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上海易维视科技股份有限公司具有业界领先水平的丰富视频技术储备 核心裸眼3D技术主要包括如下方面:三维视频处理技术
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3D显示技术简析

来源:    |    日期:2017年10月30日    |    浏览次数:

中国裸眼3D系统标准工作组组长 方勇


   显示产业是国家基础性产业,3D显示是其发展方向,实现“2D/3D无缝兼容的按需显示”是业界追求的目标。此外,3D显示技术也是VR/AR技术的基础,鉴于VR/AR所应具有的沉浸感和临场感,3D是其本质技术要求。


1 3D显示技术简介


       3D显示技术从技术发展趋势来看,路径可能为“分像3D→ 光场3D→全息3D”,分像3D主要利用人的双目视差产生立体视觉,光场3D再现场景对应光场,全息3D再现全部波前信息;前者存在3D观看舒适度问题,后两者则属于真3D显示范畴,不存在明显的视觉不适。现阶段的3D技术与产品基本上都属于分像3D(包括助视3D和裸眼3D),中期内可能会出现细分领域的光场3D产品或采用部分光场技术的3D产品,全息3D在可预见的未来还难以产业化。常见3D显示技术概要如下:



2 助视3D显示技术


   助视3D显示技术常见的形式有快门3D、偏振3D和头盔3D。


2.1 快门3D

   快门3D显示技术是时分3D显示,其基本实现形式:显示屏依次交替显示左右画面,在同步控制信号的作用下开关快门式3D眼镜的左右镜片,即显示屏上显示左画面时,开左镜片、关右镜片;显示右画面时,开右镜片,关左镜片,使人左眼只看到左画面、右眼只看到右画面,从而产生立体视觉。眼镜镜片通常包含液晶层从而可以控制光的透过与否。快门3D的主要特点是因其使用时分方式,从而不损失空间分辨率,但需要更高的帧率来显示左右画面;同时还需要显示屏与3D眼镜的严格同步。


2.2 偏振3D

   偏振3D显示技术是空分3D显示,其基本实现形式:显示屏按行依次交替显示左右画面,如奇数行显示左画面,偶数行显示右画面,通过偏振膜使透过奇数行和偶数行的光线成为正交偏振光;偏振式3D眼镜的左右镜片也具有正交偏振特性,从而左镜片只透过左画面,阻挡右画面;右镜片只透过右画面,阻挡左画面;使人左眼只看到左画面、右眼只看到右画面,从而产生立体视觉。偏振3D的主要特点就是使用空分方式,会损失空间分辨率,但不需要增加帧率;眼镜镜片是具有正交特性的偏振材料,不需要同步信号控制,使用方便,成本低。


2.3 头盔3D

   头盔3D显示技术在VR/AR领域被广泛使用,目前阶段是要求高沉浸感和临场感的VR/AR的优选方式。但也正由于其高沉浸感和临场感,在未使用真3D显示技术的情况下更易产生视觉不适。头盔3D显示技术本质上是空分3D显示,通常使用两个显示屏或分屏方式实现,因为近置在眼前,可通过人的视野或遮挡方式实现画面分离,即左眼只看到左显示屏画面,右眼只看到右显示屏画面,从而产生立体视觉。头盔3D可以产生强烈的沉浸感和临场感。


3 裸眼3D显示技术

 

   裸眼3D显示技术相对助视3D显示技术来说更复杂,要求也更高,除了用于分像的光学器件外,往往需要更复杂的3D视频处理。


3.1 裸眼3D分像器件

   从分像器件角度来看,裸眼3D显示技术的常见实现形式有:柱镜光栅和狭缝光栅,也有使用指向光源技术的,但已不多见。


3.1.1 柱镜光栅(lenticular lens

   柱镜光栅是目前裸眼3D显示技术的主要实现形式,其基本原理是利用光的折射来实现分像,即将不同像素/子像素的光线引导到空间的不同方向,从而将显示屏上的左右或多视交织画面分离,让不同的具有视差的画面进入人的双眼从而产生立体视觉,如下图所示。柱镜光栅的特点是基本上不损失显示屏的亮度,虽然需要贴合,但整体上易于实现。



3.1.2 狭缝光栅(parallax barrier

   狭缝光栅是裸眼3D显示技术的常见实现形式,其基本原理是利用光的遮挡来实现分像,通过遮挡实现不同像素/子像素的光线在不同的空间方向观看,从而将显示屏上的左右或多视交织画面分离,让不同的具有视差的画面进入人的双眼从而产生立体视觉,如下图所示。狭缝光栅制作简单,成本低廉,但其大幅降低显示屏的亮度,严重限制了其应用。



3.2 裸眼3D视频处理技术

   裸眼3D显示技术按其使用场景来划分,可划分为多人应用场景和单人应用场景。


3.2.1 多人应用场景

   裸眼3D在传媒展示、影视娱乐等领域应用广泛,往往是多人同时观看;为解决多人多角度同时观看的问题,往往需要多视点裸眼3D显示技术,作为其不断发展改进的方向,超多视点/密集视点、连续视点裸眼3D显示技术也是必要的。而3D影视内容通常都是左右两个画面,这就需要解决左右两个画面到多个具有视差的画面之间的实时转换问题,否则裸眼3D的应用领域会大打折扣,也会因为其内容限制问题从而失去大规模推广的可能。实时视点转换问题主要牵涉到两个关键问题:深度计算和多视点/超多视点渲染,深度计算是个经典的立体匹配问题,问题是老问题,但要做到普适场景的鲁棒性却是个巨大的难题;超多视点渲染本身是基于图像与深度信息的实时渲染,但是要同时实现多个全高清/超高清,甚至54个超高清画面的实时渲染,却不是个容易的问题,何况还有遮挡/显露问题需要智能处理,因此具有较高的技术门槛。



3.2.2 单人应用场景

   裸眼3D除了传媒展示、影视娱乐等应用领域外,还存在许多单人使用的应用场景,如裸眼3D手机、裸眼3D平板、裸眼3D桌面显示器等。单人应用场景因为只有单个人观看,不需要使用多视点裸眼3D显示技术,从而可以避免上述具有极高技术门槛的实时视点转换问题,从而直接使用输入的左右双画面内容;但双视点裸眼3D显示方式的特点是50%是可视区,50%是逆视区,可视区与逆视区交替出现,稍一偏移,就很容易看到重影,用户体验难言令人满意;为解决单人应用场景的用户体验问题,最佳方案是人眼跟踪的自适应双视点裸眼3D显示技术,将可视区始终投向观看者,从而获得优异的3D视觉体验 。