劉進軍

2005年春，美國紐約最繁華的高檔時裝商店，富有南美風格的強烈音樂。櫥窗內(nèi)彩燈變幻之間，突然出現(xiàn)了幾位美女。美女們風情萬種，優(yōu)美的身材做出各種舞姿。頓時吸引了不少人圍觀。見圖1突然間，燈光、音樂驟停，美女們在大家眼前瞬間消失了。觀眾們頓時瞠目結舌，你看看我、我看看你，不明白發(fā)生了什么事情。美女們到哪兒去了呢？專家告訴人們：這是全息立體影像。剛才是一次高科技的誤會。而造成這場誤會的正是立體電視。對于立體電視，我們又了解多少呢？

立體電視簡介

1.立體電視的原理及分類

人類判斷物體的深度和距離時，是根據(jù)不同深度的物體在左右兩眼中形成圖像的視差不同來進行的。立體電視又稱為三維電視（3DTV），它正是基于上述理論設計出的產(chǎn)品。

用全真立體電視技術制作的節(jié)目具有很強的景深立體效果，畫面中景物富有層次與空間感，畫面透明、細膩，畫質優(yōu)良。在傳送立體電視節(jié)目時，必須采取頻帶壓縮或碼率壓縮等方法才能通過普通電視頻道傳送立體電視節(jié)目。

目前的立體電視按其原理可分為如下三類：

（1）視差制式立體電視

視差制式立體電視的攝制由立體攝像機完成，立體攝像機具有兩個鏡頭和兩個攝像器件，用來代替人的兩只眼睛攝取圖像，兩個圖像信號需用2個通路傳送到顯像端。兩個鏡頭之間的距離及其光軸之間的夾角和距離必須模仿人的兩個眼球動作，隨著拍攝物體的距離變化不斷進行調整，以保證拍攝的兩個圖像的視差與人眼直接觀看的視差相同。

立體電視節(jié)目可以利用現(xiàn)有的電視設備（錄像機，電視機）播放。能與普通電視互換，可兼容HDTV立體電視。在觀看節(jié)目時，需要一幅立體液晶轉換屏與一副檢偏眼鏡配合完成。（見圖2）轉換屏放在電視機熒屏前部，由電視機內(nèi)場同步掃描信號控制，將普通電視機顯示的重疊立體圖像分離。通過檢偏眼鏡就可看到清晰的立體圖像。但這種方式并非主流。

（2）時差式立體電視

1982年，美國南卡羅萊納大學最先提出時差立體電視概念。根據(jù)閉上一只眼睛也能獲得立體感的特性，將一對視差信號的兩幅圖像先后輪流地出現(xiàn)在屏幕上，從而使人獲得立體感覺。

時差制式立體電視在發(fā)送端也是利用兩部攝像機獲得一對視差圖像信號，用一條信道以適當速率順序交替?zhèn)魉?。在接收端使這一對視差信號所形成的兩幅圖像，按發(fā)送端傳送的順序，先后輪流地出現(xiàn)在屏幕上，人眼就能看到立體彩色圖像。

與視差式立體電視不同，時差式立體電視在接收端不需要附加任何裝置，用普通彩色電視機就可以看到立體彩色圖像。為了實現(xiàn)時差制式立體電視，只需要在前端系統(tǒng)進行必要的改造和添置設備。（見圖3）

（3）全息制式立體電視

全息制式立體電視以全息影像技術為基礎，利用電視技術攝取，傳送和顯示全息圖來重現(xiàn)空間三維立體像。它可以讓一幅靜止畫面以立體方式呈現(xiàn)，觀看者可以從各個角度看立體電視，甚至圍成一個圈看電視。

全息成像技術正在成為立體電視的發(fā)展趨勢，開篇提及的那一幕就是依托全息立體電視技術實現(xiàn)的。隨著科技的發(fā)展，全息立體技術將顛覆傳統(tǒng)觀念，人類將進行一場視覺革命。（見圖4）

2.立體電視的發(fā)展

立體電視技術是隨著立體視覺技術和電視技術的發(fā)展而發(fā)展的。

1893年，英國科學家查爾斯·維特斯頓在人類立體視覺系統(tǒng)方面取得關鍵突破。他利用反光式立體鏡將兩個分離的圖像組合，顯示出立體場面。（見圖5）

20世紀70年代末，由于陶瓷光開關新材料的出現(xiàn)，光開關眼鏡應運而生，時分式的立體電視技術隨之出現(xiàn)。80年代初，東芝公司研制出時分式立體電視投影機，人們通過偏光鏡即可觀看。1985年，松下公司首推時分式液晶眼鏡立體電視樣機獲得成功，1991年6月，日本電報及電話公司研制了播放立體影像的彩色電視機?，F(xiàn)在，具有雙屏顯示器的頭盔觀看設備有很理想的立體觀看效果。在國內(nèi)，清華大學已研制出高透光率的新型液晶光閥眼鏡，并于2001年研制成功時分式液晶眼鏡立體電視機。

目前，時分式的立體電視技術相對成熟，它的優(yōu)點在于能提供逼真的彩色立體圖像；當電視場頻較高時，圖像穩(wěn)定無閃爍；同目前的彩色電視系統(tǒng)、計算機顯示器相兼容；能順利向立體電視系統(tǒng)過渡。

2003年在日本東京召開的3D聯(lián)盟成立大會上，三洋電機展示了不用戴眼鏡觀看立體圖像的顯示器。這也標志著立體電視更進一步的發(fā)展。 （見圖6）

3.立體圖像的應用

隨著立體電視在全球的普及和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，三維成像技術的應用領域不斷擴大，商業(yè)前景十分廣闊。三維成像技術應用的范圍目前非常廣泛，在影視、軍事、攝影、手機、電腦、廣告、教育、設計、醫(yī)學、魔術、展覽展示、航空航天、遠程醫(yī)療、文體觀賞、娛樂游戲、電子商務等領域均可規(guī)模應用。

2008年4月初，美國宇航局的“火星偵察探測器”利用立體技術，拍攝火星的小衛(wèi)星——“火衛(wèi)一”，令人過目難忘。同年11月，科學家首次拍下人體動脈血管立體圖像，為我們揭示了人體內(nèi)部的神秘。

立體電視成像技術

立體顯示的關鍵技術

立體顯示的關鍵技術是視頻刷新率。若刷新率在40Hz以下將形成頻閃，使節(jié)目不能觀看；80～100Hz將能正常顯示；如能達到1 40Hz則是最理想的。隨著100Hz電視機、顯示器的出現(xiàn)，頻閃問題將不復存在。

立體電視的立體信號有多種規(guī)格可供選擇，如表1立體信號規(guī)格所列。

視差制式成像技術簡介

視差制式成像技術利用兩眼的視差特性實現(xiàn)立體效果，目前常見的有：色分法、光分法、時分法、偏振光法、遮光法、全息電視法等。

(1)色分法：又稱為補色法。在接收機熒屏上用互補的

兩種顏色分別顯示出供左、右兩眼分看的圖像。如送到左眼的圖像只有品紅色；送到右眼的圖像只有綠色。觀看時要戴有色眼鏡，使左眼只能看見品紅色圖像，右眼只能看見綠色圖像，在大腦中融合成一個彩色立體圖像。用色分法傳送立體電視圖像信號時，可以在一個電視頻道內(nèi)傳送一套立體電視節(jié)目。

(2)光分法：將用于供左、右兩眼觀看的圖像分別用偏振方向正交的兩個偏振光投射到人眼，觀看時戴上一副通透過偏振光的眼鏡，使兩眼分別看到各自所需的圖像。顯示器可用兩個顯像管組成，在每個熒光屏前加一塊只能透過一個方向偏振光的極化板，兩個熒光屏的夾角為90°它們發(fā)出的偏振光通過與兩個熒光屏都成45°角的半反射鏡投射到觀看者的眼鏡上?；蛘咴趦山M電視投影管前分別加一塊極化板，用互相垂直的偏振光向同一個屏幕上投射出左右兩眼的圖像。這是戴眼鏡觀看方式中圖像質量最好的一種方法。但觀看時不能歪頭。

(3）時分法：以一定速度輪換地傳送左右眼圖像，顯像端在一熒光屏上輪流顯示左右兩眼的圖像。觀看者需戴一副液晶眼鏡。眼鏡用一個與發(fā)送端同步的開關控制，當左眼圖像出現(xiàn)時，左眼的液晶透光，右眼的液晶體不透光；相反，當右眼圖像出現(xiàn)時，只有右眼的液晶透光。左右兩眼只能看見各處所需的圖像。

以上方法都需戴眼鏡觀看，容易引起眼睛疲勞，因此觀看時間不能過長。

全息成像技術簡介

全息技術最早是應用在照相上的，是利用光的干涉原理，把物體特有的光波信息記錄在感光材料上，經(jīng)過顯影定影處理后，得到一張全息圖。這張全息圖上面是沒有圖像的。要想看到圖像，就是要使光波重現(xiàn)。重現(xiàn)的圖像與原物一模一樣，如同透過窗口觀看外面的景物一樣。移動眼睛可以看到物體的不同側面。觀看前后不同距離的景物時，效果更加出色。（見圖7）

立體電視顯示技術

立體顯示設備居于世界前列的有美國的DTI公司、飛利浦、夏普、三洋電機、三星與美國的Actuality System公司，在這其中，如DTI的“自動雙重拷貝”技術、飛利浦-夏普公司的技術、三洋電機的“圖像分割棒”技術和三星電子的“多透鏡”技術都是值得我們學習和研究的。

1．自動雙重拷貝技術

美國DTI公司將LCD的像素矩陣分成奇數(shù)列和偶數(shù)列，奇數(shù)列上只顯示左眼可以看到的圖像，偶數(shù)列則顯示專門針對右眼的圖像，人腦根據(jù)這兩幅圖像的微小差異來獲得三維視覺感受。讓奇數(shù)列的圖像只進入左眼，讓偶數(shù)列圖像只進入右眼，關鍵在于DTI 3D顯示器所采用的特殊結構。

LCD顯示器無法自主發(fā)光，要實現(xiàn)顯示就必須借助背光將像素照亮才行，如果背光照不到，屏幕就會呈現(xiàn)黑屏狀態(tài)。如果能夠精確控制背光的射向，再加上光學設備的輔助，就可以實現(xiàn)奇數(shù)列圖像和偶數(shù)列圖像分別被左眼和右眼所看到。DTI沿著這個思路，在標準LCD背光板與LCD液晶板之間添加了一個額外的光學儀器TN板。該TN板上的垂直區(qū)塊會根據(jù)顯示任務的情況來照亮奇數(shù)或偶數(shù)的區(qū)塊，并以60幀/s的速度高速刷新。此外，在TN板與LCD板之間還有一個特殊的透鏡單元，通過透鏡的折射可以讓指定的圖像進入到左眼或者右眼。這樣，我們的大腦就會以為是在看一個具有深度的真實世界。

飛利浦-夏普公司的技術方案同樣采用TN板液晶開關來控制背光的通斷，但兩幅圖像產(chǎn)生的機理以及透鏡的位置都與DTI的3D LCD方案有所不同。

2．3D LCD顯示技術

飛利浦-夏普的3D LCD顯示器的關鍵部分可以分成四層結構:最上部為關鍵的光學凸透鏡層，再依次是頂部玻璃基板、LCD單元層和底部基板。LCD單元層中每一個格子代表一個像素，每個像素又包含一定數(shù)量的子像素。而每個像素表示的是所顯示物體的一個立體點，會分別落在觀察者左眼或右眼上。由于光學凸透鏡的焦距剛好落在LCD單元層上，這樣，外界的平行光線經(jīng)過凸透鏡后可以聚焦在LCD單元層，光線的方向不同、聚焦在LCD單元層上的位置就不同。根據(jù)光路可逆原理，每個LCD像素所發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡的折射后都會變成可進入人眼的平行光。不同子像素發(fā)出的光線方向不同，通過對透鏡的精確設計可以讓這些光線分別被用戶的左眼或右眼所觀察，這樣就可以看到非常真實的立體效果。如圖8所示。

3．圖像分割棒技術

三洋電機是在畫面上設計多個條狀遮光的“圖像分割棒”，使用戶的右眼和左眼分別只能看到指定的圖像。三洋電機開發(fā)專門的“頭部跟蹤系統(tǒng)”，可以自動偵測到用戶頭部的位置，并且根據(jù)反饋信息來調整“圖像分割棒”，這樣即使用戶的頭部移動到了3D可視區(qū)域之外，顯示器也會自動調整“圖像分割棒”的開口，讓用戶獲得不折不扣的立體視覺。

4．多透鏡技術

三星公司借助多透鏡技術來控制左右圖像的射向。如圖9多透鏡技術所示。

多透鏡屏由一排垂直排列的半圓形柱面透鏡組成，由于每個柱面鏡頭的折射作用，使右眼圖像聚焦于觀者右眼，左眼圖像聚焦于觀者左眼，由此產(chǎn)生立體視覺。這些技術手段使制造出基于多透鏡技術的高清晰立體電視機成為可能。

5．全景立體技術

美國Actuality 系統(tǒng)公司開發(fā)的“Volumetric 3-D Display”是一種可360°全景任意觀看的3D顯示器?！癡olumetric 3-D Display”的主體部分是一個直徑為10英寸的球型顯示器，可以從水平 360°，垂直270°范圍內(nèi)觀看完全虛擬現(xiàn)實的真實效果。如圖10。

立體電視系統(tǒng)

立體電視系統(tǒng)主要由立體攝像機和立體顯示設備組成。

1．立體攝像機

立體攝像機：具有雙鏡頭，綜合計算機、測控、圖像處理技術，拍攝過程符合人的視覺機理。

2．立體顯示設備

目前，歐美日多個國家已研發(fā)出立體電視機、電腦顯示器、手機、投影機等顯示設備。

高清晰立體電視機采用高清晰電視信號處理器與高清晰立體電視處理模塊，支持國際標準的高清晰視頻信號輸入，采用純平精密顯像管，逐點再現(xiàn)精彩畫面。

高清晰立體電視機能夠支持兩種立體節(jié)目格式，能夠將普通電視節(jié)目實時轉換成立體效果觀看。若具備高清晰的720P以上輸入信號，更能提供完美的立體顯示效果。

高清晰立體電視機采用半透明的圖形化菜單界面，操作簡潔，方便實用。數(shù)字電視機頂盒的廣泛使用、輸入電視機的信號種類多的特點，提供了“一鍵機頂盒”、“一鍵高清晰”、“一鍵計算機”的快捷遙控按鍵。代表參數(shù)如表2所示。

全息電視技術

1．全息電視

全息電視又稱為三維虛擬電視、全息立體電視。全息技術是實現(xiàn)真實的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術。與其他三維“圖像”不一樣的是，全息圖提供了“視差”。視差的存在使得觀察者可以通過前后、左右和上下移動來觀察圖像的不同形象——好像有個真實的物體在那里一樣。

全息電視具備如下幾個特點：形象逼真、高清晰、多角度和穿透力。能在時間、空間上創(chuàng)造影像，極具變化。任何一個人都可利用全息技術在虛無的空間創(chuàng)造一個虛擬的影像。任何一個人都可瞬間變出和消失。如圖11所示。

2. 全息電視代表

1）宏魯思全息電視

2007年1月，美國CLARO公司推出一款宏魯思三維立體電視。這款產(chǎn)品由顯示器、后置投影機和一套激光音效系統(tǒng)組成，其中有兩個大玻璃音效發(fā)生器尤為吸引眼球。如圖12所示。

宏魯思的投影機相當于光波信息記錄儀。顯示器是用來顯示全息圖的。宏魯思整個屏幕是由10mm 厚的玻璃制成，面積為1.5m×1.0m。屏幕外面有一透明的材料覆蓋，面積比顯示屏稍大一點，顯示的畫面是在半空中。

2）“水晶球”全息電視

“水晶球”1.9全息電視由美國Favalora制造，是一款真正的全方位三維全息電視?！八颉毕到y(tǒng)由直徑25cm的白色聚合體屏幕制成，安裝在1m高的黑色盒子上，方便人們圍繞它觀看。如圖13所示。

實現(xiàn)全息的方法就是通過一個高速旋轉的屏幕，讓屏幕在面向各個不同方向的時候顯示一個物體不同角度的圖像。無論走到這個物體的哪個角度，都能看到對應物體的不同角度的映象了。如圖14“水晶球”結構所示。

立體衛(wèi)星電視

立體衛(wèi)星電視的編碼、發(fā)射、傳輸、接收方式與與傳統(tǒng)衛(wèi)星電視一樣，只需接收立體電視的信號即可。由于對帶寬、速率等傳輸技術沒有特殊要求，立體衛(wèi)星電視解決方案是比較容易實現(xiàn)的。

立體衛(wèi)星電視系統(tǒng)主要由地面段和空間段組成。地面段由發(fā)送端和接收端組成。發(fā)送端由立體節(jié)目源、發(fā)射中心、發(fā)射天線等組成；接收端由衛(wèi)星天線、下變頻器、衛(wèi)星接收機和智能卡等組成。如圖15所示。

立體衛(wèi)星電視實施手段目前已基本成熟。歐美多國均已將衛(wèi)星轉播立體電視列列入計劃。各國的立體衛(wèi)星電視均采用時差制式、全息立體電視技術、高清技術。

預計到2015年，由衛(wèi)星轉播的全息立體圖像節(jié)目將會走進千家萬戶。立體衛(wèi)星電視的曙光已現(xiàn)，筆者也以此文對相關的立體電視技術、產(chǎn)品及未來發(fā)展做一概要介紹，希望它能早日成為我們的朋友。

相關鏈接

3DTV技術迅猛發(fā)展

英國數(shù)字電視集團（DTG）舉行英國首次對3D電視（3DTV）的行業(yè)咨詢活動。此活動邀請包括125家數(shù)字電視廣播機構、平臺運營商、廠商及其它有關機構的DTG成員，提出他們對3DTV技術可行性和生產(chǎn)能力以及關鍵的互操作性問題的看法。

DTG總干事Richard Lindsay-Davies評論此資訊時表示：一些行業(yè)觀察家把3DTV視為HDTV自然進化的結果，但許多挑戰(zhàn)貫穿價值鏈，從圖形采集、存儲和后期制作，到分配接收和顯示。這些挑戰(zhàn)必須得到理解與克服，以便讓3DTV成為一種可行、有生存能力的消費主張。

CNN用3DTV畫面打破收視率紀錄每到總統(tǒng)選舉，美國的新聞大戰(zhàn)就會正式開打。作為老牌新聞機構，CNN在本次的總統(tǒng)大選新聞報道中運用了全息影像技術，它將主持人的立體圖像直接投射到演播室中，從而跨越時空限制，對年輕觀眾而言，這一舉動非常討巧。3DTV技術幫助CNN打破了收視率紀錄。CNN的大選之夜報道吸引了超過1300萬人收看，擊敗了電視廣播網(wǎng)和有線電視競爭者。

除此之外，CNN還旨在成為令時光靜止的第一人。與微軟合作，CNN還要求奧巴馬就職典禮的幾萬名現(xiàn)場參與者送交來自于手機、DC拍攝的現(xiàn)場照片，以創(chuàng)造一個大規(guī)模的典禮3D模型。用戶提交的圖片將用微軟的Photosynth技術，基于共同要件準則縫合在一起，以便建立奧巴馬宣誓就職那一刻的3D計算機圖形模型。此3D模型隨后會在電視上播出。