文/東北大學(xué)機械學(xué)院 趙新軍 付長曉

1 引言

2009年，《阿凡達》引爆全球觀眾觀看3D電影的熱情后，3D放映技術(shù)已在世界范圍內(nèi)引發(fā)強烈震撼。3D放映技術(shù)在100年前就已經(jīng)誕生，但直到今天，3D放映技術(shù)才真正改寫了電影、電視等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的歷史。本文基于TRIZ理論分析歷史上3D放映技術(shù)的發(fā)展演變，總結(jié)其發(fā)展規(guī)律，預(yù)測其未來的發(fā)展趨勢?；蛟S，未來放映技術(shù)的“3D化”將成為必然，對其改良和創(chuàng)新設(shè)計顯得尤為重要。

2 3D放映技術(shù)的原理及簡介

3D放映技術(shù)是利用人的左右眼瞳距在大腦形成的視差從而產(chǎn)生立體感的原理，將左右兩幅不同的影像投射到銀幕上，讓觀看者左眼和右眼分別看到連續(xù)的左、右兩幅影像，從而使觀看者有身臨其境的感覺。實際上這種技術(shù)是一種人工生成的虛擬立體環(huán)境。3D成像是靠人兩眼的視覺差產(chǎn)生的。人的兩眼之間一般會有8厘米左右的距離。要讓人看到3D影像，就必須讓左眼和右眼看到不同的影像，使兩副畫面產(chǎn)生一定差距，也就是模擬實際人眼觀看時的情況，除了瞄準(zhǔn)正前方以外，看任何一樣?xùn)|西，兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小，但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里，大腦就用這微小的差距，產(chǎn)生遠近的深度，從而產(chǎn)生3D的立體感覺（圖1）。

3 3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程及TRIZ分析

3.1 萌芽期1850～1880

圖1 3D放映技術(shù)原理示意圖

上述原理早在19世紀(jì)中期就被人們認(rèn)識到了。英國物理學(xué)家惠斯通在19世紀(jì)中葉發(fā)明了“實體鏡”（圖2）。從此之后，攝影師可以用兩臺照相機從不同角度分別拍下相當(dāng)于左眼和右眼看到景物的照片。人們使用實體鏡觀看這兩張照片的時候，由于鏡中的擋板分開了左眼和右眼的目光，使左眼只看見左眼圖像，右眼只看見右眼圖像，就形成了立體視覺。

3.2 生長期1890～1940（第一代放映技術(shù)）

19世紀(jì)90年代末期，英國電影先驅(qū)William Friese-Greene發(fā)明的雙機放映3D電影技術(shù)，是3D放映技術(shù)的最早起源。兩臺攝影機分列左右進行拍攝，放映時分別在兩部放映機上同步投影，分供觀眾的左右眼。觀眾佩戴專用的紅綠立體眼鏡，通過濾光的方式即可觀看（圖3）。這是一項革命性的發(fā)明，現(xiàn)在一些3D放映技術(shù)依然運用這個原理。

圖2 實體鏡及其原理

圖3 濾光技術(shù)及其原理

圖4 偏振技術(shù)及其原理

從TRIZ理論的角度來分析，第一代3D放映技術(shù)就是2D到3D的轉(zhuǎn)化。這一項發(fā)明運用了分離（抽出）原理，將圖像信號中的關(guān)鍵部分挑選或分離出來，利用光學(xué)介質(zhì)把一束光按不同的光譜區(qū)分開，分別傳遞左右眼圖像信息，實現(xiàn)了2D到3D的轉(zhuǎn)化。

從今天的角度來看，由于自身技術(shù)的缺陷，早期的3D效果很差，兩眼無法看到“應(yīng)當(dāng)”看到的畫面，因此畫面色彩失真，立體效果不良，特別是觀眾的眼睛往往感到不適。

3.3 發(fā)展期1940～1960（第二代3D放映技術(shù)）

20世紀(jì)50年代埃德溫?H?蘭德(Edwin H．Land) 的偏振鏡頭取代了紅藍鏡頭，讓色彩還原更加可信，畫面也更加亮麗。偏振技術(shù)基本解決了濾光技術(shù)的失真問題。偏振技術(shù)使投影機投射的非偏振光通過偏振器，同時觀看者佩戴分別與圖像偏振特性相同的檢偏器(眼鏡鏡片)，可為左右眼提供不同的信息，從而產(chǎn)生深度的概念（圖4）。偏振技術(shù)體現(xiàn)了TRIZ理論的振動原理和周期性作用原理。相比上一代的3D放映技術(shù)，偏振技術(shù)使用電振動代替其他振動，達到了更理想的效果。

由于偏振片是37%的透明度，所以畫面亮度受到損失。以及偏振技術(shù)的成本過高，所以偏振式3D技術(shù)對顯示設(shè)備的要求較高，在當(dāng)時并未普及使用。

3.4 沉寂期1960～1980（第三代3D放映技術(shù)）

由于偏振技術(shù)存在著一定缺陷，在20世紀(jì)60～70年代的20年間，3D電影的總產(chǎn)量不到30部，3D放映的發(fā)展進入了沉寂期。

這一時期，制片人Arch Gobler找到一種方法，改變了對雙膠片式放映的需要，叫做Space-Vision 3D技術(shù)。同時，Alan Gordon和Chris Venter聯(lián)手開發(fā)出Stereovision技術(shù)，利用“視覺暫留”現(xiàn)象把左右眼看到的畫面交替地印在35毫米電影膠片上，放映機以48幀/秒（通常放映速度的兩倍）的速度放映影片，放映鏡頭前加上一個周期轉(zhuǎn)動的遮光板，于是兩套畫面交替出現(xiàn)。這個技術(shù)其實是對偏振技術(shù)的改良，把圓偏振改進為線偏振。這里體現(xiàn)了TRIZ理論的多維化原理和振動原理?？傮w來看，前三代3D放映技術(shù)為濾光技術(shù)到圓偏振技術(shù)再到線偏振技術(shù)的轉(zhuǎn)變，向著多元化發(fā)展。

3.5 復(fù)興期 1980至今（第四代3D放映技術(shù)）

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，如今的3D電影界，呈現(xiàn)出RealD、XpanD 和杜比3家占主導(dǎo)地位的技術(shù)供應(yīng)商“三分天下”的局面。而這3家供應(yīng)商也分別代表著一種3D放映的技術(shù)。

3.5.1 RealD 技術(shù)

RealD是對圓偏振技術(shù)的改進。原始的偏振技術(shù)因為畫面亮度太低，因此使用RealD技術(shù)的影廳必須換裝表面鍍有鋁的“金屬銀幕”來彌補偏振片和雙眼畫面交替播放帶來的亮度損失。不過，RealD技術(shù)的3D眼鏡價格比較便宜，使它相對容易得到推廣。

3.5.2 XpanD 技術(shù)

XpanD則采用一種相對前沿和復(fù)雜的技術(shù)，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)來實現(xiàn)3D效果。它的放映機會交替放映左眼和右眼應(yīng)該看到的畫面，使眼鏡的左右眼兩個液晶濾片像相機快門一樣，與銀幕影像同步交替開啟和關(guān)閉。XpanD的眼鏡造價很高，而且經(jīng)常需要維護，這成為它大規(guī)模推廣的瓶頸。

3.5.3 杜比技術(shù)

杜比采用的3D技術(shù)是“光譜分光”，是對最早使用的濾光技術(shù)的改進。也就是說，這種3D影像的左右兩個畫面，都含有紅、綠、藍三色信息，但左、右眼應(yīng)該看到的影像，其光譜成分有所不同。觀眾佩戴特制的光譜分光眼鏡來觀看影片，讓大腦感受到3D效果。

表1 各3D放映技術(shù)的硬件及成本對比

表2 3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程的TRIZ分析

通過以上三大技術(shù)供應(yīng)商推出的3D放映技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)電信號的3D放映技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)（表1），而這三家供應(yīng)商由于其自身技術(shù)的優(yōu)缺點各自占的市場份額也不同（圖5）。

在3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程中，相關(guān)技術(shù)的進步起到了極大的促進作用，表2是TRIZ理論的40條發(fā)明創(chuàng)造原理在3D放映技術(shù)的發(fā)展歷程中的應(yīng)用。

4 基于技術(shù)系統(tǒng)進化模式的3D放映技術(shù)發(fā)展分析

根據(jù)TRIZ理論中的技術(shù)進化模式分析，3D放映技術(shù)的進化發(fā)展由濾光技術(shù)到偏振技術(shù)再到眼鏡開關(guān)技術(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)3D放映技術(shù)的進化是由光信號到電信號的過程。即盡量保留光振動所產(chǎn)生的圖像信號，也就是不斷提高成像的清晰度、亮度與完整性。例如第二代3D放映系統(tǒng)的偏振技術(shù)出現(xiàn)后，成像的能力加強。3D眼鏡增加了系統(tǒng)的可控性，每一代的進化增加了圖像的理想化程度和水平，實現(xiàn)了光波場向磁場、電場、虛擬數(shù)字場的轉(zhuǎn)化。

5 3D放映技術(shù)的發(fā)展趨勢預(yù)測

由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進化預(yù)測(圖6)，可以分析發(fā)現(xiàn)技術(shù)進化的最好形式就是由場主導(dǎo)的模式。然而對于3D系統(tǒng)來說，3D圖像的實現(xiàn)是通過分光或者是分色然后再用3D眼鏡合二為一實現(xiàn)的。分析3D放映技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，我們可以做如圖7的預(yù)測。那么未來的3D技術(shù)將用一種場來替代現(xiàn)有的3D眼鏡來實現(xiàn)3D的效果，即裸眼3D。

隨著3D放映技術(shù)的不斷發(fā)展，裸眼3D的出現(xiàn)將成為可能?，F(xiàn)階段的裸眼式3D技術(shù)大多處于研發(fā)階段，并且主要應(yīng)用在工業(yè)商用顯示市場。裸眼式3D技術(shù)最大的優(yōu)勢便是擺脫了眼鏡的束縛，但是分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足。

圖5 各3D放映技術(shù)的市場份額

圖6 增加系統(tǒng)靈活性進化路線

圖7 3D技術(shù)的進化路線

2013年3月，美國惠普公司宣布，他們研發(fā)出一種新型裸眼3D技術(shù)，可用于安裝在移動設(shè)備上。未來人們便可用肉眼直接觀看手機上的3D圖像。

當(dāng)然，未來的3D放映技術(shù)也可以用于各種領(lǐng)域，例如3D廣告，3D投影操作界面，裸眼3D電視，3D電腦，3D導(dǎo)航，3D X光等相關(guān)領(lǐng)域（圖8）。

圖8 未來的3D放映技術(shù)

6 結(jié)論

3D放映技術(shù)，是一場毋庸置疑的視聽領(lǐng)域全新革命，人們在慢慢接近更為真實的觀看體驗。通過分析歷史上3D放映技術(shù)的演變歷程，總結(jié)目前主流3D放映系統(tǒng)的特點，可以看出未來的3D放映技術(shù)是多元化的，可以應(yīng)用在更多領(lǐng)域。3D放映技術(shù)緣于科技創(chuàng)新的無窮魅力，可以想象未來我們的生活與3D放映技術(shù)息息相關(guān)。3D放映技術(shù)是產(chǎn)品設(shè)計、市場管理等各個方面的新課題。3D放映技術(shù)的成熟不僅可以帶動產(chǎn)品價值提升，也會為我國電影國際化和文化產(chǎn)業(yè)振興奠定了基礎(chǔ)。我國的3D革命才剛剛起步，更多全新的3D體驗讓我們拭目以待。

[1]趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論（TRIZ）及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.5

[2]高五峰.數(shù)字3D 立體電影的技術(shù)與發(fā)展[J].當(dāng)代電影，2012.8

[3]光回收技術(shù)：雷歐尼斯引領(lǐng)3D放映技術(shù)新變革[J].現(xiàn)代電影技術(shù)2013.6

[4]方捷新，劉達，王富強.全球數(shù)字影院新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].Advanced Television Engineering，2012.12

[5]田長樂.3D 電影及其發(fā)展展望[J].當(dāng)代電影，2011.4

[6]張雅麗.數(shù)字3D 立體電影技術(shù)之深度分析[N]，現(xiàn)代電影技術(shù)，2010.5

[7]高五峰，李樞平.迅速發(fā)展的數(shù)字3D電影技術(shù)及相關(guān)設(shè)備[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2008.6

[8]馬之恒. 3D 電影的歷史溯源[J].北京科技報，2011.11

[9]張敏，徐江華，楊明朗.TRIZ中的理想化對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計研究[J].包裝工程，2006.3

[10]中關(guān)村在線http://www.zol.com.cn/

[11]圖片來源：http://image.baidu.com/