3D显示技术原理及前景

摘要：本文将从目前市面上的3D显示技术出发,阐明3D 显示的各种原理和优缺点，同时介绍涉及关于3D 输入和显示方面的知识，例如HDMI 1.4A 规范中增加的3D 视频规格，以及3D 终端显示方面的知识，例如120Hz 和240Hz 屏的3D 处理、mini-LVDS、V-by-One、Internal DisplayPort (iDP™)等技术。

关键词：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显示技术原理

1、色差式3D 立体成像
   色差式 3D 历史最为悠久，成像原理简单，实现成本低廉，但是3D 画面效果也是最差的，需要配合色差式3D 眼镜才能看到3D 效果。色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，人的每只眼睛都看见不同的图像。目前我们较为最常见的滤光片颜色通常是红蓝，红绿，或者红青，目前采用这种技术的影院已经越来越少了，毕竟跟不上用户体验度的需求。
优点：技术难度低，成本低廉。
缺点：3D 画质效果不理想，图像和画面边缘容易偏色。

2、快门式3D 技术
   快门式3D 技术,使用一付主动式LCD 快门眼镜，交替开关左眼和右眼,让左右眼看到的两幅图像在我们的大脑中融合成一体来实现，从而产生单幅图像的3D 深度感。目前三星、LG 、SONY等国际大厂所推出的3D 电视主要使用的就是这种3D 显示技术。在PC 领域的NVIDIA 的3D stereo、在投影领域的德州仪器的DLP Link，XPAND 3D 系统也都是属于快门式3D 技术。
    快门式3D 技术的原理是根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)，左眼和右眼个60Hz 的快速刷新图象才会让人对图象不会产生抖动感，并且保持与2D 视像相同的帧数，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉，便观看到立体影像。主动快门式眼镜都采用的是液晶控制开合，通过液晶分子的运动控制左眼或右眼感知画面，刷新频率为60Hz，这样就是为什么3D电视要求面板刷新率最低为120Hz 的原因。目前市面上有些机子的刷新频率很低，达不到120Hz，所以在商场试机的时候会有明显的闪烁，特别对着日光灯的时候，因为频率的不同步造成的闪烁感特别明显。刷新频率越低，闪烁感越大，120Hz其实才刚刚达到可用的要求，用过CRT显示器的同学都知道，刷新率越高，画面越稳定，眼睛越不容易疲劳。在电视机端采用RF 或IR 的方式发射同步信号，眼镜里的MCU 接收到信号后进行处理，分离出R/L 的开关信号，经升压电路做升压处理（约10V）后作为眼镜镜片的开关电压。此外，眼镜里面还有一个3.7-4.2V 输入降至3.6V 的DC-DC 用来给单片机供电，一个+5V 输入（USB处取电）给锂电池充电的充电电路。而由TI 制作的电视与投影机打出的DLP®-Link 白光快门讯号会直接由Xpand 公司制作的眼镜接收，免除过去需额外组装发射器的昂贵发射和接收系统。

优点：资源相对较多，厂商宣传推广力度大，3D 效果出色。
缺点：快门眼镜价格昂贵。

3、偏光式3D 技术
    偏光式 3D 技术（即偏振式3D 技术），属于被动式3D 技术，眼镜价格也较为便宜，目前3D 电影院、3D 液晶电视等很多采用偏光式3D 技术。偏光式3D 也细分出了很多种类，例如应用于投影机行业的偏光式3D 技术，则需要两台以上性能参数完全相同的投影机才能实现3D 效果，而应用于电视行业的偏光式3D 技术则需要画面具有240Hz 或者480Hz 以上的刷新率，同时在屏上贴一种偏光膜，使画面能从不同的方向传送，而偏光眼镜让左右眼画面分离成垂直和水平画面，在大脑中交错重叠后实现3D 效果。
    在偏光式 3D 系统中，目前市场中较为主流的有RealD 3D 系统、MasterImage 3D、杜比3D 系统三种。特别是RealD 3D 技术，其市场占有率最高，而且不受面板类型的影响，可以帮助任何支持3D 功能的电视和显示器产生出高清3D 影像，拥有这项技术的RealD公司主要是通过技术授权进行推广。

优点：偏光式眼镜价格低廉，3D 效果出色，市场份额大。
缺点：安装调试繁琐，成本不便宜，画面分辨率减半，难实现全高清。

4、裸眼式3D 技术
    裸眼式3D 即看3D立体电视不需要带眼镜，目前国内一些机场大厅上TCL所展示的3D显示就是属于这种方式。
   裸眼式 3D 技术可分为光屏障式(Barrier)、柱状透镜(Lenticular Lens)技术和指向光源(Directional Backlight)三种。由于人的双眼观察物体的角度略有差异，因此能够辨别物体远近，产生立体的视觉。三维立体影像电视正是利用这个原理，把左右眼所看到的影像分离。3D 液晶电视的立体显示效果，是通过在液晶面板上加上特殊的精密柱面透镜屏，将经过编码处理的3D 视频影像独立送入人的左右眼，从而令用户无需借助立体眼镜即可裸眼体验立体感觉，同时能兼容2D 画面。

优点：裸眼式3D 技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚。
缺点：分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足，目前仅用在大型的公共场所。

5、光屏障式（Barrier）3D技术

　　光屏障式3D技术也被称为视差屏障或视差障栅技术，其原理和偏振式3D较为类似，是由夏普欧洲实验室的工程师十余年的研究成功。光屏障式3D产品与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势，但采用此种技术的产品影像分辨率和亮度会下降。光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。

优点：与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势
缺点：画面亮度低，分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低

6、柱状透镜(Lenticular Lens)3D技术

　　柱状透镜(Lenticular Lens)技术也被称为双凸透镜或微柱透镜3D技术，其最大的优势便是其亮度不会受到影响。柱状透镜3D技术的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。不过像素间的间隙也会被放大，因此不能简单地叠加子像素。让柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度。这样就可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。之所以它的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得到很好地保障。不过由于它的3D显示基本原理仍与视差障壁技术有异曲同工之处，所以分辨率仍是一个比较难解决的问题。

优点：3D技术显示效果更好，亮度不受到影响
缺点：相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容，需要投资新的设备和生产线。

7、指向光源（Directional Backlight）3D技术

    对指向光源（Directional Backlight）3D技术投入较大精力的主要是3M公司，指向光源（Directional Backlight）3D技术搭配两组LED，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序（sequential）方式进入观看者的左右眼互换影像产生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。前不久，3M公司刚刚展示了其研发成功的3D 光学膜，该产品的面试实现了无需佩戴 3D 眼镜，就可以在手机，游戏机及其他手持设备中显示真正的三维立体影像，极大地增强了基于移动设备的交流和互动。

优点：分辨率、透光率方面能保证，不会影响既有的设计架构，3D显示效果出色
缺点：技术尚在开发，产品不成熟

其他裸眼3D技术

　　在2009年4月，美国PureDepth公司宣布研发出改进后的裸眼3D技术——MLD（multi-layer display多层显示），这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板，实现在不使用专用眼镜的情况下，观看文字及图画时所呈现3D影像的效果。

　　另外，国内厂商欧亚宝龙旗下的Bolod裸眼3D显示器如今已经发展到第四代，产品也全部实现高清显示，在国内的3D显示行业处于领先位置。

3D显示技术的发展前景

1、3D市场无比混乱

　　无比混乱的市场可以说是3D市场目前面临最大的难题。作为一种新型的显示技术，3D技术目前正处于蓬勃发展的阶段，但是整个3D行业却无统一标准，不仅消费者晕头转向，有些厂商的技术人员也为之头疼。就在笔者撰写此文的时候，也为众多说法不一的3D技术为之挠头。

　如果想让整个市场取得革命性的突破，那么制定相关的3D行业标准也就成了迫在眉睫的事情。在3D内容制作、媒介传输、信号接口、显示解码等诸多环节均建议相应的规范，让厂商在生产研发之时有章可循，也还消费者一个明明白白。

2、3D使部分观众眩晕

　　大部分观众看完《阿凡达》都连声叫好，但是我们也不应忽视部分因为3D版《阿凡达》而出现眼干、眼痛、头晕、恶心等症状的观众，据报道还有观众观影后突发急性青光眼。据笔者了解，目前已经有不少专业眼科医生建议青光眼、屈光不正、眼肌有问题的观众放弃观看3D版《阿凡达》。

3D画面是虚实交汇的，这些动感的虚画面会让人们聚焦眼球很困难，长时间观看很容易出现头晕、头痛。另外，电影院内光线比较暗，观众瞳孔自然就会放大，另外3D画面对于眼睛刺激性也特别大，眼压也会随之升高，出现眼干、眼痛等症状。

3、3D资源稀少

　　想看1080p高清视频？网上随便一搜便琳琅满目。但是3D内容呢？虽然支持3D的游戏已经多达百款，但是每年在影院放映的3D电影还寥寥无几，其他诸如3D图片等资源更是为数稀少，在这种情况下，消费者又有什么理由耗费数倍的价钱去购买一款“华而不实”的产品呢？

对于3D产品厂商来说，从行业长远的发展来看，将全部热情扑在产品的研发推广毫无疑问是错误的。作为普通的消费者，笔者只有亲身体验震撼逼真的3D效果，并且了解到市

场中充斥着为数甚多的3D资源才会选购3D显示设备，相信有着这样想法的也不止笔者一位。

4、大多3D产品不支持1080p全高清

　　也许在一两年后，此问题便以得到彻底解决，但是从目前的情况来不支持1080p全高清的3D设备还是占据了大部分的市场。好不容易才感受到了1080p的清晰逼真，现在却让我为3D而选择放弃，相信没有几位消费者会答应。

　　好在3D技术经过10余年的发展，终于在近些年突破了这一瓶颈，大多已能够支持1080p内容。可以预见的是，以后的大屏幕3D显示设备均兼容1080p高清，二者缺一不可。

5、戴3D眼镜有诸多不便

戴3D眼镜不方便的问题是针对眼镜式3D技术而言的，但是在目前市场中，裸眼式3D产品寥寥无几，大众消费者默认为3D技术都是需要戴眼镜的。话题再回到《阿凡达》上来，据部分媒体报道，在《阿凡达》热映期间，各种3D眼镜在淘宝上销售创造了新高峰，看来人们对电影院电影的舒适度、大小、效果等还是有很多担心。经过几十年的历程，3D技术取得了迅猛的发展。当然，对于我们这些普通消费者来说，也没必要了解如此繁杂的3D技术，我们需要的只是效果更出色，实现难度更低，价格更低廉的3D显示产品而已。尽管3D电视和电影还没有普及，但研究者们已经在开发下一代3D技术了。他们的奋斗目标是：可裸眼观看的三维显示器和可虚拟触摸、操作的3D图像。这里我们主要阐述裸眼式三维显示，即自由立体显示技术，不需要佩戴立体眼镜等附属设备的3D显示技术。

视差挡板式裸眼3D技术及柱透镜式裸眼3D技术发展前景广泛

1、视差挡板式裸眼3D

    视差挡板就是在光路加上一些遮蔽物，把部分方向的光遮住，只让某些角度的光可以传出去。

    挡板的位置经过精密计算，可以左眼像素（绿色）只被左眼看到，右眼像素（红色）只被右眼看到。

优点：结构及制作比较简单

缺点：分辨率下降，亮度下降

2、柱透镜式裸眼3D

基本原理是在面板前方，放上经过精确计算的透镜来改变光线的方向。由左眼像素发出的光，会经过透镜的折射，都进入左眼的区域，同样的右眼的像素也只进入右眼。

优点：亮度没有损失

缺点：分辨率下降，柱透镜加工精度要求较高

综合以上的技术，目前所提出的各种方式都仍有其优缺点，但随着时间的进步，这些问题也渐渐的被解决，正如当初的彩色显示器代替了黑白显示器，液晶显示器代替CRT显示器一样，随着显示技术的革新，没有辅助设备的三维显示技术代替平面显示技术将是必然趋势。随着科技的不断发展，相信3D技术会越来越完善，同时给人们提供更美好的视听享受。

参考文献：

【1】《V-by-One HS Standard Ver1.2 Abridged Edition》
【2】《THine releases V-by-One HS Standard version1.3》
【3】《EPI_Specification1.0》
【4】《HDMI Spec1 1.4a 3D Extraction》

【5】秦开怀 罗建利  《自由立体显示技术及其发展》  《中国图像图形学报》  14卷10 期

【6】李克彬 李世其  《3D显示技术的最新研究进展》《计算机工程》29卷 12 期

【7】周建强.赵燕伟.Zhou jianqian.Zhao Yanwei LED分色分光机定位测试装置运动学设计 -机械传动2010,34(7)

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【9】杜尖锋 大功率LED分色分光机定位测试装置的虚拟样机研究 2009

【10】闵芳胜 全自动大功率LED分光分色机的开发研究 2009