未來的裸眼3D顯示技術(shù)
2010年初，余觀影《阿凡達(dá)》感覺立體顯示技術(shù)貫穿始終，大有席卷整個(gè)數(shù)字領(lǐng)域之勢；同時(shí)立體顯示技術(shù)的產(chǎn)品如雨后春筍般接踵而出，譬如3D電視、3D顯示器、3D顯示屏等，目前已經(jīng)有包括三星在內(nèi)的多家顯示器廠商都推出了免佩戴專業(yè)眼鏡就能看到3D立體畫面的顯示設(shè)備。但是我們在體驗(yàn)炫動(dòng)的畫面時(shí)，必須要戴上一副視覺感光度極差的3D眼鏡，這套負(fù)累的配套設(shè)備確實(shí)使人頗感不便，于是追求完美的人們便把目光轉(zhuǎn)向了無輔助立體顯示技術(shù)。
無輔助立體顯示技術(shù)雖然拋棄了立體眼鏡的包袱，但其顯示效果會(huì)如何大家不免有疑問。由于無輔助顯示技術(shù)現(xiàn)在大多處于研發(fā)階段并且主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，大眾接觸的并不多。我的論文關(guān)注最多的就是裸眼3D顯示技術(shù)。
談起裸眼3D顯示技術(shù)首先要說立體顯示技術(shù)。人眼看物體時(shí)，人的兩只眼睛同時(shí)觀察物體，不但能擴(kuò)大視野而且能判斷物體的遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體感；這是由于人的兩只眼睛同時(shí)觀察物體時(shí)，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物體的左側(cè)面較多，右眼看到物體的右側(cè)面較多，這兩個(gè)像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺，并衍生出立體顯示技術(shù)。立體顯示技術(shù)主要分為眼鏡式3D顯示技術(shù)和無輔助立體顯示技術(shù)（即裸眼3D顯示技術(shù)），如下圖示。
裸眼3D顯示技術(shù)一般被稱為“裸眼多視點(diǎn)”技術(shù)，也就是不通過任何工具就能讓左右兩只眼睛從顯示屏幕上看到兩幅具有視差的、有所區(qū)別的畫面，將它們反射到大腦，人就會(huì)產(chǎn)生立體感。它也利用了人眼的視差原理，通過給觀看者左右兩眼分別送去不同的畫面，從而達(dá)到立體的視覺效果。由于觀察著可以不佩戴眼鏡，因此這些技術(shù)非常適合在公共場所展示的大屏幕顯示器，便于多人觀賞。不過，裸眼3D顯示技術(shù)的缺點(diǎn)也非常明顯：人們在觀看屏幕時(shí)，必須位于一定的范圍內(nèi)才能觀察到立體畫面，若距離屏幕位置太遠(yuǎn)，或觀察角度太大的時(shí)候，3D效果并不明顯。此外，若離屏幕距離太近，人會(huì)有明顯的頭暈現(xiàn)象，因此該技術(shù)暫時(shí)還不適合在小尺寸顯示器上使用。此外，這種技術(shù)在顯示效果方面相對(duì)較差。
3D畫面和常見的偏光式3D技術(shù)和快門式3D技術(shù)尚有一定的差距。不過液晶面板行業(yè)巨頭友達(dá)光電、研發(fā)巨頭3M等已經(jīng)在積極進(jìn)行研發(fā)，預(yù)計(jì)部分裸眼式3D顯示設(shè)備將于今明兩年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。當(dāng)前市面中裸眼3D顯示技術(shù)主要有以下幾種：
1.光屏障式(Barrier)
光屏障式(Barrier)技術(shù)示意圖
光屏障式3D技術(shù)也被稱為視差屏障或視差障柵技術(shù)，其原理和偏振式3D較為類似，是由夏普歐洲實(shí)驗(yàn)室的工程師十余年的研究成功。光屏障式3D產(chǎn)品與既有的 LCD液晶工藝兼容，因此在量產(chǎn)性和成本上較具優(yōu)勢，但采用此種技術(shù)的產(chǎn)品影像分辨率和亮度會(huì)下降。光屏障式3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)開關(guān)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?yàn)?/span>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(xì)條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術(shù)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(yīng)該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋會(huì)遮擋右眼；同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時(shí)，不透明的條紋會(huì)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(yōu)點(diǎn)：與既有的LCD液晶工藝兼容，因此在量產(chǎn)性和成本上較具優(yōu)勢。
缺點(diǎn)：畫面亮度低，分辨率會(huì)隨著顯示器在同一時(shí)間播出影像的增加呈反比降低。
2.柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)
柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)示意圖
柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡3D技術(shù)，其最大的優(yōu)勢便是其亮度不會(huì)受到影響。柱狀透鏡3D技術(shù)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(gè)柱透鏡下面的圖像的像素被分成幾個(gè)子像素，這樣透鏡就能以不同的方向投影每個(gè)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(huì)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(fù)投射視區(qū)，而不是只投射一組視差圖像。之所以它的亮度不會(huì)受到影響，是因?yàn)橹鶢钔哥R不會(huì)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(shù)有異曲同工之處，所以分辨率仍是一個(gè)比較難解決的問題。
優(yōu)點(diǎn)：3D技術(shù)顯示效果更好，亮度不受到影響。
缺點(diǎn)：相關(guān)制造與現(xiàn)有LCD液晶工藝不兼容，需要投資新的設(shè)備和生產(chǎn)線。
3.指向光源(Directional Backlight)技術(shù)
3M的指向光源3D技術(shù)示意圖
對(duì)指向光源(Directional Backlight)3D技術(shù)投入較大精力的主要是3M公司，指向光源(Directional Backlight)3D技術(shù)搭配兩組LED，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(sequential)方式進(jìn)入觀看者的左右眼互 換影像產(chǎn)生視差，進(jìn)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(fā)成功的3D 光學(xué)膜，該產(chǎn)品的面試實(shí)現(xiàn)了無需佩戴 3D 眼鏡，就可以在手機(jī)，游戲機(jī)及其他手持設(shè)備中顯示真正的三維立體影像，極大地增強(qiáng)了基于移動(dòng)設(shè)備的交流和互動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率、透光率方面能保證，不會(huì)影響既有的設(shè)計(jì)架構(gòu)，3D顯示效果出色。
缺點(diǎn)：技術(shù)尚在開發(fā)，產(chǎn)品不成熟
4.其他裸眼3D顯示技術(shù)
DFD（Depth-Fused 3D）是日本NTT根據(jù)全新的錯(cuò)視原理開發(fā)的景深融合型立體影像技術(shù)，其利用兩片液晶顯示器與half mirror，開發(fā)不需特殊眼鏡就可以觀賞的立體影像的技術(shù)，這種立體影像制作原理稱為REAL。REAL立體影像的制作過程是先利用一般攝影機(jī)、相機(jī)、閃光燈攝影等方式拍攝影像，然后取一般攝影與閃光燈攝影拍攝影像灰色度兩者的差分，再與一定峰值比較藉此獲得二值化（0與1的數(shù)字元元化）的影像，接著抽出所謂的近影像領(lǐng)域，最后再將Relief狀景深添加至近影像領(lǐng)域內(nèi)。被照物景深形狀除了球體比較接近真實(shí)景深外，其它物體都會(huì)出現(xiàn)某種程度的差異，只要近影像與遠(yuǎn)影像兩者前后關(guān)系維持正確，且景深為連續(xù)性平滑狀的話，通常利用肌理描繪（Texture）作補(bǔ)正，就可以獲得非常協(xié)調(diào)的立體影像。
在2009年4月，美國PureDepth公司宣布研發(fā)出改進(jìn)后的裸眼3D顯示技術(shù)MLD(multi-layer display多層顯示)，這種技術(shù)能夠通過一定間隔重疊的兩塊液晶面板，實(shí)現(xiàn)在不使用專用眼鏡的情況下，觀看文字及圖畫時(shí)所呈現(xiàn)3D影像的效果。
另外，國內(nèi)廠商歐亞寶龍旗下的Bolod裸眼3D顯示器如今已經(jīng)發(fā)展到第四代，產(chǎn)品也全部實(shí)現(xiàn)高清顯示，在國內(nèi)的3D顯示行業(yè)處于領(lǐng)先位置。當(dāng)然，由于非市場主流，對(duì)于MLD技術(shù)和Bolod裸眼3D顯示器，我們此次只做簡單的了解，不做深入技術(shù)性探討。
除3D桌面顯示器外，手機(jī)、PDA等掌上設(shè)備的顯示屏幕也將會(huì)采用裸眼3D顯示技術(shù)。近期，三星為我們展示了一款針對(duì)手機(jī)設(shè)備開發(fā)的3D OLED面板。考慮到便攜性，這類手機(jī)3D屏幕不要求人們佩戴專用的3D眼鏡。除三星外索尼等其他廠商也相繼推出了相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品，其原理就是通過覆蓋在屏幕上的一層特殊的“透鏡”來實(shí)現(xiàn)立體顯示的。它可以把小型顯示屏中顯示的圖像“分開”為兩幅略微不同的畫面，并分別送入左右眼中，讓畫面變得立體并且看起來有深度。由于該“透鏡”的厚度極薄，人用肉眼甚至無法直接看到它的存在，不會(huì)影響到畫面的正常顯示。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，縱觀3D顯示技術(shù)已成功應(yīng)用到了數(shù)字顯示領(lǐng)域，3D顯示技術(shù)和普通消費(fèi)者的距離已經(jīng)越來越近了；在三星和優(yōu)派均推出游戲性3D顯示器后，人們可以將3D顯示器搬到臥室內(nèi)，而不用和其他人一起擠在電影院中觀看。憑借著身臨其境的立體畫面，3D顯示器對(duì)高端游戲玩家而言擁有極大的吸引力。除了針對(duì)個(gè)人用戶外，3D顯示器同樣適合于商用以及科研，如分子結(jié)構(gòu)模型展示、軍事目標(biāo)、文物藝術(shù)品展示、會(huì)展、大企業(yè)形象展示等各領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的作用。而作為新起之秀的裸眼3D顯示技術(shù)必將青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，未來裸眼3D顯示技術(shù)發(fā)展前景不可限量！相信隨著3D顯示技術(shù)進(jìn)一步成熟，我們今后會(huì)在生活的各個(gè)領(lǐng)域中看到3D顯示設(shè)備的身影。
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