偏振/裸眼/全息！主流3D视觉技术揭秘

    泡泡网显卡频道8月21日 短短几年时间，3D电影已经从凤毛麟角变的大量普及，现在几乎所有大大小小的电影院都支持3D播放，最近的科幻动作大片《环太平洋》更是再创了3D视觉的高峰。3D电影成了最受欢迎的大众娱乐项目之一，但喜欢3D电影的你知道其中的原理吗？

    本文将逐一介绍3D放映技术，裸眼3D和全息成像这些让人兴奋不已的科技，而要解释3D如何成像，还得从眼睛说起……。

    除了神话中的独眼巨人，自然界中的动物至少都有两只眼睛，就连怪兽或者机器人也不例外，这是为什么呢？

● 世界因双眼而立体：平面图像无法跃然纸上

    早在1839年，英国著名的科学家温特斯顿就在思考一个问题——“人类观察到的世界为什么是立体的？”进过一系列研究发现：因为人长着两只眼睛。人双眼大约相隔6.5厘米，观察物体(如一排重叠的保龄球瓶)时，两只眼睛从不同的位置和角度注视着物体，左眼看到左侧，右眼看到右侧。这排球瓶同时在视网膜上成像，而我们的大脑可以通过对比这两副不同的“影像”自动区分出物体的距离远近，从而产生强烈的立体感。引起这种立体感觉的效应叫做“视觉位移”。用两只眼睛同时观察一个物体时物体上每一点对两只眼睛都有一个张角。物体离双眼越近，其上每一点对双眼的张角越大，视差位移也越大。

　　正是这种视差位移，使我们能区别物体的远近，并获得有深度的立体感。对于远离我们的物体，两眼的视线几乎是平行的，视差位移接近于零，所以我们很难判断这个物体的距离，更不会对它产生立体感觉了，夜望星空你会感觉到天上所有的星星似乎都在同一球面上，分不清远近，这就是视差位移为零造成的结果。

　　当然，只有一只眼的话，也就无所谓视差位移了，其结果也是无法产生立体感。例如，闭上一只眼睛去做穿针引线的细活，往往看上去好像线已经穿过针孔了，其实是从边上过去的，并没有穿进去。而现在我们所看到的图片、电影、玩的游戏都是平面景物，虽然图像效果非常逼真，但由于双眼看到的图像完全相同，自然就没有立体感可言。

    如果要从一幅平面的图像中获得立体感，那么这幅平面的图像中就必须包含具有一定视差的两幅图像的信息，再通过适当的方法和工具分别传送到我们的左右眼睛。

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    既然通过双眼观察世界才能获得立体感，那么想要获得立体的图像也需要两台照相机或摄像机，由此就诞生了“虚拟立体显示”技术，最早引入该技术的是立体电影。立体电影从拍摄开始，就模拟人眼观察景物的方法，用两台并列安置的摄影机，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面，这样影片所包含的信息就与人的双眼亲临拍摄现场所看到的画面毫无二致了。

    不过，想要把立体图像显示给人眼看可不容易，如何才能做到左眼只看左摄像头的图像、右眼只看右摄像头的图像呢？这就涉及到另一个专门的课题，立体影像放映，而这才是3D视觉播放的重点！

● 揭秘3D技术：主流立体影像放映探索

    虽然统称3D放映，但目前主流的实现方法分三个流派，分别是“光分法”、“色分法”和“时分法”，它们都能实现3D效果，但实现原理却大相径庭。   

    光分法是利用偏光片（通过如百叶窗般排列的矽晶体涂料薄膜（偏光膜））来过滤原本朝向不同方向震动的光线，偏光片会挡住与偏光膜方向垂直的光线，只让与偏光膜方向相同的光线通过从而产生视差。

偏振光的产生

偏振光原理

左旋和右旋偏振光波示意图

    圆偏振光偏振方向是有规律的旋转着的，它可分为左旋偏振光和右旋偏振光，它们相互间的干扰非常小，它的通光特性和阻光特性基本不受旋转角度的影像。现在看偏振形式的3D电影时，观众佩戴的偏振眼镜片一个是左旋偏振片，另一个是右旋偏振片，也就是说观众的左右眼分别看到的是左旋偏振光和右旋偏振光带来的不同画面，通过人的视觉系统产生立体感。Real-D和Masterimage的3D放映辅助系统主要采用的就是这种技术。

偏振光3D放映原理

    光分法虽然有一些源于眼镜的光线损失，但色彩更接近其原始值。鉴于眼镜的透镜本身几乎没有任何颜色，对用于偏振光系统的节目内容进行色彩纠正也更为容易。尤其是肤色，在一个偏振光系统中，看上去更为真实可信。缺点是放映设备比较贵，必须用含银幕。

    电影院放映采用的是偏振法，通过两个放映机，把两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重影模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。

    色分法俗称红蓝3D，它的两个镜片颜色不同，利用有色光线只能穿透对应颜色镜片的原理，让左右两只眼睛看到不同的影像，经过大脑合成得到立体效果。

    它的优点很多，比如放映设备和眼镜的都最为廉价，但缺点也比较明显，那就是色彩还原较差。

    时分发俗称液晶快门式，它是通过120Hz的放映设备将左右两眼的图像分别显示，然后通过和放映设备同步的快门式液晶眼镜遮住其中一只眼睛，达到左右眼看到图像不同的目的。

    它的优点是放映设备便宜，缺点是眼镜较贵、而且构造复杂所以佩戴舒适感最差，并且影片亮度降低50%以上。

    综上所述，光分法最适合影院放映，而其他两种则比较适合小型场所，比如家用。但无论是哪种实现手段，必须佩带相应的3D眼镜才能达到3D效果，有些人并不能忍受这种限制，对于佩带近视镜的人群来说也不是很舒服，所以传说中的裸眼3D就更具魅力了。

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    从技术上来看，裸眼式3D可分为微位相差板、柱状透镜技术和指向光源三种。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚。

    微位相差板法是台湾光电研究院研究成功的一种裸眼立体显示技术。使用微位相差板改变光的偏极态来达到左、右视图的分离。微位相差板立体显示器不需要戴眼镜，但是视角很小，需和头部跟踪装置配合使用。

    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

    柱状透镜—柱状透镜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，

    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

    指向光源—对指向光源3D技术投入较大精力的主要是3M公司，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。前不久，3M公司刚刚展示了其研发成功的3D 光学膜，该产品的面试实现了无需佩戴 3D 眼镜，就可以在手机，游戏机及其他手持设备中显示真正的三维立体影像，极大地增强了基于移动设备的交流和互动。

    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

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    可能前面的技术比较贴近生活，大家或多或少都有了解，但除了这些3D放映技术以外，还有一个最为神秘，也是最富科幻色彩的技术——全息投影。这个技术在很多科幻题材的电影中大量使用，近几年随着技术的不断完善，越来越多的出现在现实生活中。

    全息投影技术同样分为三种类型：

1、空气投影和交互技术

    这是美国麻省名叫Chad Dyne的理工研究生发明的，是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。 此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。

2、激光束技术

    激光束技术是日本Science and Technology公司发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的3D图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的。

3、360度幻影成像

    360度幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物，实现影像与实物的结合。也可配加触摸屏实现与观众的互动 。可以根据要求做成四面窗口，每面最大2-4米。可做成全息幻影舞台，产品立体360度的演示；真人和虚幻人同台表演；科技馆的梦幻舞台等。

    适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品， 如名表、名车、珠宝、工业产品、也可表现人物、卡通等，给观众感觉是完全立体的。

    这种显示方式需要使用金字塔形的投射玻璃，在金字塔塔尖处放置屏幕，通过金字塔的四个平面反射出来，就让人产生了投影物悬浮在金字塔中空部分的幻象。因为四个平面分别投射了物体的四个角度的图像，加上一般刻意让物体保持旋转，所以虽然这种显示方式也为2D，但真实感甚至比真3D还强。

    除光学全息外，红外、微波和超声全息技术也在不断发展，一般的雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象，这对于智能识别物体有很大作用，因此备受人们的重视。在不久的将来，相信各种3D显示和全息技术将全方面嵌入我们的生活，而第一个在这方面取得突破的公司将和苹果一样“再一次改变一切”。

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