敖翔宇

摘 要：在現(xiàn)實生活中，我們已經(jīng)有著越來越多的機(jī)會接觸到3D電視和3D電影。這種看似尖端的技術(shù)到底是如何實現(xiàn)的呢？3D電影已經(jīng)接近普及，而3D電視離我們到底還有多遠(yuǎn)呢？本文將帶領(lǐng)讀者探究3D技術(shù)的原理以及其在我們生活中運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：3D電視；偏光；裸眼3D

對一個熱愛電影的朋友來說，2010年1月在國內(nèi)上映的美國電影《阿凡達(dá)》無疑是一部不可錯過的大作，但是若說買張光碟自己在家看，我想多數(shù)人會說不。從傳統(tǒng)電影評析角度來看，《阿凡達(dá)》并沒有什么出彩之處，老套的劇情，簡單的人物刻畫，電影開始5分鐘后，很多影迷朋友估計就能猜到結(jié)局，那是什么成就了《阿凡達(dá)》呢？答案就是3D成像技術(shù)。

如果說4K、8K一類的技術(shù)是為了提高畫面分辨率，改善節(jié)目內(nèi)容細(xì)節(jié)，那么3D成像技術(shù)則是為了改善觀眾的觀感體驗。3D成像這一技術(shù)名詞聽起來頗具現(xiàn)代感，但實際上它的歷史可以追溯到上個世紀(jì)初。1903年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“視差制造立體”的原理，并利用雙鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了它，由此揭開了3D成像技術(shù)發(fā)展的序幕。

在經(jīng)歷了一段曲折的發(fā)展道路，并在短暫的沉寂后，3D電影在新的世紀(jì)重回我們的視野，2010年的《阿凡達(dá)》將3D電影推向了巔峰，或者說是近10年來的巔峰。相對于3D電影，3D電視起步更晚。但以此就判定3D電視的發(fā)展就落后于3D電影，那無疑是個大誤會。自1925年實際意義上的電視機(jī)誕生后，電視領(lǐng)域的科學(xué)天才們就開始斷斷續(xù)續(xù)的嘗試在電視上實現(xiàn)3D顯示。20世紀(jì)50年代，彩色電視技術(shù)發(fā)展到接近實用的階段，“互補(bǔ)色立體分像電視技術(shù)”開始應(yīng)用于立體電視，要觀看立體節(jié)目你需要的只是一個濾光鏡，和看那時的立體電影一樣?；蚍稚蚶闷窆?，3D電視與3D電影基于同樣的顯示原理，走著兩條相互平行，目的相同的道路。

說了這么多歷史，到底什么是3D成像技術(shù)，它的實現(xiàn)原理是怎樣的呢？

現(xiàn)代3D成像技術(shù)是在1903年發(fā)明的“視差產(chǎn)生立體”原理基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。所謂“視差產(chǎn)生立體”原理就是當(dāng)我們觀察事物時，兩眼所看到的畫面會因為兩眼位置不同而產(chǎn)生細(xì)微的差異（這一差異也被稱作視差位移），我們的大腦通過對這種差異的處理讓我們有了立體視覺，而3D成像技術(shù)的核心就是“制造視差”。

想要在兩眼間制造視差，首先得知道我們的眼睛對顏色、光線頗為敏感，而因為視覺惰性（指眼睛看到景物后，景物在感覺上會存留一段時間，這一現(xiàn)象源于神經(jīng)系統(tǒng)的惰性）的存在，它甚至對時間也是敏感的。知道了我們的雙眼對什么參數(shù)敏感后，我們就可以有針對性的創(chuàng)造條件制造視差，既然上面提到了三個參數(shù)，我們也就至少有三種制造視差的方式，即色差式、偏光式和主動快門式。

色差式成像的實際應(yīng)用技術(shù)被稱為光譜分光技術(shù)，它的基本原理是利用旋轉(zhuǎn)的濾光輪分出光譜信息，使用不同顏色的濾光片進(jìn)行畫面濾色，使得一個畫面能產(chǎn)生出兩幅存在細(xì)微色差的圖像，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，實現(xiàn)簡單，但因其成像效果差，容易產(chǎn)生色偏，所以未被作為現(xiàn)代主流3D成像技術(shù)。

基于人眼視覺惰性的3D成像實用技術(shù)是主動快門式3D技術(shù)，其基本原理是以很高的頻率輪流開關(guān)左右兩眼的鏡片，使兩眼看到不同時間片上的畫面（可以簡單理解成輪流睜開閉上我們的眼睛，只讓某一只眼睛看到它需要看到的畫面）利用人眼的視覺惰性在左右眼生成不同的畫面，只要開關(guān)時間足夠快，就能夠讓人產(chǎn)生3D視覺。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，如殘影少、3D效果完整、無分辨率損失等，但其缺點(diǎn)也同樣明顯，主要有亮度損失大、高速開閉鏡片導(dǎo)致的視覺疲勞、眼睛快門不同步導(dǎo)致的畫面模糊和因液晶材質(zhì)特性導(dǎo)致的可視角度限制。最后，相對較高的實現(xiàn)成本也限制了這種技術(shù)發(fā)展。

偏光式3D成像技術(shù)的核心原理是偏振分光技術(shù)，所謂偏振分光技術(shù)是指利用特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)（通常是偏光膜）濾掉無用的光波，只允許特定振動方向的光波通過的技術(shù)。在實際應(yīng)用中，我們先將圖像分為垂直向偏振和水平向偏振兩組畫面，然后光線在通過濾光片后將這兩組畫面分別投射給左右眼，于是我們?nèi)我庖粋€眼睛只能看到兩組畫面中的一組，視差由此產(chǎn)生，剩下的就交給我們的大腦了。需要提到的是，在這一方法下，兩只眼睛只接收兩個在屏幕上占一半的畫面，其直接結(jié)果就是畫面清晰度和3D效果也會因此而減半。比如一個1920*1080P的屏幕將只能給我們提供960*1080或1920*540清晰度的畫面體驗。即使這樣，它的優(yōu)勢也是非常明顯的。首先，相對于主動快門式3D技術(shù)，偏光式技術(shù)不存在畫面閃爍導(dǎo)致的視覺疲勞問題，即使長時間觀看節(jié)目也不會有頭暈惡心等癥狀。而且因其兩眼產(chǎn)生的圖像是分離左右影像來體現(xiàn)3D影像，所以不會有兩眼間的干涉現(xiàn)象發(fā)生，及不存在畫面重疊的3D影像。其次，因其未利用時差來實現(xiàn)畫面分離，故可以在相同時間里以更高的頻率觀看3D畫面，從而杜絕刷新頻率慢導(dǎo)致的畫面拖拉現(xiàn)象。最后，偏振式3D技術(shù)實現(xiàn)簡單，實現(xiàn)成本相對較低，具備成為主流3D技術(shù)的條件。

從以上的簡要說明中我們可以看出，3類3D成像技術(shù)的實現(xiàn)都需要我們佩戴相對應(yīng)的眼鏡或具備相同功能的設(shè)備，基于同樣技術(shù)的3D電影也是這樣。作為一個觀影者，戴著眼鏡坐在影院中看場3D電影也許并不算事，但如果你身在家中，為觀看3D電視節(jié)目而時刻帶著眼鏡就未免有些麻煩，特別是原本就有近視問題的觀眾本就戴著一副眼鏡時。這也是3D電視與3D電影的一個重要分歧點(diǎn)，電視觀眾的節(jié)目觀看時間更長，他們往往對舒適度有更高的要求，因此電視觀眾比起電影觀眾更需要脫離眼鏡的束縛，由此引出一種基于相同成像原理，卻有著不同實現(xiàn)方式的3D成像技術(shù)——裸眼3D技術(shù)。

裸眼3D技術(shù)主要分為光屏障式、柱狀透鏡技術(shù)和指向光源三種，相較眼鏡3D技術(shù)而言，它讓觀眾擺脫了眼鏡的約束是它最大的優(yōu)勢，但因其技術(shù)原理，目前而言，它在分辨率、可視角度和可視距離方面存在諸多限制。

采用光屏障式3D技術(shù)的電視屏上集成了一層由偏振膜和高分子液晶層構(gòu)成的光柵層，因左右眼的視角不同，這些光柵結(jié)構(gòu)會限制進(jìn)入我們左右眼的光線，從而在左右眼產(chǎn)生不同的畫面，進(jìn)而產(chǎn)生3D視覺。稍加分析我們就會發(fā)現(xiàn)光屏障式3D技術(shù)的實現(xiàn)原理與偏光式3D技術(shù)類似，區(qū)別在于它將鏡片的偏光特性集成到了電視屏幕中。光屏障式3D技術(shù)實現(xiàn)簡單，傳統(tǒng)的液晶屏生產(chǎn)線稍加改造就可以生產(chǎn)這類屏幕，但因其光柵結(jié)構(gòu)的存在，這一技術(shù)生產(chǎn)出的液晶屏畫面亮度會偏低，而分辨率也會受到影響。

使用柱狀透鏡技術(shù)的裸眼3D電視在其液晶顯示屏的前面添加了一層柱狀透鏡，是液晶屏的像平面位于透鏡焦平面之上，這樣使得每個柱狀透鏡下的像素被分成數(shù)個子像素，而這些子像素被投射向了不同的方向，同樣因為視角的差異，我們的兩眼會看到不同的子像素，從而產(chǎn)生視差，生成3D視覺。因這一技術(shù)中像素只是通過透鏡而無其他遮擋，故屏幕亮度不會受到影響，但透鏡的曲光特性導(dǎo)致其在畫面分辨率上也難有進(jìn)步，另外生產(chǎn)這一技術(shù)的液晶屏幕生產(chǎn)線并不與傳統(tǒng)液晶屏生產(chǎn)線兼容，故生產(chǎn)成本更高。

指向光源技術(shù)的3D電視目前還未實用化，其基本原理是搭配兩組LED光源，配合快速反應(yīng)的LCD面板和驅(qū)動方法，讓3D內(nèi)容以排序方式進(jìn)入觀看者眼睛中，通過互換兩眼影像產(chǎn)生3D視覺。這一技術(shù)在分辨率、透光率方面皆能保證，但其尚處于試驗階段，并未進(jìn)入實際應(yīng)用階段。

雖然在屏幕上實現(xiàn)3D效果已不是什么新鮮的概念，很多家庭可能已經(jīng)購置了自己的3D視頻設(shè)備，但這里筆者要說3D成像技術(shù)應(yīng)用依然處于萌芽階段。

就內(nèi)在條件而言，雖然3D成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，經(jīng)過無數(shù)次更新?lián)Q代，很多有代表性的技術(shù)也已經(jīng)能在日常生活中使用，但我們也可以看出任何一種3D成像技術(shù)都還有不成熟的環(huán)節(jié)，也許在我們急著將3D引入生活前，我們可以在3D成像技術(shù)上再進(jìn)一步。

就外在條件來看，只有少數(shù)節(jié)目制造商具備生產(chǎn)3D節(jié)目內(nèi)容的資質(zhì)，且3D視頻采集、傳輸、回放和存儲設(shè)備價格成本居高不下，這使得短時間內(nèi)3D節(jié)目的制作成本會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通節(jié)目的制作成本，我們當(dāng)然可以利用特定算法實現(xiàn)普通節(jié)目的3D化，但就目前的技術(shù)而已，得到的效果并不盡如人意。且就3D終端來看，在很長一段時間內(nèi)，電影依然是3D終端市場主流，家庭3D的普及還需要些時間。

盡管如此，我們依舊可以預(yù)想，在未來3D成像技術(shù)終會成為一種主流成像技術(shù)，它會進(jìn)入我們生活的方方面面，讓這個世界最枯燥的角落也變得栩栩如生。