敖翔宇

摘 要：在現(xiàn)實(shí)生活中，我們已經(jīng)有著越來(lái)越多的機(jī)會(huì)接觸到3D電視和3D電影。這種看似尖端的技術(shù)到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？3D電影已經(jīng)接近普及，而3D電視離我們到底還有多遠(yuǎn)呢？本文將帶領(lǐng)讀者探究3D技術(shù)的原理以及其在我們生活中運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：3D電視；偏光；裸眼3D

對(duì)一個(gè)熱愛(ài)電影的朋友來(lái)說(shuō)，2010年1月在國(guó)內(nèi)上映的美國(guó)電影《阿凡達(dá)》無(wú)疑是一部不可錯(cuò)過(guò)的大作，但是若說(shuō)買張光碟自己在家看，我想多數(shù)人會(huì)說(shuō)不。從傳統(tǒng)電影評(píng)析角度來(lái)看，《阿凡達(dá)》并沒(méi)有什么出彩之處，老套的劇情，簡(jiǎn)單的人物刻畫(huà)，電影開(kāi)始5分鐘后，很多影迷朋友估計(jì)就能猜到結(jié)局，那是什么成就了《阿凡達(dá)》呢？答案就是3D成像技術(shù)。

如果說(shuō)4K、8K一類的技術(shù)是為了提高畫(huà)面分辨率，改善節(jié)目?jī)?nèi)容細(xì)節(jié)，那么3D成像技術(shù)則是為了改善觀眾的觀感體驗(yàn)。3D成像這一技術(shù)名詞聽(tīng)起來(lái)頗具現(xiàn)代感，但實(shí)際上它的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)初。1903年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“視差制造立體”的原理，并利用雙鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了它，由此揭開(kāi)了3D成像技術(shù)發(fā)展的序幕。

在經(jīng)歷了一段曲折的發(fā)展道路，并在短暫的沉寂后，3D電影在新的世紀(jì)重回我們的視野，2010年的《阿凡達(dá)》將3D電影推向了巔峰，或者說(shuō)是近10年來(lái)的巔峰。相對(duì)于3D電影，3D電視起步更晚。但以此就判定3D電視的發(fā)展就落后于3D電影，那無(wú)疑是個(gè)大誤會(huì)。自1925年實(shí)際意義上的電視機(jī)誕生后，電視領(lǐng)域的科學(xué)天才們就開(kāi)始斷斷續(xù)續(xù)的嘗試在電視上實(shí)現(xiàn)3D顯示。20世紀(jì)50年代，彩色電視技術(shù)發(fā)展到接近實(shí)用的階段，“互補(bǔ)色立體分像電視技術(shù)”開(kāi)始應(yīng)用于立體電視，要觀看立體節(jié)目你需要的只是一個(gè)濾光鏡，和看那時(shí)的立體電影一樣?；蚍稚蚶闷窆?，3D電視與3D電影基于同樣的顯示原理，走著兩條相互平行，目的相同的道路。

說(shuō)了這么多歷史，到底什么是3D成像技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)原理是怎樣的呢？

現(xiàn)代3D成像技術(shù)是在1903年發(fā)明的“視差產(chǎn)生立體”原理基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。所謂“視差產(chǎn)生立體”原理就是當(dāng)我們觀察事物時(shí)，兩眼所看到的畫(huà)面會(huì)因?yàn)閮裳畚恢貌煌a(chǎn)生細(xì)微的差異（這一差異也被稱作視差位移），我們的大腦通過(guò)對(duì)這種差異的處理讓我們有了立體視覺(jué)，而3D成像技術(shù)的核心就是“制造視差”。

想要在兩眼間制造視差，首先得知道我們的眼睛對(duì)顏色、光線頗為敏感，而因?yàn)橐曈X(jué)惰性（指眼睛看到景物后，景物在感覺(jué)上會(huì)存留一段時(shí)間，這一現(xiàn)象源于神經(jīng)系統(tǒng)的惰性）的存在，它甚至對(duì)時(shí)間也是敏感的。知道了我們的雙眼對(duì)什么參數(shù)敏感后，我們就可以有針對(duì)性的創(chuàng)造條件制造視差，既然上面提到了三個(gè)參數(shù)，我們也就至少有三種制造視差的方式，即色差式、偏光式和主動(dòng)快門式。

色差式成像的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)被稱為光譜分光技術(shù)，它的基本原理是利用旋轉(zhuǎn)的濾光輪分出光譜信息，使用不同顏色的濾光片進(jìn)行畫(huà)面濾色，使得一個(gè)畫(huà)面能產(chǎn)生出兩幅存在細(xì)微色差的圖像，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但因其成像效果差，容易產(chǎn)生色偏，所以未被作為現(xiàn)代主流3D成像技術(shù)。

基于人眼視覺(jué)惰性的3D成像實(shí)用技術(shù)是主動(dòng)快門式3D技術(shù)，其基本原理是以很高的頻率輪流開(kāi)關(guān)左右兩眼的鏡片，使兩眼看到不同時(shí)間片上的畫(huà)面（可以簡(jiǎn)單理解成輪流睜開(kāi)閉上我們的眼睛，只讓某一只眼睛看到它需要看到的畫(huà)面）利用人眼的視覺(jué)惰性在左右眼生成不同的畫(huà)面，只要開(kāi)關(guān)時(shí)間足夠快，就能夠讓人產(chǎn)生3D視覺(jué)。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，如殘影少、3D效果完整、無(wú)分辨率損失等，但其缺點(diǎn)也同樣明顯，主要有亮度損失大、高速開(kāi)閉鏡片導(dǎo)致的視覺(jué)疲勞、眼睛快門不同步導(dǎo)致的畫(huà)面模糊和因液晶材質(zhì)特性導(dǎo)致的可視角度限制。最后，相對(duì)較高的實(shí)現(xiàn)成本也限制了這種技術(shù)發(fā)展。

偏光式3D成像技術(shù)的核心原理是偏振分光技術(shù)，所謂偏振分光技術(shù)是指利用特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)（通常是偏光膜）濾掉無(wú)用的光波，只允許特定振動(dòng)方向的光波通過(guò)的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們先將圖像分為垂直向偏振和水平向偏振兩組畫(huà)面，然后光線在通過(guò)濾光片后將這兩組畫(huà)面分別投射給左右眼，于是我們?nèi)我庖粋€(gè)眼睛只能看到兩組畫(huà)面中的一組，視差由此產(chǎn)生，剩下的就交給我們的大腦了。需要提到的是，在這一方法下，兩只眼睛只接收兩個(gè)在屏幕上占一半的畫(huà)面，其直接結(jié)果就是畫(huà)面清晰度和3D效果也會(huì)因此而減半。比如一個(gè)1920*1080P的屏幕將只能給我們提供960*1080或1920*540清晰度的畫(huà)面體驗(yàn)。即使這樣，它的優(yōu)勢(shì)也是非常明顯的。首先，相對(duì)于主動(dòng)快門式3D技術(shù)，偏光式技術(shù)不存在畫(huà)面閃爍導(dǎo)致的視覺(jué)疲勞問(wèn)題，即使長(zhǎng)時(shí)間觀看節(jié)目也不會(huì)有頭暈惡心等癥狀。而且因其兩眼產(chǎn)生的圖像是分離左右影像來(lái)體現(xiàn)3D影像，所以不會(huì)有兩眼間的干涉現(xiàn)象發(fā)生，及不存在畫(huà)面重疊的3D影像。其次，因其未利用時(shí)差來(lái)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面分離，故可以在相同時(shí)間里以更高的頻率觀看3D畫(huà)面，從而杜絕刷新頻率慢導(dǎo)致的畫(huà)面拖拉現(xiàn)象。最后，偏振式3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，具備成為主流3D技術(shù)的條件。

從以上的簡(jiǎn)要說(shuō)明中我們可以看出，3類3D成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都需要我們佩戴相對(duì)應(yīng)的眼鏡或具備相同功能的設(shè)備，基于同樣技術(shù)的3D電影也是這樣。作為一個(gè)觀影者，戴著眼鏡坐在影院中看場(chǎng)3D電影也許并不算事，但如果你身在家中，為觀看3D電視節(jié)目而時(shí)刻帶著眼鏡就未免有些麻煩，特別是原本就有近視問(wèn)題的觀眾本就戴著一副眼鏡時(shí)。這也是3D電視與3D電影的一個(gè)重要分歧點(diǎn)，電視觀眾的節(jié)目觀看時(shí)間更長(zhǎng)，他們往往對(duì)舒適度有更高的要求，因此電視觀眾比起電影觀眾更需要脫離眼鏡的束縛，由此引出一種基于相同成像原理，卻有著不同實(shí)現(xiàn)方式的3D成像技術(shù)——裸眼3D技術(shù)。

裸眼3D技術(shù)主要分為光屏障式、柱狀透鏡技術(shù)和指向光源三種，相較眼鏡3D技術(shù)而言，它讓觀眾擺脫了眼鏡的約束是它最大的優(yōu)勢(shì)，但因其技術(shù)原理，目前而言，它在分辨率、可視角度和可視距離方面存在諸多限制。

采用光屏障式3D技術(shù)的電視屏上集成了一層由偏振膜和高分子液晶層構(gòu)成的光柵層，因左右眼的視角不同，這些光柵結(jié)構(gòu)會(huì)限制進(jìn)入我們左右眼的光線，從而在左右眼產(chǎn)生不同的畫(huà)面，進(jìn)而產(chǎn)生3D視覺(jué)。稍加分析我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)光屏障式3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理與偏光式3D技術(shù)類似，區(qū)別在于它將鏡片的偏光特性集成到了電視屏幕中。光屏障式3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的液晶屏生產(chǎn)線稍加改造就可以生產(chǎn)這類屏幕，但因其光柵結(jié)構(gòu)的存在，這一技術(shù)生產(chǎn)出的液晶屏畫(huà)面亮度會(huì)偏低，而分辨率也會(huì)受到影響。

使用柱狀透鏡技術(shù)的裸眼3D電視在其液晶顯示屏的前面添加了一層柱狀透鏡，是液晶屏的像平面位于透鏡焦平面之上，這樣使得每個(gè)柱狀透鏡下的像素被分成數(shù)個(gè)子像素，而這些子像素被投射向了不同的方向，同樣因?yàn)橐暯堑牟町悾覀兊膬裳蹠?huì)看到不同的子像素，從而產(chǎn)生視差，生成3D視覺(jué)。因這一技術(shù)中像素只是通過(guò)透鏡而無(wú)其他遮擋，故屏幕亮度不會(huì)受到影響，但透鏡的曲光特性導(dǎo)致其在畫(huà)面分辨率上也難有進(jìn)步，另外生產(chǎn)這一技術(shù)的液晶屏幕生產(chǎn)線并不與傳統(tǒng)液晶屏生產(chǎn)線兼容，故生產(chǎn)成本更高。

指向光源技術(shù)的3D電視目前還未實(shí)用化，其基本原理是搭配兩組LED光源，配合快速反應(yīng)的LCD面板和驅(qū)動(dòng)方法，讓3D內(nèi)容以排序方式進(jìn)入觀看者眼睛中，通過(guò)互換兩眼影像產(chǎn)生3D視覺(jué)。這一技術(shù)在分辨率、透光率方面皆能保證，但其尚處于試驗(yàn)階段，并未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

雖然在屏幕上實(shí)現(xiàn)3D效果已不是什么新鮮的概念，很多家庭可能已經(jīng)購(gòu)置了自己的3D視頻設(shè)備，但這里筆者要說(shuō)3D成像技術(shù)應(yīng)用依然處于萌芽階段。

就內(nèi)在條件而言，雖然3D成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次更新?lián)Q代，很多有代表性的技術(shù)也已經(jīng)能在日常生活中使用，但我們也可以看出任何一種3D成像技術(shù)都還有不成熟的環(huán)節(jié)，也許在我們急著將3D引入生活前，我們可以在3D成像技術(shù)上再進(jìn)一步。

就外在條件來(lái)看，只有少數(shù)節(jié)目制造商具備生產(chǎn)3D節(jié)目?jī)?nèi)容的資質(zhì)，且3D視頻采集、傳輸、回放和存儲(chǔ)設(shè)備價(jià)格成本居高不下，這使得短時(shí)間內(nèi)3D節(jié)目的制作成本會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通節(jié)目的制作成本，我們當(dāng)然可以利用特定算法實(shí)現(xiàn)普通節(jié)目的3D化，但就目前的技術(shù)而已，得到的效果并不盡如人意。且就3D終端來(lái)看，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電影依然是3D終端市場(chǎng)主流，家庭3D的普及還需要些時(shí)間。

盡管如此，我們依舊可以預(yù)想，在未來(lái)3D成像技術(shù)終會(huì)成為一種主流成像技術(shù)，它會(huì)進(jìn)入我們生活的方方面面，讓這個(gè)世界最枯燥的角落也變得栩栩如生。