2010年新年伊始，電影《阿凡達(dá)》就在中國刮起了一陣“阿凡達(dá)”熱，一度出現(xiàn)了一票難求的景象。到目前為止，其國內(nèi)票房已經(jīng)突破7億元人民幣，成為內(nèi)地市場首部票房超過1億美元的電影。而就全球票房來看，其打破《泰坦尼克號(hào)》18.4億美元的票房記錄，榮登史上最賣座電影稱號(hào)沒有懸念。毫無疑問，成就《阿凡達(dá)》票房神話的功臣首推3D顯示技術(shù)。無獨(dú)有偶，在剛剛落幕的CES（國際消費(fèi)電子展）上，3D同樣成為最大的熱點(diǎn)。與此同時(shí)，3D內(nèi)容的制作也進(jìn)入了快車道，好萊塢正在謀劃拍攝更多的3D電影，美國和歐洲今年將有3D電視頻道開播。這一切預(yù)示著3D顯示技術(shù)的新時(shí)代即將到來，2010年可能就是3D顯示技術(shù)的元年。在這樣一個(gè)時(shí)刻，你是否了解3D顯示到底是如何實(shí)現(xiàn)的、這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展到一個(gè)什么樣的階段、未來這項(xiàng)技術(shù)還會(huì)帶給我們什么樣的驚喜？

三種3D顯示技術(shù)

3D顯示（或稱立體成像）技術(shù)有幾百年的歷史。從原理上大致可分為三大類：立體圖像對(duì)技術(shù)(Stereo Pair)、體顯示技術(shù)(Volumetric Displays)、全息技術(shù)(Holography)。

立體圖像對(duì)是目前發(fā)展最成熟也是應(yīng)用最廣泛的3D顯示技術(shù)，戴立體眼鏡看3D電影和裸眼就能看到立體效果的顯示屏都是基于這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。它的基本原理是，先產(chǎn)生場景的兩個(gè)視圖或多個(gè)視圖，然后用某種機(jī)制（如佩戴眼鏡）將不同視圖分別傳送給左右眼，確保每只眼睛只看到對(duì)應(yīng)的視圖而看不到其他視圖。如果觀察者無需佩戴立體眼鏡即可看到立體效果，則稱為“裸眼立體顯示”。

雖然立體圖像對(duì)技術(shù)能夠提供立體感，但它本質(zhì)上只是空間中兩張或多張平面圖像，通過“欺騙”人眼視覺系統(tǒng)而立體成像。這類技術(shù)會(huì)使人眼產(chǎn)生矛盾的晶狀體焦距調(diào)節(jié)和視線匯聚調(diào)節(jié)，長時(shí)間觀看會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞。而體顯示技術(shù)與之不同，它物理上顯示了三個(gè)維度，能在空間中產(chǎn)生真正的3D效果。成像物體就像在空間中真實(shí)存在，觀察者能看到科幻電影中一般“懸浮”在半空中的3D透視圖像。從數(shù)字圖像處理技術(shù)來說，平面圖像對(duì)應(yīng)了二維數(shù)組，每個(gè)元素被稱為像素；而三維圖像對(duì)應(yīng)三維數(shù)組，每個(gè)元素被稱為體素。體顯示技術(shù)正是在空間中表現(xiàn)了這個(gè)三維數(shù)組。

根據(jù)是否有機(jī)械結(jié)構(gòu)，體顯示可分為兩種實(shí)現(xiàn)方式，掃描體顯示(Swept Volume)和靜態(tài)體顯示(Static Volume)。掃描體顯示技術(shù)利用高速旋轉(zhuǎn)的平面反射光線，并通過視覺記憶而立體成像。一個(gè)成功的產(chǎn)品是Actuality系統(tǒng)公司的Perspecta 3D顯示器。而靜態(tài)體顯示的典型產(chǎn)品是Felix3D公司的SolidFelix，它以含有稀土元素的晶體作為顯示介質(zhì)，使用兩束相干激光照射晶體內(nèi)部空間點(diǎn)發(fā)光。另一個(gè)靜態(tài)體顯示技術(shù)的產(chǎn)品是DepthCube系統(tǒng)，它使用20塊液晶屏層疊而成，任何時(shí)刻只有一塊屏工作，其他都是透明的，而圖像也只投射到工作的顯示屏上。DepthCube在這20塊屏上快速切換顯示3D物體截面從而產(chǎn)生縱深感。

全息技術(shù)是利用光波的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體的真實(shí)感的一種成像技術(shù)。全息照片記錄了物體拍攝時(shí)的干涉條紋，重現(xiàn)時(shí)用相干光源照射全息照片，根據(jù)光的衍射而立體成像。全息技術(shù)再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺效應(yīng)。除用光波產(chǎn)生全息圖外，現(xiàn)在已發(fā)展到可用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生全息圖，然而需要的計(jì)算量極其巨大。全息術(shù)應(yīng)該是3D顯示的終極解決方案，但目前還有很多技術(shù)問題有待解決，短期內(nèi)難有成熟產(chǎn)品量產(chǎn)。

立體眼鏡的作用

眾所周知，看3D版的《阿凡達(dá)》需要戴一種眼鏡。這種眼鏡是起什么作用的？原來，觀察立體圖像對(duì)時(shí)，需要一種機(jī)制分離左右眼圖像，使左眼只看到左圖，右眼只看到右圖。立體眼鏡所起的就是這種作用。

曾經(jīng)有一種外觀很像望遠(yuǎn)鏡的立體鏡，左右鏡頭直接將相應(yīng)視圖送到左右眼，然而這種裝置只能供單人觀看。使用單一顯示設(shè)備并允許多人觀看的常用方法是幀切換技術(shù)。左右視圖交替在屏幕上顯示，一種遮擋機(jī)制使得播放左視圖時(shí)遮住右眼，播放右視圖時(shí)遮住左眼。早期人們使用機(jī)械裝置在顯示刷新時(shí)遮擋對(duì)應(yīng)的眼睛。而新技術(shù)使用光電方法完成遮擋，立體眼鏡也更輕便。

液晶屏可以用來制作高速切換的快門眼鏡，這是利用了液晶分子加電時(shí)重新排列從而改變液晶屏透明性的原理。電子脈沖使鏡片變得透明，允許光通過。沒有電脈沖時(shí)，鏡片不透明，眼睛就看不到圖像。顯示設(shè)備可以是電腦顯示器也可以是投影儀。左右鏡片的電脈沖隨顯示設(shè)備上的左右視圖交替而交替，快門眼鏡需要通過紅外連接或電纜連接與顯示設(shè)備同步。由于被左右兩路視圖輪流占用，顯示設(shè)備要達(dá)到120Hz以上的刷新率才能避免畫質(zhì)閃爍。與下面介紹的偏振式立體眼鏡相比，快門眼鏡里因有光電控制設(shè)備因而造價(jià)較高。

偏振立體眼鏡利用了光的偏振特性。顯示設(shè)備表面附有一個(gè)偏振控制器，根據(jù)左右視圖播放輪流產(chǎn)生偏振方向相互垂直的偏振光。觀察者佩戴的偏振眼鏡配合顯示設(shè)備的偏振光，其效果相當(dāng)于遮擋快門。當(dāng)左視圖顯示時(shí)，顯示設(shè)備發(fā)出的偏振光平行于左眼鏡片的偏振方向，左眼能看到左視圖，而右眼鏡片偏振方向與之垂直不能看到左視圖。右視圖顯示時(shí)，情況與之相反。

如果使用投影方法，可以安裝兩個(gè)投影儀避免左右視圖切換，圖像看上去也較亮。這就是我們所說的雙機(jī)放映。一個(gè)投影儀播放左視圖，另一個(gè)同步播放右視圖。兩個(gè)投影儀鏡頭使用方向互垂直的偏振片。然而，使用兩個(gè)投影儀總會(huì)給調(diào)節(jié)圖像帶來很多困難，因?yàn)閬碜圆煌队皟x的左右視圖需要對(duì)齊，亮度要一致，圖像大小要一致。由于兩個(gè)投影鏡頭位置不可能重合，投影圖像的梯形畸變不能完全一致。為最小化兩投影圖像的差異，兩個(gè)投影儀通常上下排列。

偏振圖像看上去較暗，這是因?yàn)榻?jīng)過偏振后光不能有效地傳播。如果使用投影設(shè)備，投影屏幕最好涂有一層不會(huì)消偏振的材料。影院里采用軟金屬屏放映的效果比白屏要好，就是因?yàn)榻饘倨聊粠缀醪黄茐钠窆狻５捎闷穹椒ǖ牧Ⅲw顯示設(shè)備通常播放端造價(jià)較高，而偏振眼鏡很便宜，對(duì)于大量觀眾也不會(huì)增加很多成本，所以對(duì)于電影院和商業(yè)展覽是一個(gè)好的選擇。

裸眼3D電視如何呈現(xiàn)立體效果

不用戴眼鏡就能看到立體圖像的技術(shù)被稱為“裸眼立體顯示技術(shù)”，裸眼3D電視就屬于這一類。裸眼立體顯示可以通過在普通平面顯示器前放置狹縫光柵或柱鏡光柵實(shí)現(xiàn)。圖1以雙視圖為例示意性說明了其原理。顯示器的像素沿水平方向被分為兩組，比如一組為奇數(shù)列的像素，另一組為偶數(shù)列的像素。這兩組像素被分別用來顯示左右視圖，或者說，左右視圖以列交錯(cuò)的方式顯示在屏幕上。

圖a在顯示器平面前放置狹縫光柵，狹縫方向豎直并與像素分組配合。狹縫光柵類似于生活中的柵欄，光只能從狹縫中通過。觀察者前后調(diào)整與顯示器的距離，在某個(gè)特定距離下，透過狹縫每只眼睛剛好能看到屬于其中一個(gè)視圖的那組像素，而不能看到屬于另一個(gè)視圖的像素。這種效果也可由柱鏡光柵實(shí)現(xiàn)（如圖b所示），柱鏡光柵由細(xì)長的半圓柱形透鏡排列而成，其焦點(diǎn)落在顯示屏表面，柱鏡將像素發(fā)出的光平行投射出去。柱鏡位置要與像素位置嚴(yán)格配準(zhǔn)，使不同視圖像素發(fā)出的光到達(dá)不同的眼睛。

狹縫光柵制作成本較低，但狹縫光柵法擋住了一部分光，圖像看上去較暗。柱鏡光柵加工精度要求高，而且由于顯示平面發(fā)熱還要考慮柱鏡材料的熱脹冷縮系數(shù)，這個(gè)問題在制作大尺寸顯示器時(shí)尤為突出。這兩種光柵實(shí)現(xiàn)方法一般適用于液晶顯示器或等離子顯示器，而不適用于舊式的CRT顯示器，因?yàn)镃RT顯示器的像素顯示位置會(huì)有漂移從而影響立體成像。光柵也可以用于紙質(zhì)印刷品上，這就是我們見到的立體相冊和立體畫。

雖然光柵法能實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示，但不能保證在任意位置都能看到立體效果，它有一個(gè)最優(yōu)觀看距離。從附圖可以看出，在最優(yōu)距離下左右移動(dòng)頭部有50%的機(jī)會(huì)看到的是左右顛倒的圖像，而不能立體成像。如果不在這個(gè)最優(yōu)觀看距離上，則會(huì)進(jìn)一步減少看到立體效果的機(jī)會(huì)。增加視圖的個(gè)數(shù)可以改善這種情況。現(xiàn)在產(chǎn)品化的裸眼立體顯示器多采用8個(gè)視圖，此時(shí)在最優(yōu)距離下也有1/8的可能性看不到正確的立體匹配。然而，增加視圖數(shù)量卻是以犧牲清晰度為代價(jià)。不同視圖的像素按特定交錯(cuò)方式顯示在屏幕上，視圖總數(shù)越多，屬于每個(gè)視圖的像素?cái)?shù)就越少，立體成像的分辨率也就越低。

除光柵法外，還有很多其他方法實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示，如前面提到的幀切換方法和多投影儀方法。幀序列方法用單一的顯示設(shè)備高速切換顯示多視圖，每個(gè)視圖在時(shí)間上是斷續(xù)的，但其在空間分辨率上沒有損失。為提高空間中的可視區(qū)域需要增加視圖個(gè)數(shù)，而這對(duì)幀切換方法的顯示設(shè)備刷新率要求很高，這種方法還只停留在實(shí)驗(yàn)室里。多投影儀方法的立體成像在空間分辨率上沒有損失，時(shí)間上也是連續(xù)的。它的主要問題是設(shè)備成本太高，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)視圖就要增加一個(gè)投影儀。另外，多投影儀間的對(duì)齊校準(zhǔn)也較為復(fù)雜。

3D顯示技術(shù)前景看好

近年來，許多研究機(jī)構(gòu)都在立體顯示原理方面做了廣泛深入的探索，如英國的劍橋大學(xué)、美國北卡羅來納州立大學(xué)、日本早稻田大學(xué)、澳洲科廷理工大學(xué)都有實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行相關(guān)的研究。而工業(yè)界則注重將技術(shù)產(chǎn)品化，如荷蘭的飛利浦已經(jīng)在裸眼立體顯示器方面做出成熟產(chǎn)品。日本的夏普和日立則將三維屏幕應(yīng)用到手機(jī)上。中國臺(tái)灣廠商奇美電子、友達(dá)光電在提高立體顯示性能方面積極展開研發(fā)。國內(nèi)廠商天津三維、超多維和創(chuàng)圖視維也推出多種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的立體顯示產(chǎn)品。

在今年國際電子消費(fèi)展上，松下展示了一塊152英寸四倍高清（4096×2160像素）的三維等離子顯示屏。索尼發(fā)布了不同尺寸的最新3D高清電視系列。LG推出首個(gè)具有3D功能的超薄高清電視，刷新率達(dá)到480Hz。三星則展出不戴眼鏡就能欣賞的3D電視。國內(nèi)廠商海信也展出55英寸LED背光3D電視。

有了3D電視，還要有3D節(jié)目源。英國天空電視臺(tái)已經(jīng)宣布今年內(nèi)將啟動(dòng)歐洲首個(gè)3D電視頻道。美國娛樂和體育電視臺(tái)(ESPN)將從今年6月起用3D方式轉(zhuǎn)播南非世界杯。美國探索發(fā)現(xiàn)頻道也將同索尼公司和IMAX公司合作，于2011年推出24小時(shí)不間斷播出的3D頻道。《阿凡達(dá)》等3D影片的成功上映將促使電影產(chǎn)業(yè)朝立體化方向邁進(jìn)，好萊塢將推出越來越多的立體電影，夢工廠、迪士尼制作的動(dòng)畫片將全部使用立體格式，而一大批經(jīng)典電影也將制作成立體電影重新上映。

然而，立體電視走入家庭恐怕不能像彩色電視取代黑白電視、高清畫質(zhì)取代標(biāo)清畫質(zhì)那么順利。首先是立體片源缺乏，立體視頻的拍攝和制作比傳統(tǒng)視頻復(fù)雜不少，原有的二維視頻轉(zhuǎn)成三維視頻仍需大量手工操作；其次是觀看立體畫面需要購置全新的立體顯示設(shè)備，而立體電視機(jī)目前還較為昂貴；其三是目前主流的立體顯示技術(shù)仍需要佩戴眼鏡，這改變了人們通?？措娨暬螂娪暗牧?xí)慣。另外，立體圖像對(duì)技術(shù)并不是物理空間中的真正的立體影像，它實(shí)際上欺騙了人眼視覺系統(tǒng)而產(chǎn)生的立體“錯(cuò)覺”，長時(shí)間觀看這種圖像會(huì)產(chǎn)生眼部不適。盡管有這些問題的存在，但是立體顯示正在走入我們的生活，技術(shù)的日新月異正在給我們帶來全新的視覺體驗(yàn)。

鏈 接：看3D電影為什么會(huì)頭暈

不少看完《阿凡達(dá)》3D版電影的人都有頭暈的感受。究其原因是因?yàn)槿缃竦?D電影采用的是立體圖像對(duì)的3D顯示技術(shù)，可以說只要是采用這種技術(shù)，就會(huì)引起一定程度的頭暈。

如正文所述，采用立體圖像對(duì)形成3D影像時(shí)，需要兩個(gè)視圖。這兩個(gè)視圖通常由兩個(gè)并排放置的相機(jī)同步拍攝得到，兩個(gè)相機(jī)應(yīng)該保持光軸平行，并具有相同的光學(xué)特性，如焦距、視角大小、感光度等。相機(jī)沒有校準(zhǔn)對(duì)齊就會(huì)引起頭部疼痛、眼睛疲勞、惡心或其他不適癥狀。成像點(diǎn)與顯示屏之間的距離大小也應(yīng)有一定范圍，因?yàn)槿搜垡曈X系統(tǒng)要在左右視圖中搜索匹配對(duì)應(yīng)點(diǎn)。如果正視差（即成像點(diǎn)在顯示屏之后）過大，會(huì)產(chǎn)生兩眼視線分離，即左眼向左看，右眼向右看。負(fù)視差（即成像點(diǎn)在顯示屏之前）過大則會(huì)導(dǎo)致對(duì)眼。另外，立體圖像縱深變化過快也會(huì)引起人眼不適。

雙視圖立體成像還會(huì)使人眼視覺系統(tǒng)的晶狀體聚焦調(diào)節(jié)和視線匯聚調(diào)節(jié)相互矛盾。為看到投影平面上的清晰圖像，眼睛會(huì)調(diào)節(jié)焦距使之適合于這個(gè)平面的空間深度。而當(dāng)左右眼視圖中的對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)匹配之后，如果雙眼視線交叉點(diǎn)不在投影平面上，也就是說人眼感知的空間點(diǎn)在投影平面的前方或后方，眼睛就要再次調(diào)節(jié)晶狀體焦距適應(yīng)于這個(gè)空間點(diǎn)的深度。而這反過來使投影平面上的圖像不能在視網(wǎng)膜上清晰成像。人眼的這種反復(fù)調(diào)節(jié)容易引起不適。為減少這種情況的發(fā)生，立體電影在制作時(shí)，通常將過遠(yuǎn)和過近的景物模糊化，使人眼盡量聚焦在投影平面附近。

觀察立體圖像時(shí)引起不適的另一個(gè)常見原因是視圖之間的交叉串?dāng)_。這是指應(yīng)該被一只眼看到的圖像卻不同程度地被另一只眼看到。這時(shí)，看到的圖像會(huì)顯得模糊或重影。這種現(xiàn)象也被稱為鬼影。交叉串?dāng)_會(huì)引起左右視圖融合困難。當(dāng)使用同一個(gè)顯示平面顯示雙視圖或多視圖時(shí)，串?dāng)_就會(huì)或多或少地存在。以前立體電影使用紅綠眼鏡，左右兩視圖不能很好分離，串?dāng)_現(xiàn)象嚴(yán)重?，F(xiàn)代的立體眼鏡使用了新技術(shù)，這種情況會(huì)得到很大改善。