多视角裸眼3D电视的技术实现

黄庆敏

（冠捷显示科技（厦门）有限公司，福建 厦门 361101）

在现阶段的电视产品市场，支持3D功能基本上是各个品牌电视的必备功能。但他们几乎都不可避免地需要一个附件3D眼镜才能让用户欣赏到3D的视频画面。但因长时间配带眼镜来观看3D电视可能带来的头晕、恶心等问题特别是近视人群要是再带上一个眼镜更是苦不堪言，这个眼镜的束缚已严重影响了用户对3D视频画面的欣赏热情。显然各彩电巨头们也已意识到了这个问题，在近一年的如CES展、IFA展、高交会等重要展会上已开始纷纷展示各自的裸眼3D电视产品，其中超高清晰度多视角的裸眼3D电视更是成为各彩电巨头们重点介绍的产品。

1 3D电视的实现原理

众所周知，当我们用双眼来观看这个世界的自然景物时，我们可以自然而然地看到立体的3D景观，其主要原因是我们的左眼与右眼从不同的角度观察同一个物体时会有不同的画面感知即左右眼视差，这个左右眼不同的画面感知经大脑合成后就成了具有纵深立体感的3D画面，即视差产生了立体，如图1所示人眼观察同一个物体时所产生的左右眼视差图。无论是采用眼镜式或裸眼式技术来实现裸眼3D显示，其最基本的原理是相似的，就是利用人眼左右分别接收不同画面同时通过大脑经过对图像信息进行叠加重生，构成一个具有3D立体效果的影像[1-3]。

图1 左右眼视差画面Fig.1 Parallax image in between left eye and right eye

2 多视角裸眼3D的技术实现

2.1 裸眼3D的技术实现

在没有3D专用眼镜裸眼的状态下，由于没有了眼镜的对左右眼画面的分隔作用，此时我们的左眼和右眼将看到一样的整个屏幕图像内容，这样就没有了左眼和右眼图像信息的差别，也就无法看到3D图像。在这种状态下只能通过改变屏幕的成像结构来实现，改变屏幕成像结构的目的是让无3D专用眼镜的裸眼状态下让左眼只能看到左眼图像，让右眼只看到右眼图像。目前改变屏幕成像结构的主要方法是在屏幕上加一层可以实现对屏幕像素点可进行方向性视觉阻档的设备，经过设备的方向性光线改变后，让观看者在电视前的某一区域左眼和右眼分别只能看到各自应该看到的相对应可视画面，从而形成3D立体图像的视觉效果。目前在电视屏幕上应用比较多的裸眼式3D技术是光栅式（Barrier）和透镜式（Lenticular Lens）两种。其主要实现方式如图2所示[4]。

图2 裸眼屏幕技术实现Fig.2 Panel technology for naked eye 3D

2.1.1 光栅式3D技术实现

光栅式3D技术是在屏幕的表层增加一层可开关控制的液晶层。该液晶层里的液晶分子可通过控制改变其相应的排列方式形成一系列垂直排列的栅状条纹。例如在3D模式下，相应位置的液晶分子由平行改为垂直，此时就会在屏幕前方形成一系列垂直排列的栅状条纹，这些条纹和条纹间隙可以让像素的光线按一定的方向发出，不同的像素点位置会有不一样的光线发出方向，这样在3D显示模式下，应该由左眼看到的屏幕像素会被不透明的条纹档住而不被右眼看到，而通过条纹的间隙左眼就能看到左眼应该看到的屏幕像素；同样的，应该由右眼看到的屏幕像素会被不透明的条纹档住而不被左眼看到，而通过条纹的间隙右眼就能看到右眼应该看到的屏幕像素，如图3所示。采用光栅式技术的特点是与现有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性与成本上具有优势，但亮度会下降。在同样背光源亮度的情况下如果设计的光栅是n视角，当光栅打开时其亮度是光栅没打时的1/n。

图3 光栅式工作原理Fig.3 Barrier technology

2.1.2 透镜式3D技术实现

柱状透镜3D技术是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像像素就会被分成用以分别显示左眼图像和右眼图像的左眼图像子像素和右眼图像子像素，由于左右眼的视角不同，即使通过同一个透镜却能看到不同的子像素，于是双眼从不同的角度观看显示屏就看到不同视差角度的图像，从而在大脑形成3D图像。为了使屏幕可以在2D和3D模式下可切换，屏幕前面的透镜层也是通过控制注入在微透镜里的液晶分子排列方式来控制透镜的开与关，透镜开时，屏幕工作在3D模式，透镜关时，屏幕工作在2D模式。由于透镜式的生产工艺较为复杂且与现有LCD液晶工艺不兼容，所以相对光栅式的裸眼技术其成本会增加，但相对光栅式有一个明显的优点是透镜即使开启让整个屏幕工作在3D模式时，透镜并不会阻挡背光，在相同背光环境下，透镜技术的3D画面亮度相对与2D画面是一样的。

2.2 多视角的技术实现

2.2.1 多视角的技术特征

较早出现的裸眼3D电视不管是光栅式或透镜式的都只是双视角，双视角电视可观看到3D效果的区域如图4所示。其中红色区域表示左眼可正确观看到左眼像的区域，绿色区域表示右眼可正确观看到右眼图像的区域，当观看者的左右眼刚好分别落在红绿区域时就能欣赏到正确的3D画面。可如图4所示，双视角电视可观看到的3D效果的区域局限性太大了，使得用户较难找到一个合适的观看点。

图4 双视角可视区示意图Fig.4 Visual area for two view naked eye 3D

为解决双视角裸眼技术观看的局限性问题，多视角的裸眼3D技术被提出来。以四视角透镜式裸眼3D为例，透镜层的每一个透镜下都有4个子像素，4个子像素间都存在一定的视角差，经透镜折射以后在电视前方将有4个视角区域，分别是视角1、视角2、视角3和视角4，如图5所示。当观看者的左右眼只要有分别刚好落在视角1、2或视角2、3或视角3、4区域，他们就都能欣赏到正确的3D画面。相对双视角，四视角的可观看区域明显比双视角提升很多。如果有更多视角，裸眼3D电视前的可观看区域也越多，用户们就更容易找到可欣赏3D画面的位置。

图5 四视角可视区示意图Fig.5 Visual area for four view naked eye 3D

可是不管是光栅式或透镜式的裸眼3D，视角的增加都将意味着3D画面分辨率的降低。以原屏幕为全高清分辨率1920*1080和两视角裸眼3D为例，在3D画面下，可观看到的3D画面分辨率将在水平或垂直方向的分辨降为原来的1/2，即变成1 920*540或960*1080。如果是四视角的裸眼3D，那3D画面的分辨率将在水平和垂直方向都降为原来的1/2，即变成960*540。所以针对全高清分辨率的屏幕，视角也无法设计太多。但随着超高清4K2K分辨率屏幕的推出，多视角的裸眼3D将迎来一次机会。以9个视角为例，原4K2K分辨率的屏幕在3D画面下其分辨率也能达到1280*720，即3D画下的分辨率也达到了中国的高清标准。而9个视角的裸眼3D电视前面，用户无法正确欣赏到正确3D画面的概率已经很小了。目前市场上即将推出或在近来各展会上展出的可2D和3D间画面切换的4K2K裸眼3D电视多是9视角或5视角的裸眼3D电视。且以目前测试得到的数据来看，5个视角以上的裸眼3D电视就可以让用户较为容易地找到可欣赏3D画面的观看点[4-6]。

2.2.2 多视角画面的技术实现

目前3D视频的内容一般情况下都只提供双视角的左右画面。而多视角的裸眼3D电视需要多个视角画面在屏幕上显示。这时就需要将双视角的左右画面转换成多视角相应的画面。目前较为有效的实现方法步骤[3]如下：

1）先对左右画面进行算法过算得出一个深度图，深度图诠释了一幅画面里各物体或人物的层次关系，深度图以灰度表示画面，其中灰度值为0（黑色）表示离观看者的距离最远，通常把背景部分对应的深度图部分设为0；灰度值为255（白色）表示离观看者最近。

2）接着再以左视图画面作为参考图，结合利用深度图的深度信息来生成所需视角的其他视角画面。

3）将产生的多视角画面按屏幕多视角像素的排列规则及屏幕的屏驱动参数进行合成后输出。

整个流程的示意图如图6所示。

图6 多视角画面生成及输出示意图Fig.6 Generating and display for Multi view naked eye image

3 结 论

裸眼式3D摆脱了眼镜的束缚，且超高清多视角的裸眼3D技术也基本上解决了裸眼3D技术在分辨率、可视角度和可视距离等方面的不足。多视角裸眼式3D技术现已蓬勃发展，随着技术的不断发展及其成本的不断下降，相信在不久的将来其必将取代现有的眼镜式3D而成为未来3D电视技术必展的主要技术。

[1]Philips Company.Philips 3D technology introduction[R].Holland:Philips，Inc，1998.

[2]Dolby Company.The best Glasses-Free 3D for any Device[R].USA:Dolby Laboratories， Inc，2012.

[3]Philips Company.Philips 3D auto-stereoscopic display technology[R].Holland:Philips，Inc，2010.

[4]Neil A，Dodgson.Multi view auto-stereoscopic 3D display[R].England:University of Cambridge，2011.

[5]Christian Ruther.3D test[R].Taiwan:TÜVRheinland， INC，2013.

[6]Pieter J H.Visual Experience of 3D TV [R].Holland:Eindhoven University，2006.