裸眼3D顯示技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

黃火梅，金佳斌，袁心怡，尹海璐，李賢武，崔鑫儒，宋曉燕，

（1．上海理工大學，上海 200093；2．上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院，上海200025）

如果從1838年惠斯通發(fā)明立體鏡算起，3D顯示技術(shù)已有接近兩百多年的歷史了[1]。近些年來，3D電影和游戲的興起，給大眾帶來了不少新奇的體驗，而科技的進步也在不斷地推動著立體顯示技術(shù)的發(fā)展。目前，裸眼3D顯示技術(shù)是影像行業(yè)最新、前沿的高新技術(shù)，因其體驗感優(yōu)、舒適性強、準確率高等特點而快速發(fā)展，促進了醫(yī)療、軍事、娛樂、教育、遺產(chǎn)保護等領(lǐng)域的技術(shù)革新，應用前景不可估量[2]。

1.裸眼3D技術(shù)的分類及原理

3D技術(shù)依賴的生物基礎(chǔ)是雙眼觀察物體角度的不同，因此能辨別遠近、深淺，從而產(chǎn)生立體的感覺。裸眼3D顯示技術(shù)是通過顯示屏的技術(shù)性設(shè)置直接使人左、右眼接收到不同畫面，在大腦合成后實現(xiàn)立體視覺效果，不需任何輔助工具[3]。目前，裸眼 3D 技術(shù)的實現(xiàn)主要分為光屏障式技術(shù)、柱狀透鏡技術(shù)、指向光源技術(shù)和多層顯示技術(shù)[4,5]。

光屏障式技術(shù):光屏障式技術(shù)也被稱為狹縫光柵、視差屏障或視差障柵技術(shù)，它的原理是在顯示屏安置“視差障壁”，形成的柵狀條紋可以阻斷光線，條紋的間隙可以透過光線。當液晶屏上顯示左眼觀看的圖像時，右眼被條紋遮擋；而顯示右眼觀看的圖像時，左眼會被遮擋，從而將左眼和右眼的可視畫面分開，雙眼的畫面在大腦合成后產(chǎn)生立體效果。光屏障式3D產(chǎn)品與既有的LCD液晶工藝兼容，還能將顯示模式在2D和3D之間轉(zhuǎn)換，因此量產(chǎn)性好、成本較低。但是，由于遮光裝置的作用，畫面亮度會下降，觀眾的最適觀看點也有限，還需要質(zhì)量較高的液晶板和驅(qū)動裝置來滿足交替顯示的要求。同時，光屏障技術(shù)立體效果的實現(xiàn)需要在液晶屏同時顯示左、右眼圖像，導致畫面清晰度減半，并且顯示器同時展示的影像越多，分辨率降低越多。

柱狀透鏡技術(shù):柱狀透鏡技術(shù)也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡3D 技術(shù)，它的原理是在顯示器前加上一層由細長的半圓柱透鏡緊密排列構(gòu)成的柱狀透鏡板，使顯示屏圖像的像素被透鏡分成幾個子像素，向不同方向投影，讓觀看角度不同的雙眼看到不同的子像素，從而把視差圖像投射到人的左、右眼，經(jīng)視覺中樞的融合獲得立體感。因為透鏡不阻擋背光，因此畫面亮度不會受到影響。不過由于它的立體顯示原理與光屏障式的相近，所以分辨率仍較低。同時，運用柱狀透鏡技術(shù)的相關(guān)制造要在液晶屏前加上凸透鏡，和現(xiàn)有LED液晶工藝不兼容，必須投資新的設(shè)備和生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)成本和維護費用，對產(chǎn)品普及不利。

指向光源技術(shù):指向光源技術(shù)又稱方向性背光3D技術(shù)，它的原理是在設(shè)備搭配左右兩組LED背景光源，在顯示右眼圖像時，右邊的光源會被點亮，光線經(jīng)折射后只進入右眼，使右眼看到此畫面而左眼看不到；當顯示左眼圖像時，左邊的光源會被點亮，光線經(jīng)折射后只進入左眼，使左眼看到此畫面而右眼看不到，最終使右眼和左眼的圖像分別進入大腦。又因為視覺暫留原理，雙眼分別看到的畫面能夠在人腦中合成3D影像。該技術(shù)補充了光屏障式和柱狀透鏡技術(shù)的缺點，分辨率跟亮度都不會降低，能呈現(xiàn)高畫質(zhì)的3D內(nèi)容，同時還適用于原有的設(shè)計架構(gòu)，方便生產(chǎn)制造。但是，指向光源技術(shù)還不夠成熟，有待開發(fā)和完善。

表1 四種不同類型裸眼3D顯示技術(shù)的對比

多層顯示技術(shù):多層顯示技術(shù)簡稱MLD技術(shù)（Muli-Layer Display），是2009年由美國PureDepth公司研發(fā)出來的。MLD技術(shù)使用兩塊具有一定間隔的液晶板，一塊液晶板位于另一塊的前方，兩者間有一個透明的間隔層，前面的液晶板用來顯示前景圖片，后方的液晶板用來顯示背景圖片。當系統(tǒng)顯示出前景與背景圖像時，整個畫面會有縱深感，從而展示出三維影像，此時分辨率不會改變，觀看視角較廣。同時，使用MLD技術(shù)的產(chǎn)品可以兼容2D和3D模式，還能隨時將顯示二維碼的字幕部分添加在屏幕下方，使用效果甚好。但是，由于需要多加一層液晶板，所以制作成本較高，難以做到很薄。

2.裸眼3D存在的問題和解決方法

分辨率較低:利用光屏障式技術(shù)的裸眼3D顯示器的畫面亮度和分辨率會下降，柱狀透鏡技術(shù)雖彌補了光屏障式技術(shù)亮度下降的缺點，但分辨率低仍是待解決的問題。若能使每個透鏡的截面達到微米級，就能支持更高的分辨率，提高畫面清晰度，但超精細的柱狀透鏡制作難度高。方向性光源 3D 技術(shù)補充了光屏障技術(shù)和柱狀透鏡技術(shù)的缺點，顯示影像時分辨率跟亮度都不會降低，但該技術(shù)尚在開發(fā)，產(chǎn)品還不成熟。多層顯示技術(shù)利用兩塊液晶板模擬屏幕深度來顯示出任意角度的三維圖像，解決了畫面亮度和分辨率下降的問題。另外，漸變孔徑狹縫光柵可以在保證光學效率和分辨率的前提下實現(xiàn)3D顯示，解決了傳統(tǒng)狹縫光柵技術(shù)的問題[6]。

制作成本高:由于相關(guān)技術(shù)和使用材料等因素限制，要制造出便攜、輕薄且畫面高清的裸眼3D產(chǎn)品，生產(chǎn)成本會非常高，不利于推廣和普及。同時，裸眼3D LED需要特制的內(nèi)容，但是3D視頻的制作投資大、成本高，相關(guān)技術(shù)和實踐也缺乏，所以用于播放終端的3D作品片源缺乏，需要豐富裸眼3D資源庫。我們可以提高2D-3D視頻轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時借鑒國外的裸眼3D視頻拍攝的先進技術(shù)，創(chuàng)新裸眼3D拍攝技術(shù)，降低成本[7]。此外還可以開發(fā)其他材質(zhì)的透鏡，改善透鏡面板的性能，以此降低制作成本和難度。

可視角度和距離小:由于硬件條件的限制，最佳的觀看方向和位置都是固定的：距離過遠則3D效果不明顯，頭部移動偏離位置后會出現(xiàn)圖像模糊的現(xiàn)象。所以，裸眼3D技術(shù)還存在可視角度和距離較小的問題。若增加最佳視點，就要針對每個視點同步顯示播放內(nèi)容，這對顯示屏要求較高。通常可以將臉部跟蹤技術(shù)與裸眼3D技術(shù)配合使用，實時跟蹤用戶所在準確位置，保證用戶時刻處于最佳觀看位點，還可采取旋轉(zhuǎn)陣列形式的 LED 立體顯示，通過多根 LED 顯示材料旋轉(zhuǎn)形成的立體空間場，實現(xiàn)完全的全立體裸眼顯示，避免可視角度和距離小的問題，并可隨意變換角度[8]。

3.裸眼3D技術(shù)的行業(yè)概況

目前國內(nèi)外在裸眼3D研發(fā)方面處于比較領(lǐng)先地位的主要有六家企業(yè)：美國NewSight、韓國LG、荷蘭飛利浦、日本東芝、萬象三維視覺公司和上海的易維視。

NewSigh公司和LG都主要采用光屏障式技術(shù)。NewSigh公司將全程管理網(wǎng)絡(luò)與裸眼3D數(shù)碼信號結(jié)合，能給客戶提供全程動態(tài)視頻，還開發(fā)了能進行內(nèi)容生產(chǎn)和重放的3D軟件。它的產(chǎn)品消除了莫爾紋，減少了過渡區(qū)，并抑制了眩光；LG與谷歌合作開發(fā)裸眼3D產(chǎn)品，它主研究的醫(yī)用顯示器符合DICOM標準、背光輸出穩(wěn)定、功能強大、支持精確診斷、靈活性高、支持多語言。此外，LG公司在液晶透鏡技術(shù)上的研發(fā)較早，在液晶透鏡的大部分功效點上都有專利分布，特別在提高顯示質(zhì)量以及減少液晶透鏡的厚度等方面的研發(fā)持續(xù)性較好。

飛利浦和東芝主要采用柱狀透鏡技術(shù)。飛利浦在裸眼3D透鏡顯示設(shè)計、3D內(nèi)容創(chuàng)造和3D格式的研究突出，處于世界前列。它與杜比實驗室一起研制的裸眼3D新技術(shù)，適用于各種裸眼3D設(shè)備，方便所有商家為用戶提供合適的3D視頻內(nèi)容服務；東芝的產(chǎn)品運用9視差系統(tǒng)，裸眼3D效果十分流暢。它推出了全球第一臺裸眼3D電視，并且支持2D模式向3D切換。東芝采用的LED背光源技術(shù)十分先進，其亮度可以根據(jù)圖像各部分的明暗情況實施精確調(diào)整，從而使畫面品質(zhì)出色。

萬象三維擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的播放軟件和視頻播放服務器，可為不同層次用戶提供多種視頻內(nèi)容制作選擇，其產(chǎn)品在鳥巢中心、多地科技館進行展示，還通過將裸眼3D 與VR/AR 技術(shù)完美融合推出BeeEyes互動平臺，得到了重點關(guān)注。其裸眼3D顯示屏特點是超大面積、支持多人同時觀看、支持實時場景生成、支持互動控制、超遠出屏距離、超寬觀看角度等，能應用于廣告?zhèn)髅健⒅黝}公園、科博館、醫(yī)療、軍事、房地產(chǎn)、游戲等。

易維視自主研發(fā)了裸眼3D電視機、裸眼3D廣告機、裸眼3D平板等產(chǎn)品，擁有長期的3D技術(shù)算法積累，在動態(tài)背光、超解析、頻率轉(zhuǎn)換和超多試點方面有技術(shù)領(lǐng)先。由于采用多視點轉(zhuǎn)換技術(shù)，易維視的裸眼3D平板適合多人、多角度觀看。同時，易維視推出的EVT301芯片能夠?qū)崟r進行單視點/雙視點內(nèi)容到多視點視頻信號的轉(zhuǎn)換與處理，與現(xiàn)有的電視工業(yè)標準兼容，十分適用于大屏幕的裸眼3D顯示器。易維視主要產(chǎn)品有4K超高清裸眼3D電視、高清晰度裸眼3D廣告機、高清晰度裸眼3D平板、裸眼3D模組以及裸眼3D拼接墻。

4.結(jié)語

目前，雙目視差顯示技術(shù)發(fā)展最為成熟，制造的產(chǎn)品也層出不窮，種類越發(fā)繁多，代表性產(chǎn)品有裸眼3D電視、裸眼3D電腦、裸眼3D手機、LED裸眼3D顯示器等，相應的技術(shù)標準體系也正在建立。同時，用于產(chǎn)品展示的體三維顯示技術(shù)已得到應用，光場顯示、全息顯示技術(shù)雖然仍處于實驗室研究階段，但是也在不斷地完善，發(fā)展和應用潛力無限?？梢姡阊?D已經(jīng)步入了一個全新的發(fā)展階段。