3D成像及其电视技术漫谈

敖翔宇

摘 要：在现实生活中，我们已经有着越来越多的机会接触到3D电视和3D电影。这种看似尖端的技术到底是如何实现的呢？3D电影已经接近普及，而3D电视离我们到底还有多远呢？本文将带领读者探究3D技术的原理以及其在我们生活中运用。

关键词：3D电视；偏光；裸眼3D

对一个热爱电影的朋友来说，2010年1月在国内上映的美国电影《阿凡达》无疑是一部不可错过的大作，但是若说买张光碟自己在家看，我想多数人会说不。从传统电影评析角度来看，《阿凡达》并没有什么出彩之处，老套的剧情，简单的人物刻画，电影开始5分钟后，很多影迷朋友估计就能猜到结局，那是什么成就了《阿凡达》呢？答案就是3D成像技术。

如果说4K、8K一类的技术是为了提高画面分辨率，改善节目内容细节，那么3D成像技术则是为了改善观众的观感体验。3D成像这一技术名词听起来颇具现代感，但实际上它的历史可以追溯到上个世纪初。1903年科学家发现了“视差制造立体”的原理，并利用双镜结构实现了它，由此揭开了3D成像技术发展的序幕。

在经历了一段曲折的发展道路，并在短暂的沉寂后，3D电影在新的世纪重回我们的视野，2010年的《阿凡达》将3D电影推向了巅峰，或者说是近10年来的巅峰。相对于3D电影，3D电视起步更晚。但以此就判定3D电视的发展就落后于3D电影，那无疑是个大误会。自1925年实际意义上的电视机诞生后，电视领域的科学天才们就开始断断续续的尝试在电视上实现3D显示。20世纪50年代，彩色电视技术发展到接近实用的阶段，“互补色立体分像电视技术”开始应用于立体电视，要观看立体节目你需要的只是一个滤光镜，和看那时的立体电影一样。或分色或利用偏振光，3D电视与3D电影基于同样的显示原理，走着两条相互平行，目的相同的道路。

说了这么多历史，到底什么是3D成像技术，它的实现原理是怎样的呢？

现代3D成像技术是在1903年发明的“视差产生立体”原理基础上发展而来的。所谓“视差产生立体”原理就是当我们观察事物时，两眼所看到的画面会因为两眼位置不同而产生细微的差异（这一差异也被称作视差位移），我们的大脑通过对这种差异的处理让我们有了立体视觉，而3D成像技术的核心就是“制造视差”。

想要在两眼间制造视差，首先得知道我们的眼睛对颜色、光线颇为敏感，而因为视觉惰性（指眼睛看到景物后，景物在感觉上会存留一段时间，这一现象源于神经系统的惰性）的存在，它甚至对时间也是敏感的。知道了我们的双眼对什么参数敏感后，我们就可以有针对性的创造条件制造视差，既然上面提到了三个参数，我们也就至少有三种制造视差的方式，即色差式、偏光式和主动快门式。

色差式成像的实际应用技术被称为光谱分光技术，它的基本原理是利用旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤色，使得一个画面能产生出两幅存在细微色差的图像，其优点是成本低廉，实现简单，但因其成像效果差，容易产生色偏，所以未被作为现代主流3D成像技术。

基于人眼视觉惰性的3D成像实用技术是主动快门式3D技术，其基本原理是以很高的频率轮流开关左右两眼的镜片，使两眼看到不同时间片上的画面（可以简单理解成轮流睁开闭上我们的眼睛，只让某一只眼睛看到它需要看到的画面）利用人眼的视觉惰性在左右眼生成不同的画面，只要开关时间足够快，就能够让人产生3D视觉。这一技术的优点很多，如残影少、3D效果完整、无分辨率损失等，但其缺点也同样明显，主要有亮度损失大、高速开闭镜片导致的视觉疲劳、眼睛快门不同步导致的画面模糊和因液晶材质特性导致的可视角度限制。最后，相对较高的实现成本也限制了这种技术发展。

偏光式3D成像技术的核心原理是偏振分光技术，所谓偏振分光技术是指利用特殊的光学结构（通常是偏光膜）滤掉无用的光波，只允许特定振动方向的光波通过的技术。在实际应用中，我们先将图像分为垂直向偏振和水平向偏振两组画面，然后光线在通过滤光片后将这两组画面分别投射给左右眼，于是我们任意一个眼睛只能看到两组画面中的一组，视差由此产生，剩下的就交给我们的大脑了。需要提到的是，在这一方法下，两只眼睛只接收两个在屏幕上占一半的画面，其直接结果就是画面清晰度和3D效果也会因此而减半。比如一个1920*1080P的屏幕将只能给我们提供960*1080或1920*540清晰度的画面体验。即使这样，它的优势也是非常明显的。首先，相对于主动快门式3D技术，偏光式技术不存在画面闪烁导致的视觉疲劳问题，即使长时间观看节目也不会有头晕恶心等症状。而且因其两眼产生的图像是分离左右影像来体现3D影像，所以不会有两眼间的干涉现象发生，及不存在画面重叠的3D影像。其次，因其未利用时差来实现画面分离，故可以在相同时间里以更高的频率观看3D画面，从而杜绝刷新频率慢导致的画面拖拉现象。最后，偏振式3D技术实现简单，实现成本相对较低，具备成为主流3D技术的条件。

从以上的简要说明中我们可以看出，3类3D成像技术的实现都需要我们佩戴相对应的眼镜或具备相同功能的设备，基于同样技术的3D电影也是这样。作为一个观影者，戴着眼镜坐在影院中看场3D电影也许并不算事，但如果你身在家中，为观看3D电视节目而时刻带着眼镜就未免有些麻烦，特别是原本就有近视问题的观众本就戴着一副眼镜时。这也是3D电视与3D电影的一个重要分歧点，电视观众的节目观看时间更长，他们往往对舒适度有更高的要求，因此电视观众比起电影观众更需要脱离眼镜的束缚，由此引出一种基于相同成像原理，却有着不同实现方式的3D成像技术——裸眼3D技术。

裸眼3D技术主要分为光屏障式、柱状透镜技术和指向光源三种，相较眼镜3D技术而言，它让观众摆脱了眼镜的约束是它最大的优势，但因其技术原理，目前而言，它在分辨率、可视角度和可视距离方面存在诸多限制。

采用光屏障式3D技术的电视屏上集成了一层由偏振膜和高分子液晶层构成的光栅层，因左右眼的视角不同，这些光栅结构会限制进入我们左右眼的光线，从而在左右眼产生不同的画面，进而产生3D视觉。稍加分析我们就会发现光屏障式3D技术的实现原理与偏光式3D技术类似，区别在于它将镜片的偏光特性集成到了电视屏幕中。光屏障式3D技术实现简单，传统的液晶屏生产线稍加改造就可以生产这类屏幕，但因其光栅结构的存在，这一技术生产出的液晶屏画面亮度会偏低，而分辨率也会受到影响。

使用柱状透镜技术的裸眼3D电视在其液晶显示屏的前面添加了一层柱状透镜，是液晶屏的像平面位于透镜焦平面之上，这样使得每个柱状透镜下的像素被分成数个子像素，而这些子像素被投射向了不同的方向，同样因为视角的差异，我们的两眼会看到不同的子像素，从而产生视差，生成3D视觉。因这一技术中像素只是通过透镜而无其他遮挡，故屏幕亮度不会受到影响，但透镜的曲光特性导致其在画面分辨率上也难有进步，另外生产这一技术的液晶屏幕生产线并不与传统液晶屏生产线兼容，故生产成本更高。

指向光源技术的3D电视目前还未实用化，其基本原理是搭配两组LED光源，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序方式进入观看者眼睛中，通过互换两眼影像产生3D视觉。这一技术在分辨率、透光率方面皆能保证，但其尚处于试验阶段，并未进入实际应用阶段。

虽然在屏幕上实现3D效果已不是什么新鲜的概念，很多家庭可能已经购置了自己的3D视频设备，但这里笔者要说3D成像技术应用依然处于萌芽阶段。

就内在条件而言，虽然3D成像技术已经发展了很多年，经过无数次更新换代，很多有代表性的技术也已经能在日常生活中使用，但我们也可以看出任何一种3D成像技术都还有不成熟的环节，也许在我们急着将3D引入生活前，我们可以在3D成像技术上再进一步。

就外在条件来看，只有少数节目制造商具备生产3D节目内容的资质，且3D视频采集、传输、回放和存储设备价格成本居高不下，这使得短时间内3D节目的制作成本会远远高于普通节目的制作成本，我们当然可以利用特定算法实现普通节目的3D化，但就目前的技术而已，得到的效果并不尽如人意。且就3D终端来看，在很长一段时间内，电影依然是3D终端市场主流，家庭3D的普及还需要些时间。

尽管如此，我们依旧可以预想，在未来3D成像技术终会成为一种主流成像技术，它会进入我们生活的方方面面，让这个世界最枯燥的角落也变得栩栩如生。