论3D电视技术的发展

摘　要：摘要：近年来，多部3D电影上映，受到观众的如潮好评，由此也掀起一股3D技术热潮，3D技术的产品蓬勃发展，出现了很多3D电视、3D显示器、3D显示屏等，目前已经有多家显示器厂商都推出了免佩戴专业眼镜就能看到3D立体画面的显示设备。本文主要介绍3D电视技术的原理、各种3D技术优缺点、3D电视节目的制作和传输以及真正的3D电视。

关键词：关键词：3D技术；优缺点；3D电视节目；真正的3D技术

中图分类号：TP393    文献标识码：A   文章编号：

1. 什么是3D电视
　 3D电视是三维立体影像电视的简称。人的双眼观察物体的角度略有差异，这称为双眼视差，大脑会根据这种差别产生物体的距离感，人眼因此能够辨别物体远近，产生立体的视觉，3D电视就是利用了这个原理。

　 当前3D电视的关键技术：
　 （1）利用人眼的双眼视差；（2）在一个荧屏上显示左右眼需要的信号；
　 （3）左眼的信号送到左眼，右眼的信号送到右眼；通过以上三个关键技术，就能够实现3D显示。
    人演的双眼视差如图所示：
    
　 3D电视和3D电影的技术原理是相同的， 3D显示技术可以分为眼镜式和裸眼式两大类。
2. 眼镜式3D技术
　 在眼镜式3D技术中，可以细分出三种主要的类型：色差式、主动快门式和偏光式（不闪式），也就是平常所说的色分法、时分法、光分法。
 　　
2.1色差式3D技术 　　
　 色差式3D技术，英文为Anaglyphic 3D，配合使用的是被动式红-蓝（或者红-绿、红-青）滤色3D眼镜。这种技术历史最为悠久，成像原理简单，实现成本低廉，，但是3D画面效果也是最差的。
2.2主动快门式3D技术 　　
　 主动快门式3D主要是通过提高画面的刷新率来实现3D效果的，通过把图像按帧一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来，同时红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面。这项技术能够保持画面的原始分辨率，很轻松地让用户享受到真正的全高清3D效果，而且不会造成画面亮度降低。

　 优势：主动快门式3D技术有残影少、3D效果突出的优点，而且该技术实现起来比较容易，屏幕成本较低，不论是电视、电脑屏幕还是投影机，只要更新频率能达到要求，就能导入这个技术，因此现在市面上大部份即将上市的 3D产品基本上都采用这个技术。 　　
　 缺点：（1）亮度大打折扣，带上这种加入黑膜的3D眼镜后，实际亮度差不多降低一半左右。
　 （2）限于3D眼镜的工作原理，还会引起所谓的“Crosstalk现象”，即“串扰现象”，即眼镜快门的开合与左右图像是否完全同步。 　　
　 （3）观看角度问题，由于液晶电视面板和3D眼镜都是采用液晶分子材质，因为偏转角透光的特性，佩戴3D眼镜观看3D影像时只能水平观看，不能倾斜，否则就欣赏不到3D效果。 　　
　 （4）眼镜成本太高，而且各个厂商推出的3D眼镜并不能通 用3D眼镜无论是讯号的接收，还是两边液晶的闪动都是要耗去电力的，因此主动式快门眼镜还要不时的充电。
2.3不闪式3D技术 　　
　 也称为偏光式3D技术或偏振式3D技术，配合使用的是被动式偏光眼镜，价格比较便宜，大多数影院都是采用这种技术。
　 优势：（1）没有闪烁，能体现让眼睛非常舒适的3D影像。不闪式3D没有电力驱动，可舒适佩戴眼镜并且全然没有闪烁感。因此可以尽情享受让眼睛非常舒适的3D影像。看实际测量闪烁程度的数据就能知道数据几乎是零，不会有头晕的状态出现。　 　　
　 （2）可视角度广，观看不闪式3D电视时只要是在推荐距离内，在任何角度观看，它的画面效果、色彩表现力都不打折扣，可以在没有角度限制的情况下去享受完美震撼的3D影像。 　　 
    （3）能够用轻便舒适的眼镜享受3D影像。不闪式3D眼镜轻便、价格合理，还可以使用夹套眼镜让配戴眼镜的人也能舒服使用。 　　
     　　
3. 裸眼式3D技术
　 裸眼式3D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。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足。 　　
3.1光屏障式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。该技术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 　　
3.2柱状透镜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。
　 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。 　　
3．3指向光源3D技术 　　
　 指向光源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。
　 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。

3.4立体电视节目的拍摄
　 3D电视节目的获取主要包括两种方式：一种方式是直接进行3D内容的获取，如立体拍拍摄，3D蓝光盘节目和3D动画片；另一种是将原有的2D视频转成3D视频。
　 目前存在的问题：前者拍摄与制作设备价格昂贵，复杂三维场景的实时获取与表示能力不足，已有视频内容利用程度低。后者技术不够成熟，立体效果较差。
　 立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来模仿人的两只眼睛摄取图像。两个镜头的间距及其光轴的汇聚夹角等参数须模仿人的两个眼球的动作 ，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以使拍摄的两个图像信息与人眼直接观看的信息相同。
   
3.5立体电视节目的制作
    立体影像系统采用双路画面实时操作方式，可以实时看到左右眼画面，也可以戴上眼睛实时观看最终放映的效果，便于对两个画面的同步、色彩、曝光、景深等进行匹配，便于修饰闪烁、畸变等各种立体瑕疵，便于调整两个画面之间的视觉夹角。如图一所示
 
 　 　 　 　 　 　 　 　 　 图一
    电视后期制作设备利用处理器的强大处理能力，修正两台摄像机在位置、转动方向、光轴、色彩上的偏差，实时合成准确的3D影像，简化拍摄准备过程中的摄像机调整工作，并对摄制完成的影像进行处理。
3.6立体电视节目的传输
     主动式立体信号传输主要针对采用快门式眼镜的立体电视收看方式。快门式眼镜立体电视主要原理是需要在显示屏幕上交替地显示左右眼图像,这就要求立体信号作为左右眼视图的交替帧进行编码。
    由于立体电视传输的是左右眼双路视频信号,为了实现每只眼睛都可收看50Hz的高清信号,高清立体电视信号的传输就需要达到100Hz。该信号可以像传统的二维100Hz高清电视信号那样被编码,为了减少传输比特率,编码过程中可以采用视差补偿预测方法,以去除左右眼视图之间的冗余。采用这种方法,在传输过程中所需的比特率仍然远高于一个传统50Hz高清电视信号,但会比双路信号独立传输方式的比特率低一些。国外相关实验证明,在实现同样分辨率图像的情况下,采用这种方法传输的高清立体电视信号所需的比特率是普通二维高清电视信号的1.7到1.9倍。另外,需要对当前的高清电视的基础设施进行升级才能承载这一信号,传输播放所需的成本也会进一步增加,而立体信号将呈现传统的高清电视的分辨率,帧速率达到100Hz。
    为了实现更高的压缩比率,减少传输的比特率,可以采用时间可分级的编码方式。这样,左眼视图就是基础层面,作为一个传统的50Hz的高清电视信号被编码,而右眼视图分别进行帧内的MCP预测和帧间的DCP预测,并将二者相结合。  采用这种方式的优点是降低了传输的比特率,并且左眼视图可以由传统的二维图像解码器解码,并通过二维显示器显示,实现立体电视的后向兼容。基于上述技术,若想观看立体视频内容,观众需要一个工作在100Hz的可分级的视频解码器,搭配一个能够接收和显示100Hz视频的显示器以及一副同步的快门眼镜。

  
4. 真正的3D电视

　 活动视差（Motion parallax），是指人在判断目标景物之间的前后关系时，会主动地移动自己的头部，通过向左右活动从而获得有关的信息。比如说，当你看不清楚两个并排物体的前后关系时，走到旁边就看清了。这种活动视差是自然的，如果没有活动视差，人倒是觉得不自然了。有没有活动视差是衡量一个显示系统质量的指标之一。目前大多数立体电视是没有活动视差效果的，而真正的3D就应当有活动视差效果。这同时也说明了，立体感并不一定要双眼才可以产生，只要有活动视差，单眼也可以有3D效果的。只要把实物现场中的光线分布（光场）复制到眼前的空间，那么人就应当像在现场一样，看到栩栩如生的景物（除了大小和原形不同），包括活动视差等3D关系（你甚至可以走到后面去看）。因此，有活动视差的显示才是真正的3D电视。双眼立体（Stereoscopic）只是3D的初级阶段，要实现真正的3D电视，还有很长的路要走；
　 目前的双眼立体电视系统中较差的图像质量和缺乏统一的广播标准,阻碍了将3DTV迅速推向市场 ,如果观众感受到的图像质量和观看的舒适性可以与传统的电视相当,则3DTV将取得巨大的成功。另外,3D TV技术应该与目前的二维电视兼容,以确保一个系统向另一系统的逐渐过渡。
    总的来说,立体电视的发展方向是可以提供用户从任意视角自由观看自然的、高质量的图像。未来的真正的立体电视系统应具有以下特点:
　 1)一个可行的为家庭观看的3D TV应该是自动立体显示。需要佩戴眼镜在家庭环境中是不可接受的,因为电视通常是随意观看的,如会伴随有电话打断、谈话、做饭或者从事其他的活动,而电视则作为一个背景的行为。
  　2)立体电视应该能够为多个观看者提供高质量的立体图像,并且允许观看者在房间内自由走动而同时保持足够的立体图像质量。对于个体差异和不同观看者的不同偏好,应该可以控制获得的深度量。
     3)3D系统应该具有、但最好能优于当前2D电视同样的图像质量。
　 从长远来看,下一代电视的发展目标必将是3D立体电视,随着图像处理摄像和显示技术不断发展,以及对三维感知的理解不断提高,3D 电视将会实现飞速发展。
参考文献：
[1] 《广播电视发展现状及趋势》
[2] 《3D显示技术探讨》

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