2010年新年伊始，電影《阿凡達》就在中國刮起了一陣“阿凡達”熱，一度出現(xiàn)了一票難求的景象。到目前爲止，其國內票房已經突破7億元人民幣，成爲內地市場首部票房超過1億美元的電影。而就全球票房來看，其突破《泰坦尼克號》18.4億美元的票房記錄，榮登史上最賣座電影稱號沒有懸念。毫無疑問，成就《阿凡達》票房神話的元勛首推3D顯示技術。無獨有偶，在剛剛落幕的CES（國際消費電子展）上，3D同樣成爲最大的熱點。與此同時，3D內容的制作也進入了快車道，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。這一切預示著3D顯示技術的新時代即將到來，2010年也許就是3D顯示技術的元年。在這樣一個時刻，你是否了解3D顯示終因此如何實現(xiàn)的、這項技術現(xiàn)在發(fā)展到一個什麼樣的階段、未來這項技術還會帶給我們在線什麼樣的驚喜？
三種3D顯示技術
3D顯示（或稱立體成像）技術有幾百年的歷史。從原理上大體可分為三大類：立體圖像對技術(Stereo Pair)、體顯示技術(Volumetric Displays)、全息技術(Holography)。
立體圖像對是目前發(fā)展最成熟也是應用最廣泛的3D顯示技術，戴立體眼鏡看3D電影和裸眼就能看到立體結果的顯示屏基本上基于這種技術實現(xiàn)的。它的基本原理是，先産生場景的兩個視圖或多個視圖，然後用某種機制（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應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結果，則稱爲“裸眼立體顯示”。
雖然立體圖像對技術能夠提供立體感，但它本質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。這類技術會使人眼産生矛盾的晶狀體焦距調節(jié)和視線彙聚調節(jié)，長時間觀看會産生視覺疲勞。而體顯示技術與之不同，它物理上顯示了三個維度，能在空間中産生真正的3D結果。成像物體就像在空間中真實存在，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。從數字圖像處理技術來說，平面圖像對應了二維數組，每個元素被稱爲像素；而三維圖像對應三維數組，每個元素被稱爲體素。體顯示技術正是在空間中表現(xiàn)了這個三維數組。
依據是否有機械結構，體顯示可分為兩種實現(xiàn)方法，掃描體顯示(Swept Volume)和靜態(tài)體顯示(Static Volume)。掃描體顯示技術使用高速旋轉的平面反照光線，并通過視覺記憶而立體成像。一個成功的產品是Actuality系統(tǒng)公司的Perspecta 3D顯示器。而靜態(tài)體顯示的典型產品是Felix3D公司的SolidFelix，它以含有稀土元素的晶體作為顯示介質，使用兩束相干激光照射晶體內部空間點發(fā)光。另一個靜態(tài)體顯示技術的產品是DepthCube系統(tǒng)，它使用20塊液晶屏層疊而成，任何時刻只有一塊屏工作，其他基本上晶瑩的，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物體截面從而產生縱深感。
全息技術是使用光波的干涉和衍射原理記載并再現(xiàn)物體的真實感的一種成像技術。全息照片記載了物體拍攝時的干涉條紋，重現(xiàn)時用相干光源照射全息照片，依據光的衍射而立體成像。全息技術再現(xiàn)的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。除用光波產生全息圖外，現(xiàn)在已發(fā)展到可用計算機產生全息圖，然而需要的計算量極其巨大。全息術應當是3D顯示的終極解決方案，但目前還有很多技術問題有待解決，短期內難有成熟產品量產。
立體眼鏡的作用
衆(zhòng)所周知，看3D版的《阿凡達》需要戴一種眼鏡。這種眼鏡是起什麼作用的？原來，觀察立體圖像對時，需要一種機制分離左右眼圖像，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。
曾經有一種外觀很像望遠鏡的立體鏡，左右鏡頭直接將相應視圖送到左右眼，然而這種裝置只能供單人觀看。使用單一顯示設備並允許多人觀看的常用方法是幀切換技術。左右視圖交替在屏幕上顯示，一種遮擋機制使得播放左視圖時遮住右眼，播放右視圖時遮住左眼。早期人們使用機械裝置在顯示刷新時遮擋對應的眼睛。而新技術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，這是使用了液晶分子加電時重新排列從而改變液晶屏晶瑩性的原理。電子脈沖使鏡片變得晶瑩，允許光通過。沒有電脈沖時，鏡片不晶瑩，眼睛就看不到圖像。顯示設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備同步。由于被左右兩路視圖輪流占用，顯示設備要達到120Hz以上的刷新率才能幸免畫質閃爍。與下面介紹的偏振式立體眼鏡相比，快門眼鏡裏因有光電控制設備因而造價較高。
偏振立體眼鏡使用了光的偏振特征。顯示設備外表附有一個偏振控制器，根據左右視圖播放輪流産生偏振方向相互鉛直的偏振光。觀察者佩戴的偏振眼鏡配合顯示設備的偏振光，其結果相當于遮擋快門。當左視圖顯示時，顯示設備發(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鉛直不能看到左視圖。右視圖顯示時，情況與之相反。
如果使用投影方法，可以安裝兩個投影儀幸免左右視圖切換，圖像看上去也較亮。這就是我們在線所說的雙機放映。一個投影儀播放左視圖，另一個同步播放右視圖。兩個投影儀鏡頭使用方向互鉛直的偏振片。然而，使用兩個投影儀總會給調節(jié)圖像帶來很多困難，因爲來自不同投影儀的左右視圖需要對齊，亮度要一致，圖像大小要一致。由于兩個投影鏡頭位置不也許重合，投影圖像的梯形畸變不能完全一致。爲最小化兩投影圖像的差異，兩個投影儀通常上下排列。
偏振圖像看上去較暗，這是因爲經過偏振後光不能有效地傳播。如果使用投影設備，投影屏幕最好塗有一層不會消偏振的材料。影院裏采用軟金屬屏放映的結果比白屏要好，就是因爲金屬屏幕幾乎不破壞偏振光。但采用偏振方法的立體顯示設備通常播放端造價較高，而偏振眼鏡很便宜，對于大批觀衆(zhòng)也不會增加很多成本，因此對于電影院和商業(yè)展覽是一個好的選擇。
裸眼3D電視如何呈現(xiàn)立體結果
不用戴眼鏡就能看到立體圖像的技術被稱爲“裸眼立體顯示技術”，裸眼3D電視就屬于這一類。裸眼立體顯示可以通過在一般平面顯示器前放置狹縫光柵或柱鏡光柵實現(xiàn)。圖1以雙視圖爲例示意性說明白其原理。顯示器的像素沿水平方向被分爲兩組，譬如一組爲奇數列的像素，另一組爲偶數列的像素。這兩組像素被分別用來顯示左右視圖，或者說，左右視圖以列交錯的方法顯示在屏幕上。
圖a在顯示器平面前放置狹縫光柵，狹縫方向豎直並與像素分組配合。狹縫光柵類似于生活中的柵欄，光只能從狹縫中通過。觀察者前後調整與顯示器的距離，在某個特定距離下，透過狹縫每只眼睛剛好能看到屬于其中一個視圖的那組像素，而不能看到屬于另一個視圖的像素。這種結果也可由柱鏡光柵實現(xiàn)（如圖b所示），柱鏡光柵由細長的半圓柱形透鏡排列而成，其焦點落在顯示屏外表，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格配準，使不同視圖像素發(fā)出的光到達不同的眼睛。
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，同時由于顯示平面發(fā)熱還要考慮柱鏡材料的熱脹冷縮系數，這個問題在制作大尺寸顯示器時尤爲突出。這兩種光柵實現(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，因爲CRT顯示器的像素顯示位置會有漂移從而影響立體成像。光柵也可以用于紙質印刷品上，這就是我們在線見到的立體相冊和立體畫。
雖然光柵法能實現(xiàn)裸眼立體顯示，但不能保證在職意位置都能看到立體結果，它有一個最優(yōu)觀看距離。從附圖可以看出，在最優(yōu)距離下左右移動頭部有50%的機會看到的是左右顛倒的圖像，而不能立體成像。如果不在這個最優(yōu)觀看距離上，則會進一步減少看到立體結果的機會。增加視圖的個數可以改善這種情況。現(xiàn)在國產產品化的裸眼立體顯示器多采用8個視圖，此時在最優(yōu)距離下也有1/8的也許性看不到正確的立體匹配。然而，增加視圖數量卻是以犧牲清晰度爲代價。不同視圖的像素按特定交錯方法顯示在屏幕上，視圖總數越多，屬于每個視圖的像素數就越少，立體成像的辨別率也就越低。
除光柵法外，還有很多其他方法實現(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備高速切換顯示多視圖，每個視圖在時間上是斷續(xù)的，但其在空間辨別率上沒有損失。爲提高空間中的可視區(qū)域需要增加視圖個數，而這對幀切換方法的顯示設備刷新率要求很高，這種方法還只停留在實驗室裏。多投影儀方法的立體成像在空間辨別率上沒有損失，時間上也是連續(xù)的。它的要緊問題是設備成本太高，因爲每增加一個視圖就要增加一個投影儀。另外，多投影儀間的對齊校準也較爲複雜。
3D顯示技術前景看好
近年來，許多研究機構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、美國北卡羅來納州立大學、日本早稻田大學、澳洲科廷理工大學都有實驗室在進行相關的研究。而工業(yè)界則注重將技術國產產品化，如荷蘭的飛利浦已經在裸眼立體顯示器方面做出成熟國產產品。日本的夏普和日立則將三維屏幕應用得益機上。中國臺灣廠商奇美電子、友達光電在提高立體顯示性能方面積極展開研發(fā)。國內廠商天津三維、超多維和創(chuàng)圖視維也推出多種自主知識産權的立體顯示國產產品。
在今年國際電子消費展上，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推出首個具有3D功能的超薄高清電視，刷新率達到480Hz。三星則展出不戴眼鏡就能欣賞的3D電視。國內廠商海信也展出55英寸LED背光3D電視。
有了3D電視，還要有3D節(jié)目源。英國天空電視臺已經公布今年內將啓動歐洲首個3D電視頻道。美國娛樂和體育電視臺(ESPN)將從今年6月起用3D方法轉播南非世界杯。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小時不間斷播出的3D頻道！栋⒎策_》等3D影片的成功上映將促使電影産業(yè)朝立體化方向邁進，好萊塢將推出越來越多的立體電影，夢工廠、迪士尼制作的動畫片將全部使用立體格式，而一大批經典電影也將制作成立體電影重新上映。
然而，立體電視走入家庭估計不能像彩色電視取代黑白電視、高清畫質取代標清畫質那麼順利。第一是立體片源缺少，立體視頻的拍攝和制作比傳統(tǒng)視頻複雜很多，原有的二維視頻轉成三維視頻仍需大批手工操作；其次是觀看立體畫面需要購置全新的立體顯示設備，而立體電視機目前還較爲昂貴；其三是目前主流的立體顯示技術仍需要佩戴眼鏡，這改變了人們通？措娨暬螂娪暗牧晳T。另外，立體圖像對技術並不是物理空間中的真正的立體影像，它實際上欺騙了人眼視覺系統(tǒng)而産生的立體“錯覺”，長時間觀看這種圖像會産生眼部不適。盡管有這些問題的存在，但是立體顯示正在走入我們在線的生活，技術的日新月異正在給我們在線帶來全新的視覺體驗。
鏈 接：看3D電影為什么會頭暈
很多看完《阿凡達》3D版電影的人都有頭暈的感受。究其原因是因爲現(xiàn)在的3D電影采用的是立體圖像對的3D顯示技術，可以說只假如采用這種技術，就會引起一定程度的頭暈。
如正文所述，采用立體圖像對形成3D影像時，需要兩個視圖。這兩個視圖通常由兩個並排放置的相機同步拍攝獲得，兩個相機應該保全光軸平行，並具有雷同的光學特征，如焦距、視角大小、感光度等。相機沒有校準對齊就會引起頭部疼痛、眼睛疲勞、惡心或其他不適癥狀。成像點與顯示屏之間的距離大小也應有一定範圍，因爲人眼視覺系統(tǒng)要在左右視圖中搜索匹配對應點。如果正視差（即成像點在顯示屏之後）過大，會産生兩眼視線分離，即左眼向左看，右眼向右看。負視差（即成像點在顯示屏之前）過大則會導致對眼。另外，立體圖像縱深變化過快也會引起人眼不適。
雙視圖立體成像還會使人眼視覺系統(tǒng)的晶狀體聚焦調節(jié)和視線彙聚調節(jié)相互矛盾。爲看到投影平面上的清晰圖像，眼睛會調節(jié)焦距使之適合于這個平面的空間深度。而當左右眼視圖中的對應成像點匹配之後，如果雙眼視線交叉點不在投影平面上，也就是說人眼感知的空間點在投影平面的前方或後方，眼睛就要再次調節(jié)晶狀體焦距適應于這個空間點的深度。而這反過來使投影平面上的圖像不能在視網膜上清晰成像。人眼的這種反複調節(jié)容易引起不適。爲減少這種情況的發(fā)生，立體電影在制作時，通常將過遠和過近的景物模糊化，使人眼盡量聚焦在投影平面臨近。
觀察立體圖像時引起不適的另一個常見原因是視圖之間的交叉串擾。這是指應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，看到的圖像會顯得模糊或重影。這種現(xiàn)象也被稱爲鬼影。交叉串擾會引起左右視圖調和困難。當使用同一個顯示平面顯示雙視圖或多視圖時，串擾就會或多或少地存在。以前立體電影使用紅綠眼鏡，左右兩視圖不能很好分離，串擾現(xiàn)象嚴重，F(xiàn)代的立體眼鏡使用了新技術，這種情況會獲得很大改善。
