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作者：李健 來源:電子產品世界 很多早就存在并且應用的技術，一旦引入消費電子領域，才真正迎來其爆發的春天，比如最近熱的不能再熱的3D顯示技術。一部《阿凡達》帶來的影響遠遠超過了電影本身，讓更多消費者體驗到3D技術的震撼，而2010年日本直播了3D顯示的世界杯比賽則推動了3D電視搶占家用市場，當任天堂的3DS將裸眼3D技術引入便攜終端，3D顯示正式宣告已經準備好給每個消費者構建一個真實視覺的世界。 3D顯示應用概述 在1838年，英國發明家Charles Wheatstone發現人類眼睛各別觀看略有不同視角內容的圖像，經由大腦的組合與解析會產生立體感，這種差異，讓一個人從兩個二維照片看到三維圖像(立體圖)。170年來，人類就根據左右眼視差的原理，發展了各種3D顯示的方法。 相較于2D顯示，3D顯示多了一維深度的視覺，優于2D顯示所能提供的逼真感受與刺激，3D電影是3D顯示在公眾領域最早也最普遍的應用。在CRT屏幕時代，3D顯示也應用在一些特殊用途，例如科學研究、工業設計及醫學影像。不過隨著高畫質數字平面顯示技術的發展，大幅改善了3D顯示效果，眼鏡式或裸眼式3D顯示應用，逐漸試探性地在通信及消費性電子市場上出現。 3D顯示技術的應用不僅廣闊而且寬泛(如圖1)，由于3D游戲及3D電影內容較成熟，眼鏡式3D顯示電影是最早呈現在消費者面前的，這方面的先鋒是一些科普教學宣傳電影，隨后就是好萊塢的商業電影。3D顯示電視隨著3D電影節目的豐富和藍光載體的出現，成為最先進入家庭的3D顯示平臺。裸眼式3D顯示目前而言，在大屏幕上的效果仍不如眼鏡式3D顯示，短期內的應用發展將會偏重在一些特定市場，尤其是像小型個人便攜終端或大型公眾廣告方面的應用，目前市場上，已有包括家用游戲機、電視機、PC監視器、筆記本電腦/平板電腦、藍光光盤、數字相機、數字攝影機、智能手機以及數字相框等產品的制造商推出或計劃推出3D顯示相關產品。而除了家電之外，3D顯示器未來更可望普及至醫療領域，以及數字告示廣告牌等新用途上。 
DisplaySearch調查指出，3D顯示器的市場出貨量將從2008年的70萬臺，成長到2018年的1億9600萬臺，營收也將從9億200萬美元成長至220億美元。該預測同時顯示，年復合成長率(CAGR)按營收計算將達到38%，按出貨量計算將達到75%，如圖2。 3D顯示技術應用分析 3D顯示的市場經過3D電影的鋪墊，已經蓄勢待發，前途早就注定是光明的。但作為一個瞬間崛起的行業，依然存在眾多的問題需要解決，才能促使3D顯示技術更快征服消費者的購買欲望。 在消費者需求的研究下，發現目前最被期待的應用在家庭劇院系統，其次分別為3D電視和3D游戲等家用設備。反應在市場的現狀，3D投影設備和劇院系統早期銷售量超越3D電視。而3D游戲在Nvidia的力推下，有超過400家電子游戲內容商支持立體輸出，搭配該公司提供的Shutter Glasses及供貨商提供的高倍頻顯示器解決方案，即可達到高分辨率而立體輸出的游戲畫質，此外，SONY的PS3游戲主機支持藍光3D規格輸出，未來也可供應立體游戲的內容輸出。任天堂的3DS推出裸眼3D之后，目前也已經有上百款游戲與之配套，提供不同的用戶體驗。 3D電視是3D顯示技術真正走向家庭的主力軍，而3D電視早在2010年就隨著世界杯的3D轉播催生了第一批粉絲。2012年作為奧運年配合歐洲杯足球賽，多家電視臺表示將用3D轉播比賽無疑是3D電視推廣的又一個好機會。另一個方面，我們必須看到的事實是，3D電視的技術早已成熟，但鑒于3D電視成本上較現有LED平板電視高出不少，消費者需要足夠動力去更換才購買一兩年的新電視機。因此，真正目前制約3D電視大規模普及的還是節目內容不足。除了部分體育比賽和傳統的商業3D電影之外，其他3D節目資源遠遠不夠支撐起用戶的觀看需求。雖然很多電視節目運營商已經推出3D相關服務，但內容資源的短缺依然讓很多消費者面對3D 電視望而卻步，用戶資源的缺失，又造成3D視頻節目制作者收益無法保障而難以激發創作熱情，因此，這個生態系統如何建立是推動3D電視快速普及的重要所在。 目前，很多從業者選擇了2D轉3D來豐富3D視頻資源，這固然能豐富節目數量，但也不過是權宜之計。要將2D影像轉成3D影像的技術困難度很高，因為要處理很多視頻流，對處理器的能力提出非常高的實時視頻流處理要求，不過轉好之后的視頻播放時對硬件的要求不再苛刻，博通公司寬帶通信事業部技術副總裁Sherman Chen介紹，現有的高清多媒體處理芯片已經有足夠處理能力支持3D編解碼的處理要求，只要是編譯好的3D節目，都可以在高清相關設備上實現流暢3D體驗。關于2D轉3D技術基本上要產生視覺上可見的3D影像，必須要有左右眼視差的兩個影像，2D影像內容不具備各景物深度位置的數據，所以如何將2D轉3D，最關鍵技術就是如何分析及判別景物的相對深度關系，找出2D影像的正確深度圖(Depth Map)。由于2D文字和3D影像同時并存的應用情境常常出現，因此在特定局部范圍內顯示3D立體影像效果非常重要;此外，2D和3D顯示應用也需要并存，才可讓消費者可隨時切換觀看，因此2D和3D全局顯示切換技術也非常關鍵。但換個角度考慮，由于同樣時長的3D拍攝節目是轉換原有2D節目成本的8-10倍左右，2D轉3D切換技術對于3D電視應用的普及化來說，更是不可或缺。 便攜3D終端是另一個推動3D顯示的主力，這部分產品最貼近的應用將是裸眼3D。任天堂的3DS可以說是第一個真正意義廣泛銷售的裸眼3D移動終端，而在2012年，裸眼3D的智能手機和平板電腦將是主流。裸眼3D實現技術和眼鏡式3D技術有明顯區別，這個后面詳細介紹。對于便攜終端而言，3D顯示應用的市場需求是迫切的，但節目內容的不足已經不是技術推廣存在的唯一問題，在便攜終端的裸眼3D顯示一些不得不面對的問題包括：處理器處理能力和功耗的矛盾，上裸眼3D，意味著智能手機至少要有強大的應用處理器(理論上要有3-4個處理核心);裸眼3D顯示的屏幕成本增加和對其他硬件要求的嚴格，這極大制約智能手機和移動終端的設計，特別是成本優化極具挑戰性;觀看體驗不足，區別于大屏幕的3D效果，在小屏幕上展現裸眼3D，其實際效果并不炫目，特別是長時間觀看容易產生眩暈感，加之相關內容的格式要求進行更大的壓縮，編解碼后產生的效果大打折扣。 另一個裸眼3D急需解決的問題是標準尚未統一，在沒有形成一個統一的標準前，裸眼3D大規模需要面對很多現實的問題。像3DS這樣的便攜設備，在室內不如大屏幕有競爭力，在戶外、公共場所等地方玩3DS，你很難保持一個固定的姿勢，打開3D則有諸多不方便。 很明顯的例子是，很多游戲有重力感應操作，用戶一晃動掌機就會出現圖像重影。此外，裸眼3D帶來的用戶眩暈情況也有待最終的評估給出答案，上市前，任天堂曾發出警告，稱3DS不適合6歲以下兒童，因為其3D效果影響兒童眼睛發育。 深圳市維尚視界立體顯示技術公司(3DVstar)是國內較早提供成熟裸眼3D解決方案的廠商，已經有多款終端產品采用他們的模組實現裸眼3D，該公司總經理楊亞軍認為，裸眼3D的出現必然會使消費者有一個適應的過程，是否可以在傳統視覺習慣上附加一個新的觀看方式?楊總表示，3DVstar在幫助客戶生產設計的所有產品中，都能實現在2D和3D中一鍵式無縫切換，甚至能在觀看3D電影時無需暫停就可進行立體和平面的切換。這種一鍵式方案可通過多種方式來實現，既可“物理式”亦可以是“雙擊觸摸屏式”。而且這種功能支持每一類不同的數碼顯示產品。 關于3D視頻顯示技術，瑞薩移動認為，還存在一個共有的問題為觀看的最佳地點很少，未來3D視頻技術的發展主要方向就是建立多重的最佳觀看地點。此外，什么會成為3D視頻技術的殺手級應用以及3D技術未來將如何運用目前都不得而知，有待研究。不過瑞薩移動認為，通過像蘋果、安卓智能手機的程序開發，會推動殺手級應用的發展。現在，有些智能手機和平板電腦等產品已經可以實現3D技術。人們所花的成本會隨著屏幕日益復雜而增加，但是媒體處理器可以針對不同的屏幕的需求來提供數據。3D用戶的界面將會變得有趣，尤其是與傳感技術結合后，其可在創建的三維空間中與用戶互動(這部分內容可以參考相關閱讀)。 3D顯示技術原理 3D顯示分成眼鏡式及裸眼式兩類，眼鏡式依眼鏡的不同又分為被動式眼鏡(Passive Glasses)與主動式眼鏡(Active Glasses)3D顯示技術，詳細分類如圖3。
眼鏡式3D顯示技術 被動式眼鏡3D顯示技術，依左右眼影像分離所采用的光學方法，有偏振濾光(Polarization)及光譜濾波(Spectral Filters)兩種。另外，眼鏡式3D顯示技術依影像顯示方法，又可分出時間依序(Time Sequential)、空間分隔(Spatial Separation)與同位圖像(Co-Located Pixels)三種。 三種主要影像顯示方法 時間依序是將影像一左一右依序顯示，所以顯示器的畫面頻率至少要幀頻率(Frame Rate)的兩倍(120Hz)，配合主動式快門眼鏡將左右眼影像分開給各別眼睛。空間分隔是將左右眼影像在顯示圖框上依奇數列與偶數列垂直穿插排列方式，或是在顯示幀每一列依左右眼影像水平像素穿插排列，再配合微位相差膜(Microretarder)及被動式偏振眼鏡將左右眼影像分開給左右眼睛。空間分隔左右眼影像垂直(或水平)分辨率只有2D顯示的一半。同位圖像是將左右眼影像同時間重迭顯示，左右眼影像在光學上利用偏振濾光或光譜濾波方法將影像分離，同位圖像方法可以做到全畫面分辨率3D顯示，影像圖框頻率與2D顯示相同。 被動式眼鏡3D顯示技術應用 目前3D顯示技術應用在3D電影所采用的技術有雙投影機的同位圖像偏振濾光或光譜濾波，以及單投影機時間依序偏振濾光或光譜濾波。單投影機偏振濾光是在投影機鏡頭前加裝一片與投影機同步的快門式偏振濾光片(Z-Screen)，為降低畫面閃爍，作法上會將左右眼影像同一圖框顯示兩次，總頻率達4倍;因圖框頻率高，所以采用DLP影像顯示技術。 主動式眼鏡3D顯示技術應用 主動式眼鏡技術主要是快門式偏振眼鏡，搭配時間依序3D顯示器，眼鏡左右眼交替開關與屏幕同步，同樣由于顯示圖框頻率速度的要求，以往都是搭配DLP或PDP顯示器技術。LCD 3D顯示早先以空間分隔搭配被動式偏振眼鏡為主，隨著LCD面板圖像更新率(Refresh Rate)的提升，時間依序偏振濾光因有全畫面分辨率3D的優點，LCD以時間依序搭配快門式偏振眼鏡也普遍被看好，目前有國際繪圖芯片大廠nVidia將此技術推動在計算機3D顯示的應用。不過主動式眼鏡3D顯示所用的快門式偏振眼鏡價格高，仍有待降低成本。 裸眼式3D顯示技術 裸眼式3D顯示有2D顯示使用上同樣的方便性，是3D顯示發展的終極目標。目前所看到的裸眼式3D顯示技術包括柱狀透鏡式(Lenticular Plate)、視差光柵式(Parallax Barrier)、自動觀者追跡式(Auto Viewer-Tracking)、空間體積式(Volumetric)及全像式(Holographic)。
一般柱狀透鏡式及視差光柵式 柱狀透鏡式及視差光柵式技術已經普遍應用在裸眼式多視角平面3D顯示器，也是目前使用較普遍的技術。柱狀透鏡或視差光柵裸眼式3D顯示可以是兩個視角(Two-view)或多視角(Multi-view)的設計，其技術原理是利用柱狀透鏡折射或利用光柵屏幕遮掩影像顯示板上由多個不同視角影像交錯組成的影像，讓各個視角影像投射在空間中，相臨視角影像依序展開，觀者在適當距離左右眼各收視到相臨視角影像，視覺上產生3D影像效果。柱狀透鏡式光通效率高(大于80%)，相較于視差光柵式有較佳的亮度(視視角數及光柵寬度而定)，不過技術難度及制作成本高。 斜向柱狀透鏡式及斜向視差光柵式 傳統直式柱狀透鏡及直式視差光柵屏幕多視角3D顯示技術，因會大幅降低3D影像水平方向分辨率，3D影像只有全畫面分辨率的1/N(N為視角數)。于是有斜向柱狀透鏡式(Slanted Lenticular Plate)及斜向視差光柵式(Slanted Parallax Barrier)的技術產生，此技術可將分辨率降低的比例適當分配在垂直及水平方向，以提高整體3D影像的畫質。兩種技術各有多家廠商使用，尤其是斜向視差光柵式技術。制作簡單且成本低，從3D手機、3D數字相框等小型產品到多人觀看的大型3D數字廣告牌都有產品應用推出。 自動觀者追跡式 自動觀者追跡式3D顯示技術，結合攝影機追蹤觀者眼睛來自動動態調整左右眼影像視角以跟隨人眼位置，由于只產生兩個視角，可提供較好的3D分辨率，適合單人使用，較偏重在特定專業應用上。 空間體積式 上述眼鏡式或裸眼式3D顯示技術都是以平面屏幕依兩眼視差原理讓視覺感知3D的立體影像，3D顯示最多就是在屏幕前180度的范圍，我們將其稱為平面式3D立體影像。而空間體積式3D顯示及全像式3D顯示技術，則是以光學的方法在空間中產生3D影像，視覺類同具體存在的3D物體，我們將其稱為為空間式3D立體影像。空間式3D立體影像需要的數據量龐大且需要高速的影像處理，相對技術難度高很多。空間體積式3D通常是以360度環繞中心投射及反射影像技術，利用人眼視覺暫留的特性，觀者可看到360度具體3D立體影像。此技術通常需要運用快速360度旋轉的機械動作，機械旋轉所產生的振動與噪音，以及中心軸的穩定度，都是需克服的技術問題，由于機械結構的關系，此技術也不易做到大的3D影像顯示。 全像式 至于全像式3D顯示技術，雖然可以提供較理想的3D視覺效果，國際上有很多研究機構在發展，不過由于技術難度甚高，仍屬實驗室研發階段。據了解，日本正發展以全像式3D顯示為核心的高擬真通訊技術，預定產品化時間為2025年。
傳輸 3D拍好了到底怎么樣傳輸?目前有幾種方式，一種是兩個都是高清的SDI傳輸，將來要用3G的方式，1080 50p只是3G中的一種方式。用兩路傳輸會碰到傳輸時延問題和爭議問題，現在的方式是通過兩個SDI的方式，一個是左眼的信號，一個是右眼的信號，會出來兩個測試的信號。建好系統和檢測設備以后，通過左右眼的信號檢測整個通道。需要注意有沒有把左右眼信號搞混，包括有沒有通道之間的延時，如果通道之間有延時會造成錯位，3D效果就會有很大問題。 前不久美國實驗室有一個傳輸的規范，傳3D的信號有兩種方式，一種是3D的左眼右眼并列傳，通過壓縮。這種方式適用于1080i隔行掃描格式，左眼在水平方面壓縮一半，右眼在水平方向壓縮一半，類似于1080i的畫面，通過MPEG2和H.264去傳輸，經過解碼器把左眼跟右眼信號分別解碼出來，這時的水平只有一半，再做上變換，得到的畫面就是1080i，出來的即是左右眼的信號。720p的方式是上下的，上部分是左眼，下部分是右眼，這樣出來的還是720p的畫面，現有的系統同樣可以傳左右眼的信號，定義多少行到多少行是左眼，多少行到多少行是右眼，接收的解碼器同樣可以把左右眼解出來，通過電視機顯示出來。 |
