Physics 版 (精华区)

发信人: qizi (棋子), 信区: Physics
标  题: 立体电视离我们还有多远
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年11月22日21:45:12 星期六), 站内信件


    多声道环绕系统为家庭影院带来了身临其境的感觉，然而这种感觉仅限于听觉
，总嫌某种欠缺，要是视觉也是立体的话该有多好！今年4月11日刚刚结束的东京
BigSight国际会展中心的“电子显示器展（EDEX）2003”给我们带来了好消息，韩
国三星电子、日本三洋电机、夏普和索尼展出了各自开发的不用专门的眼镜就可观
看立体电视的液晶面板，这标志着立体电视不再是幻想，她已经来到了家庭影院的
门口。

立体视觉的原理

    早在1903年，科学家就发现“视差创造立体”的原理。所谓“视差”，是指人
的两个眼睛是从不同的角度观看世界的，就是说您左眼看到的物体同右眼看到的同
一物体相互之间有小小的差别，平均相差约6.5厘米。由于两只眼睛看到的物体阴
影有细微差别，因而描述场景轮廓的方式也不尽相同。大脑根据这两个有细微差别
的场景进行综合处理，产生精确的三维物体，以及该物体在场景中的定位，这就是
具有深度的立体感觉。

    立体成像系统的全部工作是对每个场景至少创造两张图像，一张代表人的左眼
所看到的，另一张代表右眼看到的，这两张图像称为立体重叠图像（stereo pair
）;而立体放映系统必须使得左眼只能看到左眼图像，右眼只能看到右眼图像。以
前的立体电影和立体画片要借助双色眼镜、液晶快门眼镜、头戴式追踪装置（Head
 Trackers）、头盔或其他观赏工具才能使观者产生立体感觉，非常麻烦。长期以
来，人们一直在探索直接用裸眼观看立体图像的技术，并在近几年获得实质性的进
展。这些技术被统称为全真立体显示技术。

全真立体显示的硬件方案

    目前问世的全真立体显示器主要采用以下几种方案:

    1、用栅栏控制左右图像的射向

    2002年9月27日，夏普与夏普欧洲研究所（英国）宣布开发成功无需专用眼镜
也能看到立体图像并可以从立体到平面显示进行切换的液晶显示器。这种显示器采
用了视差栅栏（Parallax Barrier）立体显示技术，通过在现有的TFT（薄膜晶体
管）型LCD上配备一个“开关液晶”实现三维显示。开关液晶是一种细长有遮光槽
的液晶片，用来分隔光的传播路径，让代表左右立体重叠图像的信息分别聚焦于观
者的左眼和右眼。两种立体重叠图像合到一起就产生了三维效果。当开关液晶关闭
时，原来遮光部分转为透明，到达左眼和右眼的图像一致，就恢复到普通的2D平面
显示。该公司计划在2003年投入批量生产，其目标是进一步降低成本20％，将价格
控制在比普通显示器只贵50％左右。

    成立于1986年的美国DTI公司，通过十多年来在光学、视觉心理学、电子学、
计算机软件和其他许多关键学科方面的研究，开发出一系列称为“虚拟窗”的平板
立体液晶显示器。2001年，其15英寸的立体液晶显示器售价已降到1700美元。DTI
采用的是视差发光格栅（Illumination Pattern）方案，通过液晶显示屏后面一套
特殊的光学装置和一块发光的格栅控制光线的射向。用过“虚拟窗”的人都说，“
迎面开来的汽车好像冲到了自己的鼻子前”。至2001年中，DTI公司在这方面获准
的专利已有13项。

    三洋电机于2002年10月开发成功能够利用多视角来显示立体映像的50英寸等离
子（PDP）显示器。他们采用的是在图像显示屏前放置一块带有小孔的面板，将立
体图像的左右部分隔离并定向传送到观者的左右眼，通过视差产生三维虚拟图像。
通常，立体显示器是通过左、右眼两个视角综合后产生立体映像的，但三洋开发的
显示器显示有4个视角的图像。通过这些相邻图像的两两组合，无论从正面还是稍
稍偏右或偏左的角度，都可裸视到不同立体效果的图像。提供放映的立体图像是用
四个横向排列的摄像机摄制的，再通过强大的PC综合系统组合在每四个一组的像素
列中。由于观看者的视角没有这么宽，往往引起水平方向的图像质量下降，为此，
他们采取像素排列逐步向对角线倾斜的阶梯办法，再由一个针孔阵列屏将逐步倾斜
的像素导向观者，提高了水平显示的质量。据三洋公司说，虽然立体图像要用许多
摄像机拍摄，制作成本很高，但对于立体电视接收机来说，其针孔板的结构并不复
杂，价格不会很贵，只要立体接收机用户普及，制片的成本摊派下来就只是几元钱
的事。该公司定于2003年3月向市场发放样机，以进一步取得市场需求信息。

    2、用多透镜（lenticular lens）控制左右图像的射向

    多透镜立体显示在1932年就已问世，它也是利用视差的原理制作立体卡片。记
得上世纪七十年代，有一幅“毛主席去安源”的油画立体卡片就是利用这个原理制
成的。提供这种方式放映的立体重叠图像一般呈条纹状，并在显示屏前增加了一个
多透镜屏。多透镜屏由一排垂直排列的半圆形柱面透镜组成，依靠每个柱面镜头的
折射，使右眼图像聚焦于观者右眼，左眼图像聚焦于观者左眼，从而不需要立体眼
镜就能产生立体幻象。美国Toppan公司开发的高分辨率立体显示器也使用了这种结
构。多透镜的特点是产生的图像多彩自然，适宜于大屏幕显示。目前运用最精密的
成形手段，每个透镜的截面达到了微米级；而通过数字处理，色度亮度干扰大为减
少，使条纹状立体图像制作得更加精细、立体图像的再现质量比前提高一倍，也因
之使得高清晰度的立体电视成为现实。

    今年4月在东京BigSight “3D联盟”搭建的展台上，三星电子展出的21英寸立
体显示液晶面板有16个视点（水平和垂直方向各4个），也是通过采用微透镜阵列
实现的。 与三洋电机4个视点和夏普2个视点的液晶面板相比，三星电子的视点数
量明显增多。看过三星产品后，有人觉得“从斜向也能够看到三维图像”，也有人
觉得“图像清晰度太低”。清晰度低估计是由于增加视点数所造成的。

    3、用两个投影机投射左右图像

    日本NHK科技研究所等公司还用两架LCD或CRT背投机同时向多透镜平面分别投
射左右眼立体重叠图像，制成了大屏幕的立体显示器。

    日立研究所则开发出使用2台投影仪的正投式立体显示器。他们采用高亮度节
电型“指向性反射屏幕方式”，在屏幕上投射2个错开的图像，分别对应左右两眼
的焦点，以此来实现立体图像的视觉效果。其实施方案为：2台投影仪以两眼间距
的间隔并排向屏幕上投影。屏幕是由水平方向上向投影仪位置聚光的 “反射板”
和仅在垂直方向上散射光的“透镜板”组成。根据这一结构，投射的图像只能在水
平方向上的特定位置反射或聚光。因此，2台投影仪如果保持两眼间距的话，投射
的图像就会分别在左右两眼形成错开的焦点。 

全真立体显示的软件方案

    在当今多媒体时代，用平面显示器显示立体图像无疑是一项不可缺少的技术，
因为它不仅可再现生动的立体景象，还可以精确地描绘物体的全面信息。除了应用
于广告和娱乐产品，在教育、医学等其它领域也有广泛的应用前景。但是，目前现
成的立体影片几乎为零，除了格式的原因，主要是制片复杂，花费巨大，每个场景
至少要用9部不同的摄像机同时工作。没有节目软件，制造商也就不会贸然大批量
生产立体电视机。为此，美国加州的DDD软件公司正着手从两个方面解决这个“先
有蛋还是先有鸡”的问题：一是先将现有的2D影片转换成立体图像；再是将立体数
据压缩成标准的传播格式，使之能通过现有的广播技术播放或能制作成DVD等载体
。

    DDD公司采用深度映射（depth map）技术将每帧图像加上阴影信息。当然，最
初的工作应该由艺术家来完成。这项工作的过程是，先将每一特定场景的第一帧和
最后一帧图像加上各种暗示距离和定位的灰度和阴影信息编码，再扩展到该场景的
其它中间过程。例如，一个人站在原野上，假定人是白色的，地平线是黑色的，当
人的镜头向观众拉近时，人与地平线之间的所有物体都会产生灰度和阴影的变化。
通过运算法则，计算出第一和最后一帧图像的深度数据，再根据场景中所有物体和
观看者的关系进行精确处理，得出不同深度的灰度和阴影编码，最后得到整个场景
的深度映射图。处理完成后，再压缩成标准的载体格式。这种媒体用机顶盒或其它
硬件解压缩后就能在立体电视接收机上回放。DDD公司采用MPEG格式将这项技术用
于数字电视上时，仅在原来2D图像的基础上增加4％的信息。据说，目前处理一部
较长影片的代价约百万美元。

    此外，在这次东京的展示会上，软件开发商Mercury Sunday公司演示了可立即
将平面图像转换成三维图像的软件。该公司使用数码摄像机和三维液晶的笔记本电
脑（夏普生产的样机），实时将拍摄的平面图像转换成三维图像显示。据介绍，如
果微处理器的工作频率达到2GHz的话，它能够以27帧/秒的速度播放三维图像；如
果把三维转换软件嵌入到专用的图像处理芯片中，播放速度将会远远超过30帧/秒
。看来，有了这种软件，将以前的影片转换成立体显示已不成问题，从而也解决了
立体电视的片源。

“3D联盟”将加速立体电视的进展

    为了促进开发立体显示器及其显示内容，以夏普、索尼、三洋电机、NTT数据
、伊藤忠商事等5家公司为主，并联合硬件制造商、软件开发商、出版社、报社等
70家公司于2003年3月4日在日本成立了“3D联盟”。该联盟将设立制定图像规格、
提供内容制作指南及开发制作工具等部门，同时还将开展有关立体显示的启蒙活动
。在“3D联盟”成立的记者招待会上，夏普展示了立体显示的PDA及笔记本电脑、
三洋电机展示了22英寸及50英寸的立体显示器，索尼则展示了立体图像的拍摄和演
播系统。同时，展会还演示了电视游戏及广告宣传图像等立体节目。

    据专家预测，“立体显示器市场”将迅速扩大。预计2008年日本国内立体显示
器市场的规模可达到3万亿日元（约合人民币2000亿元）。目前国内也有企业正在
开发这一产品，毫无疑问，立体电视进入家庭影院的日期已为时不远。

  
 

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├┼●┼┼┼┼┼┼●┼┼┼┼○●●┼┤     记录：弈龙                 
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