探寻3D立体成像的奥秘
- 来源:微型计算机
- 关键字:3D,立体
- 发布时间:2010-08-24 16:08
既然从完美重现三维光信息的角度难以呈现立体画面，那么我们就必须从人眼的三维成像原理入手。自然界中有不同类型的眼睛，人类的眼睛从综合表现来说是最为发达的，它拥有着两种简单有效地获取物体三维光信息的方式。分别是视差立体和聚焦立体。视差立体在人类的历史由来已久，大约在公元前400年左右，希腊的数学家欧几里德(Euclid)发现了人类之所以能洞察立体空间，主要是因左右眼所看到的景物不同而产生，这种现象就是现在的双眼视差立体。
欧几里德发现了这个原理，但是无福享受，视差立体图最早是被英国科学家查理·惠斯通(Cha rlesWheatstone)于1838年发现，这位物理学家在电学上赫赫有名且发明无数，在视差立体上也构建了一种由棱镜和镜子组成的器材，从而使人可以从一对二维图像中观察到三维效果。
11年后，苏格兰物理学家布儒斯特(David Brewster)在此基础上制作了立体看片箱。这种双眼视差是我们大脑获得物体三维信息最主要的方式，再次不得不赞叹人类的视觉系统，仅靠两只眼睛的画面信息就能在大脑中建立物体的三维模型，而这就算用目前最先进的计算机系统也要运算一段时间，而且达到的效果一般。
不过人类的大脑虽然先进，但还是很容易“欺骗”。正是因为我们的视觉系统有这么一种靠双眼画面信息建立三维模型的机制，才能如此简单的制造出立体显示器，用两张2D图片而非真实物体发出的三维光信息就可以欺骗我们的大脑认为这是真实的三维物体。而每个人观看视差立体显示器时的感觉不同，这个差异就是在“被骗能力”上。什么是“被骗能力”呢？
就是视差立体必须满足收敛距离和聚焦距离差在一定范围，一般认为在珀西瓦尔舒适区最佳。这里收敛距离是人眼通过视差立体方式获取到物体与人距离，这个距离可能是假距离。而聚焦距离是真实距离，这个距离涉及到人眼的另一个获取物体三维信息方式—聚焦诱导立体。
聚焦诱导立体是一种单眼立体方式，是基于眼睛的投影成像方式的。
我们的眼镜就像一部照相机，晶状体组成一个自动变焦镜头，通过调整这个“镜头”的焦距可以让视网膜获得清晰的成像，而不同距离的物点就对应了不同的焦距，于是不同的物点与我们的空间距离就可以通过调焦获得。这种方式获得三维信息并不灵敏，一是不能区分差距较小的物体距离差，二是不能同时获得视场内所有的物体信息，所以以这种方式制作3D显示器的厂家几乎没有，只是一些大学或科研所的实验室在研究。
看完3D成像原理的内容，心急的读者可能会问，怎么还没说到分时、偏振、交错、红蓝之类的技术啊？先别着急，当您把上面的实现原理弄清了，接下来的3D实现方式理解起来就更加容易了。
主流3D眼镜的技术解析视差立体因为其强烈的立体感，简单的记录和成像要求，所以目前主流的3D实现方式都是视差立体。视差立体的本质，首先要模拟眼睛看到两个角度的平面图像，然后分别输送给双眼。这里的两个图像的获取，可以用相机拍摄，也可以用计算机模拟。而要想把这两幅图像分别输送给人的左右眼，就有了五花八门的实现方式。一个普通的显示器图像是完全散射光，各个角度都能看到，那么只要左眼能看到图像，右眼就一定能看到，怎么让两只眼不一样呢？有的读者朋友很快想到答案了—支持各种技术的3D眼镜。
眼镜显示器
眼镜显示器是将视频图像通过微显示器的光学转换，放大成大屏幕，成为一台便携式的大屏幕显示器，直接放在双眼前观看，自然地分离出左右眼图像。不过因为分辨率、舒适度、观看人数和成本的限制，实用价值不高。
分色眼镜
分色眼镜最常见的有红蓝眼镜，红绿眼镜等，其原理是左图显示只放出某波段的光，左眼镜片只能通过这个波段的光，而右眼镜片和右图显示则反之。因为我们的显示器都是红绿蓝三色光组成的，所以这种分色方式就有左红右绿蓝（红青眼镜也简称红蓝眼镜）、左红蓝右绿（红绿眼镜）、左红绿右蓝（蓝黄眼镜）等常见组合。
这种方式使用简单，我们使用的显示器都能自动成为这种分色立体显示器，买上一幅塑料分色眼镜不过几块钱。不过因为看到的颜色有缺失，无论是效果还是舒适度都大打折扣，无法作为成熟的立体显示方案。
杜比立体眼镜
针对分色眼镜的缺点，杜比公司另辟蹊径，采用了窄谱滤波技术，左右眼镜片虽然还是滤掉对方图像的光信息，但是各有红绿蓝三色光，使用者看到的颜色毫无缺失。这里就要感谢我们的眼睛对色彩也就是光的波长的分辨并不敏感，正如看彩虹，明明是390nm～780nm的可见光波段，我们却只是大致分辨出赤橙黄绿青蓝紫，所以看起来是一样的红色却涵盖了一定范围的波段，这一范围就可分出两段窄波分配给左右眼。杜比公司将这种技术主要应用于数字3D数字影院系统，北京美嘉欢乐影城就采用了这种方案。相比偏光方案，这种方案不要求金属幕布，使用标准的白色屏幕，放映业者不需要增加额外成本，也不会有因为使用金属屏幕而带来的质量下降问题，不过其眼镜却要比采用偏振技术的贵，最便宜的也要17美元，这让那些想要像看偏振电影那样把眼镜拿回家做纪念的用户感到不爽。
快门眼镜
快门眼镜又叫主动快门（Activeshut t e r）眼镜，面向个人用户的产品大多采用这一方案，涉足厂商有NVIDIA、三星、松下以及优派等。其技术核心是左右眼镜的镜片为120Hz液晶屏，可以在不透光或透光两种状态间切换，与信号发射器和120Hz的显示器搭配，当显示器显示左图时，左眼液晶镜片透过，右眼不透过，右图则与之相反。从这点来看，我们的眼睛看到的应该是闪烁的图像，不过这里要感谢我们的眼睛并没有那么强大，一般来说它只能辨别出60Hz以内的闪烁，120Hz对我们的眼睛来说是不会闪烁的持续图像，眼睛把不透过的全黑和透过的图像时间累积成一幅亮度降低的图像。这种方案的成本相对较低，NVIDIA的产品大约为1500元，便宜的发射器+两幅快门眼镜才不到400元。如果结合120Hz的3D投影机，大屏3D显示也不成问题，这也是各大厂商大都热衷于这种方案的原因。不过该方案也有不少缺点，比如液晶眼镜较重，经过液晶镜片和快门时间累积的两次衰减后亮度会损失超过80%，如果增加使用人数，眼镜的费用就较高，另外在长时间使用后会感觉不适。
偏光眼镜
偏光眼镜采用的技术是利用了光的偏振特性，又分为圆偏和线偏，前一段时间《阿凡达》电影热映，大多数影院都是采用偏光眼镜方案。涉足厂商有iZ3D，思民，Omnia MIMO，TRUE3Di等，它们虽然都制造偏光眼镜，但是实现方案各有不同。
双投影仪+金属幕布：这种方案可以实现大屏幕显示，因此主要用于影院。实现方法是将两个投影机并列放置，前面分别添加两个方向的偏光片，再调整画面位置，使两个投影机投射的画面重合。因为金属在反射时不会改变光的偏振方向，所以要采用金属幕布，观影者戴上和投影机前的偏光片对应的偏光眼镜，就能实现左眼只看到负责左图的投影机画面，右眼只看到负责右图的投影机画面。
分时偏光：分时偏光主要被iZ3D采用，即在普通120Hz的LCD屏幕前再添加一块120Hz的LCD屏幕。这块屏幕并不用来显示，而是改变光的偏振方向，实现原理和快门眼镜很相似，当后面的屏幕显示左图时，这块偏光屏左旋，反之右旋，戴上相应的偏光眼镜即可实现3D显示。这种方案比双投影仪便宜，还不用带厚重的快门眼镜，是个人用户适合采用的偏光方案，不过偏光120Hz屏幕容易出现“鬼影”现象，iZ3D的第一代产品就为此大大限制了销量，据说第二代屏幕改善了很多。
交错偏光：这种方案主要由思民显示器采用，我们知道普通的LCD屏表面有一层偏光膜，而交错偏光方案把这层偏光膜改成了：一横排像素左偏，一横排右偏，再输入交错放置的左右图像，就使左右图分别由左右偏光射出，再戴上对应的偏光眼镜即可。这种方案无须使用120Hz屏幕，也不会出现“鬼影”，但是交错偏光膜对工艺要求高，而且分辨率下降了一半。当观看者移动到交错的偏光膜与对应像素错开的位置时，就会出现重影和左右反像，可视区域较小，与分时偏光各有利弊。
半反半透双屏偏光：此方案原理简单，只需要将两块线偏振光的普通液晶屏成90°角垂直放置，中间45°位置放一块半反半透玻璃就行了。这里的两块屏可以都呈垂直状态，也可一个水平一个垂直放置，不过考虑到可视范围，还是一个水平一个垂直更好，许多厂商利用这个原理制作了3D显示设备用于医院、研究所等场所，如果个人用户想DIY此方案的设备，应注意屏幕的选择，同时可用偏振眼镜进行检查。搭建时最好选择两块相同的屏幕，玻璃最好能接近50%反射率，注意将反射面朝向使用者。半反半透双屏偏光方案制作简单，效果好，成本低，就是占地面积较大，可视范围变小。
裸眼3D技术解析
3D眼镜方案固然简单实用，但始终不够自由和舒适，特别是那些近视的用户更是强烈要求推出不需要佩戴眼镜的3D显示器，也就是裸眼3D。
其实，目前裸眼3D显示也有很多种技术，我们首先介绍两种比较另类的：沉浸式3D（穹幕电影）和悬浮式3D。这两种方案都不用佩戴眼镜，但是其左右眼画面是一致的，也许有读者要问了，既然画面一致怎么实现视差立体，根本就没有视差嘛！这里又要涉及到我们的眼睛的功能限制了，一般来说，正常成年人的双眼眼距65mm左右，对于5米以外的物体我们很难观察出视差，所以这两个另类方式，一个采用了全视场沉浸欺骗法，一个采用了和真实物体相似的悬浮欺骗，都是为了欺骗我们不要发现屏幕，既然没有屏幕，有的又处于5米以外的无视差区就产生了虚拟现实的立体感。
这两种“无视差的视差立体”广泛用于特殊影片和展示之用。而目前我们接触得更多的裸眼3D技术主要有光栅立体、指向光源立体、可控反射镜立体和旋转屏幕。这些方案都是让显示器在各个角度上出射光不同，相当于把3D眼镜戴到了显示器上，解放了人眼，而且还能提供更多角度的图像。目前国外的飞利浦、苹果，国内的SuperD、宝龙科技、掌网都有涉足。
光栅立体
光栅立体分为狭缝光栅和柱镜光栅。狭缝光栅是依靠一条条透明与不
透明的部分组成，根据光的直线传播原理，这些透过光的部分让不同角度看到的是不同的区域，而这不同的区域分别排列上各个角度的图像，就实现了左右眼分别看到左右图的目的。
柱镜光栅与狭缝光栅类似，也是液晶屏上的像素不能在所有角度都看见，只不过采用的不是遮挡法，而是采用凸透镜，在透镜的焦平面上某点发出的光透过凸透镜后都射向同一个方向，就是连接该点和光心的直线方向，所以在柱面凸透镜后焦平面上得不同位置的图像只能在某个角度看到，与狭缝光栅一样排列即可实现左右眼分别看到左右图这个目的。指向光源立体显示方案也包括很多种，最主要的是菲涅耳透镜法和棱镜柱镜复合光栅法。
其实就是比较薄的凸透镜，我们可以简单理解成凸透镜，为了实现指向光源，也就是液晶后面的光源具有方向性，有的角度能看到，有的不能看到，而在一倍和二倍焦距之间的点光源必然会在像方2倍焦距以外成像，如果我们站在像面上，那么就只有像点那一个位置能够看到这个点光源，那么很显然由这个点光源照亮的屏幕区域只能在这个点的像点处看到了，让左右眼对应的点光源分别照亮左右图即可实现3D成像。这种方法可以实现多用户同时观看，是最有潜力做影院前景的裸眼立体显示方案，但目前只在实验室中才能实现。
棱镜柱镜复合光栅法主要是3M公司采用，与菲涅尔透镜法类似，棱柱镜光栅搭配两组LED灯，配合快速反应的LCD面板和驱动方式，让光栅后面的光源只能在某个区域看到，3D内容以排序方式进入观看者的左右眼互换影像产生视差，实现3D成像。这种方案比菲涅耳透镜法体积小，不过目前也没有成熟的产品。
可控反射镜立体
这是苹果公司主推的方案，其核心部件是由一个投影屏和一个投影仪组成。投影屏有一个预先定义好角度的反射面的凸出面。三维图像将会被分别调整到协同的预先定义好角度的反射面，以此来定义反射镜和反射角度。通过这种方式可以满足自动三维立体显示，并且可以让不同观众看到相同或者不同的三维图像。据苹果一贯喜欢的“直接、有效、简单”技术，这种方案正符合其要求，不过苹果公司目前也仅仅有一个专利让大家分析，估计这个可以精确控制反射方向的投影屏价值不菲。
旋转屏幕
这个方案可以实现360°的3D成像，核心技术是利用高速旋转的方式，让每个角度的观看者都能看到物体那个角度的图像，或者用LED屏旋转，或者用一面镜子旋转，从上面进行投影，但不论使用哪种方法都需要高刷新率的显示屏。这种方案的可视角度大，但是高速旋转无论是安全性还是稳定性都会受到限制，因此目前只能在小屏幕上实现。
写在最后
各位读者跟随我们游览了一遍当前主流的3D成像技术，应该对如何选购3D显示设备有了一个更清晰的认识，从表格中的优缺点可以看出，如果你想抢先体验3D影像并且追随大公司的技术，那么可以购买支持分时3D(快门眼镜)的立体显示器；如果你想提前享受下个阶段的主流3D技术，则可去购买支持偏振3D的立体显示器；如果你要求很高且一定要不戴3D眼镜观看，那就得再等上几年；如果你非要体验完美的真实物光立体显示，那还是先锻炼身体吧，等它们来到我们面前可有得等了。最后，让我们集体做个眼保健操，感谢大自然给予我们的一双慧眼，让我们如此简单的享受丰富多彩的立体世界，它才是我们提高立体显示技术的基础。
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