3D視頻技術(shù)原理及應(yīng)用

1、3D視頻技術(shù)原理及應(yīng)用內(nèi)容摘要目前許多研究者已經(jīng)把三維顯示系統(tǒng)作為下一代最有潛力的顯示系統(tǒng)，并已經(jīng)提出了許多三維顯示技術(shù)，如，眼鏡式三維顯示、三維體顯示、全息顯示等幾 大類。本文首先介紹了三維顯示技術(shù)的背景和發(fā)展概況，接著簡要介紹了各種三維顯示技術(shù)的原理及特點(diǎn)，最后介紹了3D技術(shù)在各個領(lǐng)域上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:3D技術(shù)，分類，原理，特點(diǎn)，應(yīng)用一、3D成像原理（一） 什么是3D3D - 3 Dime nsion 即三維立體，是相對于 2D平面的一個概念。我們?nèi)?類所生存的世界就是一個三維的空間，我們在現(xiàn)實(shí)世界中觀察到的物體也都具有 三個維度：高度、寬度和深度，我們早已習(xí)慣了 3D的世界。然而由于技術(shù)

2、發(fā)展 的局限性，在電影、廣播電視以及印刷等媒體世界中，我們被局限在了二維世界。（二） 3D影像的特點(diǎn)立體逼真：3D影像與人類現(xiàn)實(shí)生活中習(xí)慣的場景達(dá)成了一致，更加的逼真； 臨場感強(qiáng)：3D影像的立體感、景深，讓觀者產(chǎn)生身臨其境的感覺；強(qiáng)烈視覺沖擊：可以利用3D影像特點(diǎn)制造各種強(qiáng)烈的視覺沖擊，如體育比賽直播、演唱會 現(xiàn)場直播，以及各種宏大的電影場景。（三） 立體視覺的根源人天生具有兩只眼睛，而兩只眼睛間的距離大體為67厘米。正是由于這67 厘米的距離，當(dāng)人的雙眼注視一個物體時，雙眼看到的景象并非一致，而是存在 細(xì)微的差別。存在細(xì)微差別的兩幅二維圖像，經(jīng)過大腦的合成最終呈現(xiàn)出立體感。 3D影像技術(shù)正是

3、利用了雙眼分視原理，在節(jié)目拍攝的過程中，攝像機(jī)在工作模 式上模仿人的雙眼，左右鏡頭分別拍攝一幅具有細(xì)微差別的二維圖像。在觀看3D影像時，采用各種技術(shù)，以保證讓左眼只能看到攝像機(jī)的左鏡頭 所拍攝的影像，而右眼只能看到攝像機(jī)的右鏡頭所拍攝的影像。兩幅存在細(xì)微差 別的二維影像經(jīng)過大腦的合成，產(chǎn)生立體影像。（四） 3D影像發(fā)展簡史早在1839年，英國科學(xué)家查理惠斯頓爵士根據(jù)“人類兩只眼睛的成像不 同”發(fā)明了一種立體眼鏡，讓人們的左眼和右眼在看看到兩幅存在差異的圖像以 產(chǎn)生立體效果。直至今天，所有的 3D顯示設(shè)備無不采用這種原理，無論其通過 多么簡單或多么復(fù)雜的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。1903年，第一部3D電影火車進(jìn)

4、站誕生；隨著新技術(shù)的發(fā)明、進(jìn)步， 3D 影像于上世紀(jì)50年代迎來第一個黃金時期，被認(rèn)定為歷史上第一部3D長片電影 非洲歷險記在這個時期上映并取得了商業(yè)成功。然而由于昂貴的制作成本和 顯示設(shè)備，3D影像的發(fā)展進(jìn)入低潮期；IMAX技術(shù)的發(fā)明并于1986年溫哥華世 博會進(jìn)行展示，為3D產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變化。2009年阿凡達(dá)上映，以及 之前和之后上映的一系列3D電影都取得了商業(yè)成功，將3D推向又一次高潮。二、主要3D顯示技術(shù)及其原理在不同的發(fā)展時期，根據(jù)不同的應(yīng)用，不同的公司開發(fā)了不同的3D顯示技術(shù)；從觀看形式上來區(qū)分，有的需要配戴眼鏡，有的不需要配戴眼鏡；即使配戴 眼鏡，眼鏡也有主動式與被動式之分

5、；總體來說，配戴眼鏡觀看技術(shù)發(fā)展比較成熟，設(shè)計和制造難度、制造成本較低，3D效果好；而裸眼觀看的技術(shù)還處于 起步階段，制造難度高，成本高，而觀看的效果不盡如人意，尤其是觀看的角度 有限制，清晰度差，3D效果也不好。以下介紹當(dāng)前主要幾種3D顯示技術(shù)：（一） 色差式3D立體成像色差式3D成像技術(shù)是最早出現(xiàn)的也是最容易實(shí)現(xiàn)的一種3D立體成像技術(shù)。從技術(shù)層面上看色差式3D立體成像是比較簡單的一種方法， 這種3D成像只 需要通過一副簡單的紅藍(lán)（或者紅綠）眼鏡就可實(shí)現(xiàn)，硬件成本不過幾元錢。顯示 設(shè)備方面也無需額外升級，現(xiàn)有的任何顯示設(shè)備都可以直接顯示。色差式3D立體成像技術(shù)的原理是將兩張不同視角上拍攝的影

6、像分別以兩種 不同的顏色印制在同一副畫面中，如果不戴眼鏡，我們只能看到色彩重合的模糊 圖像。但是戴上眼鏡后，左右眼不同顏色的鏡片分別過濾了對應(yīng)的色彩，只有紅色的影像通過紅色鏡片藍(lán)色通過藍(lán)色鏡片，最終兩只眼睛看到的不同影像在人腦 中重疊產(chǎn)生了立體效果。色差式3D立體成像原理簡單，能達(dá)到的3D景深效果也還算不錯。不過由于 采用的色度分離方式會給觀看者帶來比較嚴(yán)重的視覺障礙， 舒適感始終不能讓人 滿意，同時畫面的色彩還原效果也一直在較低的水準(zhǔn)徘徊， 這就導(dǎo)致了它很難成 為3D立體顯示技術(shù)中的主流。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)難度低，成本低廉。缺點(diǎn)：3D畫質(zhì)效果不理想，圖像和畫面邊緣容易偏色。（二） 快門式3D技術(shù)快門

7、式3D技術(shù),使用一付主動式LCD快門眼鏡，交替開關(guān)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(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)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(shù)。在PC領(lǐng)域的NVIDIA的3Dstereo、在投影領(lǐng)域的德州儀器 的DLP Link，XPAND 3D系統(tǒng)也都是屬于快門式 3D技術(shù)?？扉T式3D技術(shù)的原理是根據(jù)人眼對影像頻率的刷新時間來實(shí)現(xiàn)的，通過 提高畫面的快速刷新率（至少要達(dá)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(chǎn)生抖動感，并且保持與 2D視像相同的幀數(shù)，觀眾的兩 只眼睛看到快速

8、切換的不同畫面，并且在大腦中產(chǎn)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(yùn)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(jī)子的刷新頻率很低，達(dá)不到120Hz,所以在商場試機(jī)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(shí)才剛剛達(dá)到可用的 要求，刷新率越高，畫面越穩(wěn)定，眼睛越不容易疲勞。在電視機(jī)端采用RF或IR的方式發(fā)射同步信號，眼鏡里的 MCU接收到信號 后進(jìn)行處理，分離出R/L的開關(guān)信號，經(jīng)升壓電路做

9、升壓處理（約 10V）后作為 眼鏡鏡片的開關(guān)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(jī)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(jī)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(fā)射器的昂貴發(fā)射和接收系 統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：資源相對較多，廠商宣傳推廣力度大，3D效果出色。缺點(diǎn)：快門眼鏡價格昂貴。（三） 偏光式3D技術(shù)偏光式3D技術(shù)（即偏振式3D技術(shù)），屬于被動式3D技術(shù)，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(shù)。偏光式 3D也細(xì)

10、分出了很多種類，例如應(yīng)用于投影機(jī)行業(yè)的偏光式3D技術(shù)，則需要兩臺以上性能參數(shù)完全相同的投影機(jī)才能實(shí)現(xiàn)3D效果，而應(yīng)用于電視行業(yè)的偏光式3D技術(shù)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(shí)現(xiàn) 3D效果。在偏光式3D系統(tǒng)中，目前市場中較為主流的有 RealD 3D系統(tǒng)、Masterimage 3D杜比3D系統(tǒng)三種。特別是RealD 3D技術(shù)，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(chǎn)生出高清 3D影 像，擁有這項技術(shù)的RealD公

11、司主要是通過技術(shù)授權(quán)進(jìn)行推廣。優(yōu)點(diǎn)：偏光式眼鏡價格低廉，3D效果出色，市場份額大。缺點(diǎn)：安裝調(diào)試繁瑣，成本不便宜，畫面分辨率減半，難實(shí)現(xiàn)全高清。（四） 裸眼式3D技術(shù)裸眼式3D即看3D立體電視不需要帶眼鏡，目前國內(nèi)一些機(jī)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(shù)可分為光屏障式（Barrier）、柱狀透鏡（LenticularLens）技術(shù)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(yuǎn)近，產(chǎn)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

12、板上加上特殊的精密柱面透鏡屏，將經(jīng)過編碼處理的3D視頻影像獨(dú)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。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。由于觀察者可以不佩 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，必須位于一定 的范圍內(nèi)才能觀察到立體畫面

13、，若距離屏幕位置太遠(yuǎn)，或觀察角度太大的時候， 3D效果并不明顯。此外，若離屏幕距離太近，人會有明顯的頭暈現(xiàn)象，因此該 技術(shù)暫時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下降。光屏障式3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是使用一個開關(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

14、一系列方向為 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，不透明的條紋會遮擋右眼；同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像顯 示在液晶屏。2 .柱狀透鏡(Lenticular Lens)柱狀透鏡技術(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

15、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(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(shù)有異曲同工之處， 所以分辨率仍是一個比較難解決 的問題。3.指向光源(Directional Backlight) 對指向光源(Directional Backlight)3D 技術(shù)投入較大精力的主要是 3M公司，指向光源(Di

16、rectional Backlight)3D技術(shù)搭配兩組LED配合快速反應(yīng)的LCD0板和驅(qū)動方法，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)了基于移動設(shè)備的交流和互動。優(yōu)點(diǎn)：分辨率、透光率方面能保證，不會影響既有的設(shè)計架構(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。(五)全息技術(shù)全息照相相對于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)來說是一種革命性的發(fā)明。光作為一種電磁波有三個屬

17、性：顏色(即波長)、亮度(即振幅)和相位，傳統(tǒng)的照相技術(shù)只記 錄了物體所反射光的顏色與亮度信息，而全息照相則把光的顏色、亮度和相位三 個屬性全部記錄下來了。攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光波分為兩束，一束直接射向感光片，另一束被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在 感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位 相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度， 也記錄了位相信息。 人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光 去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只剩下很小的一部分，

18、依然可以重現(xiàn)全部景物。全息照相在理論上是一種很完美的 3D技術(shù)，從不同角度觀看，觀看者會得 到一幅角度不同的3D圖像。而上述的3D顯示技術(shù)都無法做到這一點(diǎn)。全息照相 可應(yīng)用于無損工業(yè)探傷、超聲全息、全息顯微鏡、全息攝影存儲器、全息電影和 電視。但是由于技術(shù)的復(fù)雜度，全息照相在上述領(lǐng)域還沒有得到商業(yè)應(yīng)用。三、3D顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域：采用3D顯示技術(shù)的電視，筆記本電腦，顯示器，投影手機(jī)，電 子相框等越來越受到人們的青睞。工業(yè)領(lǐng)域：3D技術(shù)可以應(yīng)用于過程控制、數(shù)值模擬、CAD/CAM計算機(jī)輔助設(shè) 計與制造）設(shè)計、工業(yè)檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)視、危險產(chǎn)品生產(chǎn)安裝以及遠(yuǎn)程機(jī)器人視覺 顯示等各個方面，帶來前所未有的逼真視覺效果。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域：3D技術(shù)能夠在遠(yuǎn)程診斷中給醫(yī)生和專家提供直接