3D顯示技術原理及前景

摘要：本文將從目前市面上的3D顯示技術出發,闡明3D 顯示的各種原理和優缺點，同時介紹涉及關于3D 輸入和顯示方面的知識，例如HDMI 1.4A 規范中增加的3D 視頻規格，以及3D 終端顯示方面的知識，例如120Hz 和240Hz 屏的3D 處理、mini-LVDS、V-by-One、Internal DisplayPort (iDP™)等技術。

關鍵詞：3D display；3D video Format;  Blue-Ray 3D；HDMI 1.4a 3D Video；DisplayPort 1.2； V-by-One® HS Standard version 1.3 ； Internal DisplayPort (iDP™)。

3D顯示技術原理

1、色差式3D 立體成像
   色差式 3D 歷史最為悠久，成像原理簡單，實現成本低廉，但是3D 畫面效果也是最差的，需要配合色差式3D 眼鏡才能看到3D 效果。色差式3D先由旋轉的濾光輪分出光譜信息，使用不同顏色的濾光片進行畫面濾光，使得一個圖片能產生出兩幅圖像，人的每只眼睛都看見不同的圖像。目前我們較為最常見的濾光片顏色通常是紅藍，紅綠，或者紅青，目前采用這種技術的影院已經越來越少了，畢竟跟不上用戶體驗度的需求。
優點：技術難度低，成本低廉。
缺點：3D 畫質效果不理想，圖像和畫面邊緣容易偏色。

2、快門式3D 技術
   快門式3D 技術,使用一付主動式LCD 快門眼鏡，交替開關左眼和右眼,讓左右眼看到的兩幅圖像在我們的大腦中融合成一體來實現，從而產生單幅圖像的3D 深度感。目前三星、LG 、SONY等國際大廠所推出的3D 電視主要使用的就是這種3D 顯示技術。在PC 領域的NVIDIA 的3D stereo、在投影領域的德州儀器的DLP Link，XPAND 3D 系統也都是屬于快門式3D 技術。
    快門式3D 技術的原理是根據人眼對影像頻率的刷新時間來實現的，通過提高畫面的快速刷新率(至少要達到120Hz)，左眼和右眼個60Hz 的快速刷新圖象才會讓人對圖象不會產生抖動感，并且保持與2D 視像相同的幀數，觀眾的兩只眼睛看到快速切換的不同畫面，并且在大腦中產生錯覺，便觀看到立體影像。主動快門式眼鏡都采用的是液晶控制開合，通過液晶分子的運動控制左眼或右眼感知畫面，刷新頻率為60Hz，這樣就是為什么3D電視要求面板刷新率最低為120Hz 的原因。目前市面上有些機子的刷新頻率很低，達不到120Hz，所以在商場試機的時候會有明顯的閃爍，特別對著日光燈的時候，因為頻率的不同步造成的閃爍感特別明顯。刷新頻率越低，閃爍感越大，120Hz其實才剛剛達到可用的要求，用過CRT顯示器的同學都知道，刷新率越高，畫面越穩定，眼睛越不容易疲勞。在電視機端采用RF 或IR 的方式發射同步信號，眼鏡里的MCU 接收到信號后進行處理，分離出R/L 的開關信號，經升壓電路做升壓處理（約10V）后作為眼鏡鏡片的開關電壓。此外，眼鏡里面還有一個3.7-4.2V 輸入降至3.6V 的DC-DC 用來給單片機供電，一個+5V 輸入（USB處取電）給鋰電池充電的充電電路。而由TI 制作的電視與投影機打出的DLP®-Link 白光快門訊號會直接由Xpand 公司制作的眼鏡接收，免除過去需額外組裝發射器的昂貴發射和接收系統。

優點：資源相對較多，廠商宣傳推廣力度大，3D 效果出色。
缺點：快門眼鏡價格昂貴。

3、偏光式3D 技術
    偏光式 3D 技術（即偏振式3D 技術），屬于被動式3D 技術，眼鏡價格也較為便宜，目前3D 電影院、3D 液晶電視等很多采用偏光式3D 技術。偏光式3D 也細分出了很多種類，例如應用于投影機行業的偏光式3D 技術，則需要兩臺以上性能參數完全相同的投影機才能實現3D 效果，而應用于電視行業的偏光式3D 技術則需要畫面具有240Hz 或者480Hz 以上的刷新率，同時在屏上貼一種偏光膜，使畫面能從不同的方向傳送，而偏光眼鏡讓左右眼畫面分離成垂直和水平畫面，在大腦中交錯重疊后實現3D 效果。
    在偏光式 3D 系統中，目前市場中較為主流的有RealD 3D 系統、MasterImage 3D、杜比3D 系統三種。特別是RealD 3D 技術，其市場占有率最高，而且不受面板類型的影響，可以幫助任何支持3D 功能的電視和顯示器產生出高清3D 影像，擁有這項技術的RealD公司主要是通過技術授權進行推廣。

優點：偏光式眼鏡價格低廉，3D 效果出色，市場份額大。
缺點：安裝調試繁瑣，成本不便宜，畫面分辨率減半，難實現全高清。

4、裸眼式3D 技術
    裸眼式3D 即看3D立體電視不需要帶眼鏡，目前國內一些機場大廳上TCL所展示的3D顯示就是屬于這種方式。
   裸眼式 3D 技術可分為光屏障式(Barrier)、柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術和指向光源(Directional Backlight)三種。由于人的雙眼觀察物體的角度略有差異，因此能夠辨別物體遠近，產生立體的視覺。三維立體影像電視正是利用這個原理，把左右眼所看到的影像分離。3D 液晶電視的立體顯示效果，是通過在液晶面板上加上特殊的精密柱面透鏡屏，將經過編碼處理的3D 視頻影像獨立送入人的左右眼，從而令用戶無需借助立體眼鏡即可裸眼體驗立體感覺，同時能兼容2D 畫面。

優點：裸眼式3D 技術最大的優勢便是擺脫了眼鏡的束縛。
缺點：分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足，目前僅用在大型的公共場所。

5、光屏障式（Barrier）3D技術

　　光屏障式3D技術也被稱為視差屏障或視差障柵技術，其原理和偏振式3D較為類似，是由夏普歐洲實驗室的工程師十余年的研究成功。光屏障式3D產品與既有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產性和成本上較具優勢，但采用此種技術的產品影像分辨率和亮度會下降。光屏障式3D技術的實現方法是使用一個開關液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向90°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過它們的光就形成了垂直的細條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術正是利用了安置在背光模塊及LCD面板間的視差障壁，在立體顯示模式下，應該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋右眼；同理，應該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3D影像。

優點：與既有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產性和成本上較具優勢
缺點：畫面亮度低，分辨率會隨著顯示器在同一時間播出影像的增加呈反比降低

6、柱狀透鏡(Lenticular Lens)3D技術

　　柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡3D技術，其最大的優勢便是其亮度不會受到影響。柱狀透鏡3D技術的原理是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡，使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上，這樣在每個柱透鏡下面的圖像的像素被分成幾個子像素，這樣透鏡就能以不同的方向投影每個子像素。于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏，就看到不同的子像素。不過像素間的間隙也會被放大，因此不能簡單地疊加子像素。讓柱透鏡與像素列不是平行的，而是成一定的角度。這樣就可以使每一組子像素重復投射視區，而不是只投射一組視差圖像。之所以它的亮度不會受到影響，是因為柱狀透鏡不會阻擋背光，因此畫面亮度能夠得到很好地保障。不過由于它的3D顯示基本原理仍與視差障壁技術有異曲同工之處，所以分辨率仍是一個比較難解決的問題。

優點：3D技術顯示效果更好，亮度不受到影響
缺點：相關制造與現有LCD液晶工藝不兼容，需要投資新的設備和生產線。

7、指向光源（Directional Backlight）3D技術

    對指向光源（Directional Backlight）3D技術投入較大精力的主要是3M公司，指向光源（Directional Backlight）3D技術搭配兩組LED，配合快速反應的LCD面板和驅動方法，讓3D內容以排序（sequential）方式進入觀看者的左右眼互換影像產生視差，進而讓人眼感受到3D三維效果。前不久，3M公司剛剛展示了其研發成功的3D 光學膜，該產品的面試實現了無需佩戴 3D 眼鏡，就可以在手機，游戲機及其他手持設備中顯示真正的三維立體影像，極大地增強了基于移動設備的交流和互動。

優點：分辨率、透光率方面能保證，不會影響既有的設計架構，3D顯示效果出色
缺點：技術尚在開發，產品不成熟

其他裸眼3D技術

　　在2009年4月，美國PureDepth公司宣布研發出改進后的裸眼3D技術——MLD（multi-layer display多層顯示），這種技術能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實現在不使用專用眼鏡的情況下，觀看文字及圖畫時所呈現3D影像的效果。

　　另外，國內廠商歐亞寶龍旗下的Bolod裸眼3D顯示器如今已經發展到第四代，產品也全部實現高清顯示，在國內的3D顯示行業處于領先位置。

3D顯示技術的發展前景

1、3D市場無比混亂

　　無比混亂的市場可以說是3D市場目前面臨最大的難題。作為一種新型的顯示技術，3D技術目前正處于蓬勃發展的階段，但是整個3D行業卻無統一標準，不僅消費者暈頭轉向，有些廠商的技術人員也為之頭疼。就在筆者撰寫此文的時候，也為眾多說法不一的3D技術為之撓頭。

　如果想讓整個市場取得革命性的突破，那么制定相關的3D行業標準也就成了迫在眉睫的事情。在3D內容制作、媒介傳輸、信號接口、顯示解碼等諸多環節均建議相應的規范，讓廠商在生產研發之時有章可循，也還消費者一個明明白白。

2、3D使部分觀眾眩暈

　　大部分觀眾看完《阿凡達》都連聲叫好，但是我們也不應忽視部分因為3D版《阿凡達》而出現眼干、眼痛、頭暈、惡心等癥狀的觀眾，據報道還有觀眾觀影后突發急性青光眼。據筆者了解，目前已經有不少專業眼科醫生建議青光眼、屈光不正、眼肌有問題的觀眾放棄觀看3D版《阿凡達》。

3D畫面是虛實交匯的，這些動感的虛畫面會讓人們聚焦眼球很困難，長時間觀看很容易出現頭暈、頭痛。另外，電影院內光線比較暗，觀眾瞳孔自然就會放大，另外3D畫面對于眼睛刺激性也特別大，眼壓也會隨之升高，出現眼干、眼痛等癥狀。

3、3D資源稀少

　　想看1080p高清視頻？網上隨便一搜便琳瑯滿目。但是3D內容呢？雖然支持3D的游戲已經多達百款，但是每年在影院放映的3D電影還寥寥無幾，其他諸如3D圖片等資源更是為數稀少，在這種情況下，消費者又有什么理由耗費數倍的價錢去購買一款“華而不實”的產品呢？

對于3D產品廠商來說，從行業長遠的發展來看，將全部熱情撲在產品的研發推廣毫無疑問是錯誤的。作為普通的消費者，筆者只有親身體驗震撼逼真的3D效果，并且了解到市

場中充斥著為數甚多的3D資源才會選購3D顯示設備，相信有著這樣想法的也不止筆者一位。

4、大多3D產品不支持1080p全高清

　　也許在一兩年后，此問題便以得到徹底解決，但是從目前的情況來不支持1080p全高清的3D設備還是占據了大部分的市場。好不容易才感受到了1080p的清晰逼真，現在卻讓我為3D而選擇放棄，相信沒有幾位消費者會答應。

　　好在3D技術經過10余年的發展，終于在近些年突破了這一瓶頸，大多已能夠支持1080p內容。可以預見的是，以后的大屏幕3D顯示設備均兼容1080p高清，二者缺一不可。

5、戴3D眼鏡有諸多不便

戴3D眼鏡不方便的問題是針對眼鏡式3D技術而言的，但是在目前市場中，裸眼式3D產品寥寥無幾，大眾消費者默認為3D技術都是需要戴眼鏡的。話題再回到《阿凡達》上來，據部分媒體報道，在《阿凡達》熱映期間，各種3D眼鏡在淘寶上銷售創造了新高峰，看來人們對電影院電影的舒適度、大小、效果等還是有很多擔心。經過幾十年的歷程，3D技術取得了迅猛的發展。當然，對于我們這些普通消費者來說，也沒必要了解如此繁雜的3D技術，我們需要的只是效果更出色，實現難度更低，價格更低廉的3D顯示產品而已。盡管3D電視和電影還沒有普及，但研究者們已經在開發下一代3D技術了。他們的奮斗目標是：可裸眼觀看的三維顯示器和可虛擬觸摸、操作的3D圖像。這里我們主要闡述裸眼式三維顯示，即自由立體顯示技術，不需要佩戴立體眼鏡等附屬設備的3D顯示技術。

視差擋板式裸眼3D技術及柱透鏡式裸眼3D技術發展前景廣泛

1、視差擋板式裸眼3D

    視差擋板就是在光路加上一些遮蔽物，把部分方向的光遮住，只讓某些角度的光可以傳出去。

    擋板的位置經過精密計算，可以左眼像素（綠色）只被左眼看到，右眼像素（紅色）只被右眼看到。

優點：結構及制作比較簡單

缺點：分辨率下降，亮度下降

2、柱透鏡式裸眼3D

基本原理是在面板前方，放上經過精確計算的透鏡來改變光線的方向。由左眼像素發出的光，會經過透鏡的折射，都進入左眼的區域，同樣的右眼的像素也只進入右眼。

優點：亮度沒有損失

缺點：分辨率下降，柱透鏡加工精度要求較高

綜合以上的技術，目前所提出的各種方式都仍有其優缺點，但隨著時間的進步，這些問題也漸漸的被解決，正如當初的彩色顯示器代替了黑白顯示器，液晶顯示器代替CRT顯示器一樣，隨著顯示技術的革新，沒有輔助設備的三維顯示技術代替平面顯示技術將是必然趨勢。隨著科技的不斷發展，相信3D技術會越來越完善，同時給人們提供更美好的視聽享受。

參考文獻：

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