成像。人眼的這種反複調(diào)節(jié)容易引起不適。爲(wèi)減少這種情況的發(fā)生，立體電影在制作時(shí)，通常將過(guò)遠(yuǎn)和過(guò)近的景物模糊化，使人眼盡量聚焦在投影平面臨近。
觀察立體圖像時(shí)引起不適的另一個(gè)常見(jiàn)原因是視圖之間的交叉串?dāng)_。這是指應(yīng)該被一只眼看到的圖像卻不同程度地被另一只眼看到。這時(shí)，看到的圖像會(huì)顯得模糊或重影。這種現(xiàn)象也被稱爲(wèi)鬼影。交叉串?dāng)_會(huì)引起左右視圖調(diào)和困難。當(dāng)使用同一個(gè)顯示平面顯示雙視圖或多視圖時(shí)，串?dāng)_就會(huì)或多或少地存在。以前立體電影使用紅綠眼鏡，左右兩視圖不能很好分離，串?dāng)_現(xiàn)象嚴(yán)重，F(xiàn)代的立體眼鏡使用了新技術(shù)，這種情況會(huì)獲得很大改善。
