多１Ｄ，大不同

刘进军

2005年春，美国纽约最繁华的高档时装商店，富有南美风格的强烈音乐。橱窗内彩灯变幻之间，突然出现了几位美女。美女们风情万种，优美的身材做出各种舞姿。顿时吸引了不少人围观。见图1突然间，灯光、音乐骤停，美女们在大家眼前瞬间消失了。观众们顿时瞠目结舌，你看看我、我看看你，不明白发生了什么事情。美女们到哪儿去了呢？专家告诉人们：这是全息立体影像。刚才是一次高科技的误会。而造成这场误会的正是立体电视。对于立体电视，我们又了解多少呢？

立体电视简介

1.立体电视的原理及分类

人类判断物体的深度和距离时，是根据不同深度的物体在左右两眼中形成图像的视差不同来进行的。立体电视又称为三维电视（3DTV），它正是基于上述理论设计出的产品。

用全真立体电视技术制作的节目具有很强的景深立体效果，画面中景物富有层次与空间感，画面透明、细腻，画质优良。在传送立体电视节目时，必须采取频带压缩或码率压缩等方法才能通过普通电视频道传送立体电视节目。

目前的立体电视按其原理可分为如下三类：

（1）视差制式立体电视

视差制式立体电视的摄制由立体摄像机完成，立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来代替人的两只眼睛摄取图像，两个图像信号需用2个通路传送到显像端。两个镜头之间的距离及其光轴之间的夹角和距离必须模仿人的两个眼球动作，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以保证拍摄的两个图像的视差与人眼直接观看的视差相同。

立体电视节目可以利用现有的电视设备（录像机，电视机）播放。能与普通电视互换，可兼容HDTV立体电视。在观看节目时，需要一幅立体液晶转换屏与一副检偏眼镜配合完成。（见图2）转换屏放在电视机荧屏前部，由电视机内场同步扫描信号控制，将普通电视机显示的重叠立体图像分离。通过检偏眼镜就可看到清晰的立体图像。但这种方式并非主流。

（2）时差式立体电视

1982年，美国南卡罗莱纳大学最先提出时差立体电视概念。根据闭上一只眼睛也能获得立体感的特性，将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，从而使人获得立体感觉。

时差制式立体电视在发送端也是利用两部摄像机获得一对视差图像信号，用一条信道以适当速率顺序交替传送。在接收端使这一对视差信号所形成的两幅图像，按发送端传送的顺序，先后轮流地出现在屏幕上，人眼就能看到立体彩色图像。

与视差式立体电视不同，时差式立体电视在接收端不需要附加任何装置，用普通彩色电视机就可以看到立体彩色图像。为了实现时差制式立体电视，只需要在前端系统进行必要的改造和添置设备。（见图3）

（3）全息制式立体电视

全息制式立体电视以全息影像技术为基础，利用电视技术摄取，传送和显示全息图来重现空间三维立体像。它可以让一幅静止画面以立体方式呈现，观看者可以从各个角度看立体电视，甚至围成一个圈看电视。

全息成像技术正在成为立体电视的发展趋势，开篇提及的那一幕就是依托全息立体电视技术实现的。随着科技的发展，全息立体技术将颠覆传统观念，人类将进行一场视觉革命。（见图4）

2.立体电视的发展

立体电视技术是随着立体视觉技术和电视技术的发展而发展的。

1893年，英国科学家查尔斯·维特斯顿在人类立体视觉系统方面取得关键突破。他利用反光式立体镜将两个分离的图像组合，显示出立体场面。（见图5）

20世纪70年代末，由于陶瓷光开关新材料的出现，光开关眼镜应运而生，时分式的立体电视技术随之出现。80年代初，东芝公司研制出时分式立体电视投影机，人们通过偏光镜即可观看。1985年，松下公司首推时分式液晶眼镜立体电视样机获得成功，1991年6月，日本电报及电话公司研制了播放立体影像的彩色电视机。现在，具有双屏显示器的头盔观看设备有很理想的立体观看效果。在国内，清华大学已研制出高透光率的新型液晶光阀眼镜，并于2001年研制成功时分式液晶眼镜立体电视机。

目前，时分式的立体电视技术相对成熟，它的优点在于能提供逼真的彩色立体图像；当电视场频较高时，图像稳定无闪烁；同目前的彩色电视系统、计算机显示器相兼容；能顺利向立体电视系统过渡。

2003年在日本东京召开的3D联盟成立大会上，三洋电机展示了不用戴眼镜观看立体图像的显示器。这也标志着立体电视更进一步的发展。 （见图6）

3.立体图像的应用

随着立体电视在全球的普及和互联网的飞速发展，三维成像技术的应用领域不断扩大，商业前景十分广阔。三维成像技术应用的范围目前非常广泛，在影视、军事、摄影、手机、电脑、广告、教育、设计、医学、魔术、展览展示、航空航天、远程医疗、文体观赏、娱乐游戏、电子商务等领域均可规模应用。

2008年4月初，美国宇航局的“火星侦察探测器”利用立体技术，拍摄火星的小卫星——“火卫一”，令人过目难忘。同年11月，科学家首次拍下人体动脉血管立体图像，为我们揭示了人体内部的神秘。

立体电视成像技术

立体显示的关键技术

立体显示的关键技术是视频刷新率。若刷新率在40Hz以下将形成频闪，使节目不能观看；80～100Hz将能正常显示；如能达到1 40Hz则是最理想的。随着100Hz电视机、显示器的出现，频闪问题将不复存在。

立体电视的立体信号有多种规格可供选择，如表1立体信号规格所列。

视差制式成像技术简介

视差制式成像技术利用两眼的视差特性实现立体效果，目前常见的有：色分法、光分法、时分法、偏振光法、遮光法、全息电视法等。

(1)色分法：又称为补色法。在接收机荧屏上用互补的

两种颜色分别显示出供左、右两眼分看的图像。如送到左眼的图像只有品红色；送到右眼的图像只有绿色。观看时要戴有色眼镜，使左眼只能看见品红色图像，右眼只能看见绿色图像，在大脑中融合成一个彩色立体图像。用色分法传送立体电视图像信号时，可以在一个电视频道内传送一套立体电视节目。

(2)光分法：将用于供左、右两眼观看的图像分别用偏振方向正交的两个偏振光投射到人眼，观看时戴上一副通透过偏振光的眼镜，使两眼分别看到各自所需的图像。显示器可用两个显像管组成，在每个荧光屏前加一块只能透过一个方向偏振光的极化板，两个荧光屏的夹角为90°它们发出的偏振光通过与两个荧光屏都成45°角的半反射镜投射到观看者的眼镜上。或者在两组电视投影管前分别加一块极化板，用互相垂直的偏振光向同一个屏幕上投射出左右两眼的图像。这是戴眼镜观看方式中图像质量最好的一种方法。但观看时不能歪头。

(3）时分法：以一定速度轮换地传送左右眼图像，显像端在一荧光屏上轮流显示左右两眼的图像。观看者需戴一副液晶眼镜。眼镜用一个与发送端同步的开关控制，当左眼图像出现时，左眼的液晶透光，右眼的液晶体不透光；相反，当右眼图像出现时，只有右眼的液晶透光。左右两眼只能看见各处所需的图像。

以上方法都需戴眼镜观看，容易引起眼睛疲劳，因此观看时间不能过长。

全息成像技术简介

全息技术最早是应用在照相上的，是利用光的干涉原理，把物体特有的光波信息记录在感光材料上，经过显影定影处理后，得到一张全息图。这张全息图上面是没有图像的。要想看到图像，就是要使光波重现。重现的图像与原物一模一样，如同透过窗口观看外面的景物一样。移动眼睛可以看到物体的不同侧面。观看前后不同距离的景物时，效果更加出色。（见图7）

立体电视显示技术

立体显示设备居于世界前列的有美国的DTI公司、飞利浦、夏普、三洋电机、三星与美国的Actuality System公司，在这其中，如DTI的“自动双重拷贝”技术、飞利浦-夏普公司的技术、三洋电机的“图像分割棒”技术和三星电子的“多透镜”技术都是值得我们学习和研究的。

1．自动双重拷贝技术

美国DTI公司将LCD的像素矩阵分成奇数列和偶数列，奇数列上只显示左眼可以看到的图像，偶数列则显示专门针对右眼的图像，人脑根据这两幅图像的微小差异来获得三维视觉感受。让奇数列的图像只进入左眼，让偶数列图像只进入右眼，关键在于DTI 3D显示器所采用的特殊结构。

LCD显示器无法自主发光，要实现显示就必须借助背光将像素照亮才行，如果背光照不到，屏幕就会呈现黑屏状态。如果能够精确控制背光的射向，再加上光学设备的辅助，就可以实现奇数列图像和偶数列图像分别被左眼和右眼所看到。DTI沿着这个思路，在标准LCD背光板与LCD液晶板之间添加了一个额外的光学仪器TN板。该TN板上的垂直区块会根据显示任务的情况来照亮奇数或偶数的区块，并以60帧/s的速度高速刷新。此外，在TN板与LCD板之间还有一个特殊的透镜单元，通过透镜的折射可以让指定的图像进入到左眼或者右眼。这样，我们的大脑就会以为是在看一个具有深度的真实世界。

飞利浦-夏普公司的技术方案同样采用TN板液晶开关来控制背光的通断，但两幅图像产生的机理以及透镜的位置都与DTI的3D LCD方案有所不同。

2．3D LCD显示技术

飞利浦-夏普的3D LCD显示器的关键部分可以分成四层结构:最上部为关键的光学凸透镜层，再依次是顶部玻璃基板、LCD单元层和底部基板。LCD单元层中每一个格子代表一个像素，每个像素又包含一定数量的子像素。而每个像素表示的是所显示物体的一个立体点，会分别落在观察者左眼或右眼上。由于光学凸透镜的焦距刚好落在LCD单元层上，这样，外界的平行光线经过凸透镜后可以聚焦在LCD单元层，光线的方向不同、聚焦在LCD单元层上的位置就不同。根据光路可逆原理，每个LCD像素所发出的光经过凸透镜的折射后都会变成可进入人眼的平行光。不同子像素发出的光线方向不同，通过对透镜的精确设计可以让这些光线分别被用户的左眼或右眼所观察，这样就可以看到非常真实的立体效果。如图8所示。

3．图像分割棒技术

三洋电机是在画面上设计多个条状遮光的“图像分割棒”，使用户的右眼和左眼分别只能看到指定的图像。三洋电机开发专门的“头部跟踪系统”，可以自动侦测到用户头部的位置，并且根据反馈信息来调整“图像分割棒”，这样即使用户的头部移动到了3D可视区域之外，显示器也会自动调整“图像分割棒”的开口，让用户获得不折不扣的立体视觉。

4．多透镜技术

三星公司借助多透镜技术来控制左右图像的射向。如图9多透镜技术所示。

多透镜屏由一排垂直排列的半圆形柱面透镜组成，由于每个柱面镜头的折射作用，使右眼图像聚焦于观者右眼，左眼图像聚焦于观者左眼，由此产生立体视觉。这些技术手段使制造出基于多透镜技术的高清晰立体电视机成为可能。

5．全景立体技术

美国Actuality 系统公司开发的“Volumetric 3-D Display”是一种可360°全景任意观看的3D显示器。“Volumetric 3-D Display”的主体部分是一个直径为10英寸的球型显示器，可以从水平 360°，垂直270°范围内观看完全虚拟现实的真实效果。如图10。

立体电视系统

立体电视系统主要由立体摄像机和立体显示设备组成。

1．立体摄像机

立体摄像机：具有双镜头，综合计算机、测控、图像处理技术，拍摄过程符合人的视觉机理。

2．立体显示设备

目前，欧美日多个国家已研发出立体电视机、电脑显示器、手机、投影机等显示设备。

高清晰立体电视机采用高清晰电视信号处理器与高清晰立体电视处理模块，支持国际标准的高清晰视频信号输入，采用纯平精密显像管，逐点再现精彩画面。

高清晰立体电视机能够支持两种立体节目格式，能够将普通电视节目实时转换成立体效果观看。若具备高清晰的720P以上输入信号，更能提供完美的立体显示效果。

高清晰立体电视机采用半透明的图形化菜单界面，操作简洁，方便实用。数字电视机顶盒的广泛使用、输入电视机的信号种类多的特点，提供了“一键机顶盒”、“一键高清晰”、“一键计算机”的快捷遥控按键。代表参数如表2所示。

全息电视技术

1．全息电视

全息电视又称为三维虚拟电视、全息立体电视。全息技术是实现真实的三维图像的记录和再现的技术。与其他三维“图像”不一样的是，全息图提供了“视差”。视差的存在使得观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象——好像有个真实的物体在那里一样。

全息电视具备如下几个特点：形象逼真、高清晰、多角度和穿透力。能在时间、空间上创造影像，极具变化。任何一个人都可利用全息技术在虚无的空间创造一个虚拟的影像。任何一个人都可瞬间变出和消失。如图11所示。

2. 全息电视代表

1）宏鲁思全息电视

2007年1月，美国CLARO公司推出一款宏鲁思三维立体电视。这款产品由显示器、后置投影机和一套激光音效系统组成，其中有两个大玻璃音效发生器尤为吸引眼球。如图12所示。

宏鲁思的投影机相当于光波信息记录仪。显示器是用来显示全息图的。宏鲁思整个屏幕是由10mm 厚的玻璃制成，面积为1.5m×1.0m。屏幕外面有一透明的材料覆盖，面积比显示屏稍大一点，显示的画面是在半空中。

2）“水晶球”全息电视

“水晶球”1.9全息电视由美国Favalora制造，是一款真正的全方位三维全息电视。“水晶球”系统由直径25cm的白色聚合体屏幕制成，安装在1m高的黑色盒子上，方便人们围绕它观看。如图13所示。

实现全息的方法就是通过一个高速旋转的屏幕，让屏幕在面向各个不同方向的时候显示一个物体不同角度的图像。无论走到这个物体的哪个角度，都能看到对应物体的不同角度的映象了。如图14“水晶球”结构所示。

立体卫星电视

立体卫星电视的编码、发射、传输、接收方式与与传统卫星电视一样，只需接收立体电视的信号即可。由于对带宽、速率等传输技术没有特殊要求，立体卫星电视解决方案是比较容易实现的。

立体卫星电视系统主要由地面段和空间段组成。地面段由发送端和接收端组成。发送端由立体节目源、发射中心、发射天线等组成；接收端由卫星天线、下变频器、卫星接收机和智能卡等组成。如图15所示。

立体卫星电视实施手段目前已基本成熟。欧美多国均已将卫星转播立体电视列列入计划。各国的立体卫星电视均采用时差制式、全息立体电视技术、高清技术。

预计到2015年，由卫星转播的全息立体图像节目将会走进千家万户。立体卫星电视的曙光已现，笔者也以此文对相关的立体电视技术、产品及未来发展做一概要介绍，希望它能早日成为我们的朋友。

相关链接

3DTV技术迅猛发展

英国数字电视集团（DTG）举行英国首次对3D电视（3DTV）的行业咨询活动。此活动邀请包括125家数字电视广播机构、平台运营商、厂商及其它有关机构的DTG成员，提出他们对3DTV技术可行性和生产能力以及关键的互操作性问题的看法。

DTG总干事Richard Lindsay-Davies评论此资讯时表示：一些行业观察家把3DTV视为HDTV自然进化的结果，但许多挑战贯穿价值链，从图形采集、存储和后期制作，到分配接收和显示。这些挑战必须得到理解与克服，以便让3DTV成为一种可行、有生存能力的消费主张。

CNN用3DTV画面打破收视率纪录每到总统选举，美国的新闻大战就会正式开打。作为老牌新闻机构，CNN在本次的总统大选新闻报道中运用了全息影像技术，它将主持人的立体图像直接投射到演播室中，从而跨越时空限制，对年轻观众而言，这一举动非常讨巧。3DTV技术帮助CNN打破了收视率纪录。CNN的大选之夜报道吸引了超过1300万人收看，击败了电视广播网和有线电视竞争者。

除此之外，CNN还旨在成为令时光静止的第一人。与微软合作，CNN还要求奥巴马就职典礼的几万名现场参与者送交来自于手机、DC拍摄的现场照片，以创造一个大规模的典礼3D模型。用户提交的图片将用微软的Photosynth技术，基于共同要件准则缝合在一起，以便建立奥巴马宣誓就职那一刻的3D计算机图形模型。此3D模型随后会在电视上播出。