基于TRIZ理論的3D放映技術發展分析

文/東北大學機械學院 趙新軍 付長曉

1 引言

2009年，《阿凡達》引爆全球觀眾觀看3D電影的熱情后，3D放映技術已在世界范圍內引發強烈震撼。3D放映技術在100年前就已經誕生，但直到今天，3D放映技術才真正改寫了電影、電視等相關產業的歷史。本文基于TRIZ理論分析歷史上3D放映技術的發展演變，總結其發展規律，預測其未來的發展趨勢。或許，未來放映技術的“3D化”將成為必然，對其改良和創新設計顯得尤為重要。

2 3D放映技術的原理及簡介

3D放映技術是利用人的左右眼瞳距在大腦形成的視差從而產生立體感的原理，將左右兩幅不同的影像投射到銀幕上，讓觀看者左眼和右眼分別看到連續的左、右兩幅影像，從而使觀看者有身臨其境的感覺。實際上這種技術是一種人工生成的虛擬立體環境。3D成像是靠人兩眼的視覺差產生的。人的兩眼之間一般會有8厘米左右的距離。要讓人看到3D影像，就必須讓左眼和右眼看到不同的影像，使兩副畫面產生一定差距，也就是模擬實際人眼觀看時的情況，除了瞄準正前方以外，看任何一樣東西，兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小，但經視網膜傳到大腦里，大腦就用這微小的差距，產生遠近的深度，從而產生3D的立體感覺（圖1）。

3 3D放映技術的發展歷程及TRIZ分析

3.1 萌芽期1850～1880

圖1 3D放映技術原理示意圖

上述原理早在19世紀中期就被人們認識到了。英國物理學家惠斯通在19世紀中葉發明了“實體鏡”（圖2）。從此之后，攝影師可以用兩臺照相機從不同角度分別拍下相當于左眼和右眼看到景物的照片。人們使用實體鏡觀看這兩張照片的時候，由于鏡中的擋板分開了左眼和右眼的目光，使左眼只看見左眼圖像，右眼只看見右眼圖像，就形成了立體視覺。

3.2 生長期1890～1940（第一代放映技術）

19世紀90年代末期，英國電影先驅William Friese-Greene發明的雙機放映3D電影技術，是3D放映技術的最早起源。兩臺攝影機分列左右進行拍攝，放映時分別在兩部放映機上同步投影，分供觀眾的左右眼。觀眾佩戴專用的紅綠立體眼鏡，通過濾光的方式即可觀看（圖3）。這是一項革命性的發明，現在一些3D放映技術依然運用這個原理。

圖2 實體鏡及其原理

圖3 濾光技術及其原理

圖4 偏振技術及其原理

從TRIZ理論的角度來分析，第一代3D放映技術就是2D到3D的轉化。這一項發明運用了分離（抽出）原理，將圖像信號中的關鍵部分挑選或分離出來，利用光學介質把一束光按不同的光譜區分開，分別傳遞左右眼圖像信息，實現了2D到3D的轉化。

從今天的角度來看，由于自身技術的缺陷，早期的3D效果很差，兩眼無法看到“應當”看到的畫面，因此畫面色彩失真，立體效果不良，特別是觀眾的眼睛往往感到不適。

3.3 發展期1940～1960（第二代3D放映技術）

20世紀50年代埃德溫?H?蘭德(Edwin H．Land) 的偏振鏡頭取代了紅藍鏡頭，讓色彩還原更加可信，畫面也更加亮麗。偏振技術基本解決了濾光技術的失真問題。偏振技術使投影機投射的非偏振光通過偏振器，同時觀看者佩戴分別與圖像偏振特性相同的檢偏器(眼鏡鏡片)，可為左右眼提供不同的信息，從而產生深度的概念（圖4）。偏振技術體現了TRIZ理論的振動原理和周期性作用原理。相比上一代的3D放映技術，偏振技術使用電振動代替其他振動，達到了更理想的效果。

由于偏振片是37%的透明度，所以畫面亮度受到損失。以及偏振技術的成本過高，所以偏振式3D技術對顯示設備的要求較高，在當時并未普及使用。

3.4 沉寂期1960～1980（第三代3D放映技術）

由于偏振技術存在著一定缺陷，在20世紀60～70年代的20年間，3D電影的總產量不到30部，3D放映的發展進入了沉寂期。

這一時期，制片人Arch Gobler找到一種方法，改變了對雙膠片式放映的需要，叫做Space-Vision 3D技術。同時，Alan Gordon和Chris Venter聯手開發出Stereovision技術，利用“視覺暫留”現象把左右眼看到的畫面交替地印在35毫米電影膠片上，放映機以48幀/秒（通常放映速度的兩倍）的速度放映影片，放映鏡頭前加上一個周期轉動的遮光板，于是兩套畫面交替出現。這個技術其實是對偏振技術的改良，把圓偏振改進為線偏振。這里體現了TRIZ理論的多維化原理和振動原理。總體來看，前三代3D放映技術為濾光技術到圓偏振技術再到線偏振技術的轉變，向著多元化發展。

3.5 復興期 1980至今（第四代3D放映技術）

經過數十年的發展，如今的3D電影界，呈現出RealD、XpanD 和杜比3家占主導地位的技術供應商“三分天下”的局面。而這3家供應商也分別代表著一種3D放映的技術。

3.5.1 RealD 技術

RealD是對圓偏振技術的改進。原始的偏振技術因為畫面亮度太低，因此使用RealD技術的影廳必須換裝表面鍍有鋁的“金屬銀幕”來彌補偏振片和雙眼畫面交替播放帶來的亮度損失。不過，RealD技術的3D眼鏡價格比較便宜，使它相對容易得到推廣。

3.5.2 XpanD 技術

XpanD則采用一種相對前沿和復雜的技術，利用人眼的視覺暫留效應來實現3D效果。它的放映機會交替放映左眼和右眼應該看到的畫面，使眼鏡的左右眼兩個液晶濾片像相機快門一樣，與銀幕影像同步交替開啟和關閉。XpanD的眼鏡造價很高，而且經常需要維護，這成為它大規模推廣的瓶頸。

3.5.3 杜比技術

杜比采用的3D技術是“光譜分光”，是對最早使用的濾光技術的改進。也就是說，這種3D影像的左右兩個畫面，都含有紅、綠、藍三色信息，但左、右眼應該看到的影像，其光譜成分有所不同。觀眾佩戴特制的光譜分光眼鏡來觀看影片，讓大腦感受到3D效果。

表1 各3D放映技術的硬件及成本對比

表2 3D放映技術的發展歷程的TRIZ分析

通過以上三大技術供應商推出的3D放映技術，不難發現電信號的3D放映技術已經成為主導（表1），而這三家供應商由于其自身技術的優缺點各自占的市場份額也不同（圖5）。

在3D放映技術的發展歷程中，相關技術的進步起到了極大的促進作用，表2是TRIZ理論的40條發明創造原理在3D放映技術的發展歷程中的應用。

4 基于技術系統進化模式的3D放映技術發展分析

根據TRIZ理論中的技術進化模式分析，3D放映技術的進化發展由濾光技術到偏振技術再到眼鏡開關技術。可以發現3D放映技術的進化是由光信號到電信號的過程。即盡量保留光振動所產生的圖像信號，也就是不斷提高成像的清晰度、亮度與完整性。例如第二代3D放映系統的偏振技術出現后，成像的能力加強。3D眼鏡增加了系統的可控性，每一代的進化增加了圖像的理想化程度和水平，實現了光波場向磁場、電場、虛擬數字場的轉化。

5 3D放映技術的發展趨勢預測

由宏觀系統向微觀系統進化預測(圖6)，可以分析發現技術進化的最好形式就是由場主導的模式。然而對于3D系統來說，3D圖像的實現是通過分光或者是分色然后再用3D眼鏡合二為一實現的。分析3D放映技術的發展規律，我們可以做如圖7的預測。那么未來的3D技術將用一種場來替代現有的3D眼鏡來實現3D的效果，即裸眼3D。

隨著3D放映技術的不斷發展，裸眼3D的出現將成為可能。現階段的裸眼式3D技術大多處于研發階段，并且主要應用在工業商用顯示市場。裸眼式3D技術最大的優勢便是擺脫了眼鏡的束縛，但是分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足。

圖5 各3D放映技術的市場份額

圖6 增加系統靈活性進化路線

圖7 3D技術的進化路線

2013年3月，美國惠普公司宣布，他們研發出一種新型裸眼3D技術，可用于安裝在移動設備上。未來人們便可用肉眼直接觀看手機上的3D圖像。

當然，未來的3D放映技術也可以用于各種領域，例如3D廣告，3D投影操作界面，裸眼3D電視，3D電腦，3D導航，3D X光等相關領域（圖8）。

圖8 未來的3D放映技術

6 結論

3D放映技術，是一場毋庸置疑的視聽領域全新革命，人們在慢慢接近更為真實的觀看體驗。通過分析歷史上3D放映技術的演變歷程，總結目前主流3D放映系統的特點，可以看出未來的3D放映技術是多元化的，可以應用在更多領域。3D放映技術緣于科技創新的無窮魅力，可以想象未來我們的生活與3D放映技術息息相關。3D放映技術是產品設計、市場管理等各個方面的新課題。3D放映技術的成熟不僅可以帶動產品價值提升，也會為我國電影國際化和文化產業振興奠定了基礎。我國的3D革命才剛剛起步，更多全新的3D體驗讓我們拭目以待。

[1]趙新軍.技術創新理論（TRIZ）及應用[M].化學工業出版社，2004.5

[2]高五峰.數字3D 立體電影的技術與發展[J].當代電影，2012.8

[3]光回收技術：雷歐尼斯引領3D放映技術新變革[J].現代電影技術2013.6

[4]方捷新，劉達，王富強.全球數字影院新技術發展與應用[J].Advanced Television Engineering，2012.12

[5]田長樂.3D 電影及其發展展望[J].當代電影，2011.4

[6]張雅麗.數字3D 立體電影技術之深度分析[N]，現代電影技術，2010.5

[7]高五峰，李樞平.迅速發展的數字3D電影技術及相關設備[J].現代電影技術，2008.6

[8]馬之恒. 3D 電影的歷史溯源[J].北京科技報，2011.11

[9]張敏，徐江華，楊明朗.TRIZ中的理想化對產品的創新設計研究[J].包裝工程，2006.3

[10]中關村在線http://www.zol.com.cn/

[11]圖片來源：http://image.baidu.com/