立體電視的成像原理及兩種主流顯像技術

張延賢

（山東理工大學計算機學院，山東 255000）

1 立體成像的基本原理

在現實場景中，我們通過眼睛看到的景物之所以呈現為立體形態，是因為人的兩只眼睛所處的空間位置不同，可以從兩個不同的視點同時獲取兩幅有一定視差（Parallax）的場景圖像——左眼圖像和右眼圖像，通過大腦對這兩幅圖像處理后，不僅能分辨出物體的顏色、質感等光學信息，還能根據兩幅圖像的形態差異獲取物體的立體形態及空間深度等信息。這就是雙眼立體成像的基本原理。視差是3D成像技術的基礎，拍攝3D畫面需要使用三維攝像機（有兩個獨立的鏡頭、成像器和信號系統，相當于兩臺攝像機），兩個鏡頭分別模擬人的兩只眼睛，在兩個視點攝取兩路視頻信息，經特定格式的編碼后，通過3D顯示設備將左右兩路圖像分別送到觀眾的兩只眼睛，從而還原出包含場景空間深度的3D影像。

圖1給出了3D電視的基本成像原理。左右眼分別看到的是在水平方向上有一定視點差異的圖像，兩幅圖像在大腦中“合成”后，就可形成具有一定深度感的立體畫面——在縱向空間上，中間的物體基本呈現在屏幕層面上，而其前后的物體則游離到了屏幕之外（出屏），近端的物體處在屏幕和觀眾之間，遠端的物體則朝屏幕的另一方向表現為出屏狀態。

圖1 立體電視的基本成像原理示意圖

景物是否出屏以及出屏的方向取決于三維攝像機兩個鏡頭會聚點的具體位置。鏡頭的會聚點（Convergence）即兩個鏡頭光軸的相交點，多數情況下在鏡頭的景深范圍之內，偶爾也可根據造型需要，處于景深范圍之外。在需要佩帶立體眼鏡的顯示終端上，處于鏡頭會聚點上的景物用裸眼看是疊印在一起的，呈現為清晰的圖像。而處在鏡頭會聚點之外的景物，兩個鏡頭攝取的影像用裸眼觀看時則呈現為類似重影的分離狀態，景物離鏡頭的會聚點越遠，兩個影像也離得越遠。當帶上立體眼鏡觀看時，處于鏡頭會聚點上的景物處于屏幕的平面上，而處在鏡頭會聚點之外的景物，看上去則是出現在屏幕的前面或后面的空間中。基本規律是：在鏡頭會聚點前端的景物向屏幕前方出屏，在會聚點后方的景物向屏幕后方出屏，并且拍攝時景物離鏡頭的會聚點越遠，出屏的距離也就越遠。會聚點分別在前景和后景位置時，用裸眼觀看和佩帶立體眼鏡觀看的影像效果分別如圖2和圖3所示。

2 出屏原理及出屏距離的控制

圖2 會聚點在前景位置時，后景物體用裸眼看呈分離狀態，立體顯示時向屏幕后方出屏

圖3 會聚點在后景位置時，前景物體用裸眼看呈分離狀態，立體顯示時向屏幕前方出屏

圖4給出了3D攝像時景物的成像過程及特點。假設兩個鏡頭的會聚點大約在成像面上，物體A在會聚點的前方。這樣兩個鏡頭攝取的影像就交錯地處于成像面上，右側鏡頭攝取的影像（Cam AR）在成像面的左側，左側鏡頭攝取的影像（Cam AL）在成像面的右側。

圖4 三維攝像時景物的成像過程及特點

圖5是立體播放時景物的成像特點及出屏效果。左側攝像機攝取的影像出現在屏幕的右側，右側攝像機攝取的影像再出現在屏幕的左側。兩個影像分別進入觀眾的左眼和右眼，經大腦視覺神經處理后，合成影像呈現在兩眼視線相交的屏幕前方某一位置（這與將食指垂直地放置于兩眼正前方，然后兩只眼睛快速地輪流睜閉所看到的情況是完全一樣的）。如果兩眼間的瞳距（Eye Wide）和攝像機的鏡距（Cam Wide）相等（約為6-7cm），且眼睛和屏幕兩側形成的夾角β與攝像機鏡頭與成像器兩側邊之間形成的夾角α相等，那么場景的深度感和物體A的出屏距離將和實際拍攝時的情況完全一致。

3 兩種主流立體顯示技術

由于立體視覺是基于視差而來，因此要實現立體顯示，必須以人工方式重現視差，使兩只眼睛分別看到來自不同視點的影像，從而還原出立體視覺。基于視差實現立體顯示的技術，可分為“鏡視”與“裸視”兩大類型，前者必須佩帶專門的3D眼鏡，而后者可以擺脫對3D眼鏡的依賴，像看普通電視一樣看到立體影像。

圖5 播放時景物的出屏原理及效果

3D眼鏡有被動式與主動式兩大類，前者是基于偏光原理形成立體影像，又叫偏光式 （Xpol）3D眼鏡；后者的鏡片由液晶材料構成，基于快門原理形成立體影像，又叫快門式3D眼睛。

偏光式3D眼鏡和普通近視鏡一樣，由鏡片、鏡架等構成，不需要電源及控制裝置，其基本原理是讓左右眼的影像分別通過左右兩個鏡片，借助左右影像的視差形成立體畫面。偏光式3D眼鏡的左右兩個鏡片上面涂有類似百葉窗般可分離不同方向偏振光的偏光膜（Retarder Film），可擋住與偏振方向垂直的光線，只讓與偏振方向平行的光線通過。

偏光式立體顯示目前有兩種類型——線偏振式和圓偏振式。線偏振有水平/垂直兩個偏轉方向，通過眼鏡上兩個不同偏轉方向的偏振鏡片，讓兩只眼睛分別只能看到屏幕上縱、橫向圖像中的一個。圓偏振是新一代偏振技術，兩個鏡片一個向左呈圓形旋轉，一個向右呈圓形旋轉，不必像線偏振那樣保持“橫平豎直”的狀態，可實現全方位觀看立體影像。目前，基于被動式立體顯示技術的液晶立體電視多采用隔行式線偏振技術，其基本原理是在液晶屏幕上貼上一層偏光膜，使其奇、偶行發出的光線分別偏光正負45度，形成交錯排列的垂直與水平偏振光，即奇、偶行發出的光線呈垂直偏振關系。與之配套的兩個鏡片上也分別貼有水平和垂直偏光膜，左眼鏡片過濾偶數行的光線，只讓奇數行的光線通過；右眼鏡片過濾奇數行的光線，只讓偶數行的光線通過。由于奇數行的影像來自立體攝像機的左鏡頭，偶數行的影像來自立體攝像機的右鏡頭，所以左右兩眼看到的是分別來自兩個鏡頭的具有一定視差的影像，二者合成后即為立體影像。這種偏光式立體顯像技術屬于隔行式顯像模式 (Interlacing Display Mode)，又稱行交錯格式(Row Interlaced Format)，顯像原理參見圖6。

圖6 隔行式立體顯像技術的基本原理

由于隔行式立體顯像技術類似傳統的隔行掃描——將一幀變為奇、偶兩場，奇數場只包含一幀畫面的奇數行信息，偶數場只包含偶數行信息，兩場的垂直分辨率都只有最高分辨率的一半。所以，隔行式立體顯像技術的左眼畫面相當于隔行掃描的奇數場，右眼畫面相當于隔行掃描的偶數場，兩眼看到的影像在垂直方向上的分辨率都只有原畫面的一半。采用隔行式偏光方式和被動式偏光眼鏡再現立體影像的另一個缺點是觀看的范圍有一定限制，超出這個范圍，立體顯像效果將變差，但是，由于不必增加信號的數據帶寬，也不用提高屏幕的刷新頻率，技術上比較成熟，眼鏡及整個系統的成本相對較低。

液晶快門(LCS)眼鏡屬于通過眼鏡本身的動作實現立體顯示的主動式快門眼鏡 （Active Shutter Glass），其基本原理是運用電場控制液晶的透光狀態，以每秒50次（PAL制）或60次（NTSC制）的頻率交替遮蔽進入兩眼的光線。播放時，只要交替顯示來自3D攝像機左右兩個鏡頭的畫面，在立體同步信號（Stereo-Sync）的控制下，讓液晶快門眼鏡與畫面同步動作——屏幕上出現左眼畫面時，右眼鏡片關閉，左眼鏡片呈透光狀態；屏幕上出現右眼畫面時，左眼鏡片關閉，右眼鏡片呈透光狀態。這就是主動立體顯像技術的基本工作原理。因為是基于幀順序使左右眼畫面依次顯示，工作特點頗似翻動書本的頁面，所以這種使用主動式快門眼鏡的立體顯像方式又叫幀序式（Frame Sequential）或翻頁式(Page-Flipping)顯示技術，本質上屬于時分（Time Divided）顯示技術。

圖7、圖8給出了這種立體顯像的基本原理與特點。首先將立體攝像機拍攝的左右眼畫面按特定格式進行編碼，然后通過時分技術使左右眼畫面按幀順序交錯排列（圖7），在顯示終端，液晶快門眼鏡在立體同步信號的控制下，左右眼鏡片依次打開，使兩個眼睛分別看到來自攝像機左右兩個鏡頭的畫面（圖8），最終實現立體影像的還原。

圖7 通過時分技術使左右眼畫面按幀順序交錯排列

圖8 立在體同步信號的控制下，快門式3D眼鏡的左右眼鏡片依次打開

這種基于時分技術的立體顯像方式，最大優點是左右眼看到的畫面都是全分辨率的，和偏光式立體顯像方式相比，可以實現全高清的高畫質立體顯像。另外電視屏幕上也不用貼偏光膜，簡化了電視屏幕的制造工藝。但是，由于左右眼交替顯像，實際作用于眼睛的畫面刷新率將降低一倍，導致大面積閃爍現象。解決的辦法是采用幀倍頻技術，將顯示設備的幀率提高一倍（PAL制提高到100Hz，NTSC制提高到120Hz）。如果三維攝像機本身支持高達120的幀速率，顯示設備將不必采用幀倍頻技術，但由于信號本身的數據流量增大了一倍，勢必對信號的傳輸、存儲等在技術和設備方面提出更高的要求，這也是主動式立體顯像技術的一個缺點。

再就是液晶式快門眼鏡必須接受同步信號的控制，以保證左右眼鏡片正確地開合。對同步控制信號和快門式眼鏡的主要要求有：用紅外線控制，靈敏度和可靠性要高，不得出現幀失落(Drop Frames)現象；鏡片的明暗對比度要大，透光率要高，反應速度要快；另外，還要有偽立體（Pseudo Stereo）識別與反轉功能。總體上，采用液晶快門眼鏡的立體電視系統，最大優點是畫面質量好，不足是眼鏡及整個系統的造價偏高。

目前在影院里放映的立體電影，所佩帶的眼鏡多是不需要電池供電的被動式偏光眼鏡，但和上面所說的隔行式偏振光顯像方式不同。采用偏振光顯示方式的立體電影，首先是將左眼和右眼的畫面按幀順序交錯排列，放映時，左右畫面以偏振軸互為90度的偏振光放映在不會破壞偏振方向的金屬幕上。觀看時，觀眾戴上兩個鏡片偏振方向互相垂直的偏光眼鏡，即可看到立體效果。因此，立體電影的顯像方式結合了上面所說的偏振式和時分幀序顯示兩種技術特點。

裸視立體顯示多是通過經特殊設計的屏幕來實現三維顯示效果，按工作模式可分為空間分割式、時間分割式和深度融合式三大類。空間分割式裸視立體顯示是在同一個屏幕上通過分割顯示區域以使左右眼畫面同時顯示，主要有柱狀透鏡式和視差屏障式兩大類。時間分割式是在同一個屏幕上，各切割一半時間來交替顯示左右兩眼畫面，目前代表性技術是“指向性背光分時”式裸視立體顯示方式。深度融合式立體顯示是將兩片液晶面板重迭在一起，分別在前后兩片液晶面板上以不同亮度顯示前景與后景的影像，缺點是體積較大，成本較高。

我國在裸視立體顯示技術上走在世界前列，據悉TCL已推出全球首款大屏幕商用裸視立體液晶電視，相信不久的將來，更大屏幕、更佳顯示效果的裸視立體顯示設備會出現在演藝領域，讓我們拭目以待。

參考資料：

［1］http://www.sony.com.cn/3d/index.html#index

［2］http://www.hd.club.tw/forum-61-1.html

［3］http://news.178.com/201004/65818238747_4.html