立体显示技术简介

立体显示技术简介

陈 曦

（四川长虹电器股份有限公司多媒体产业公司四川绵阳 621000）

【 摘 要 】 传统显示技术只显示二维平面的信息，而立体显示技术显示的是物体的深度信息，它利用人眼的立体视觉特性来复现立体图像。本文将对立体显示技术的发展历程、显示原理、常见立体显示技术以及长虹立体显示产品开发历程进行初步的介绍。

【 关键词 】立体显示、光栅法、分时法、分光法

一、引子

随着显示技术的飞速发展，电视机产品正在进行更新换代，以LCD、PDP为代表的新一代高清数字平板显示设备迅速崛起并快速取代了传统的CRT显示设备。这些新的显示技术的应用推广，虽然让电视画面的清晰度和主观效果得到了大幅度的提高，但显示技术仍停留在二维平面显示阶段。

随着3D标准的制定、HDMI1.4版本的发布以及蓝光碟机对3D的支持，3D产业链正在形成。现代显示技术在继数字化、高清化之后，正开始迎来立体化的新一轮升级大发展。美国、日本、韩国等国家或地区纷纷开播3D电视，尤其是2010CES消费电子展上各厂家纷纷推出3D显示设备，以及电影《阿凡达》的上映，在全球迅速掀起3D热潮，包括长虹在内的各大电视厂家纷纷研发出3D电视并上市销售。本文将对立体显示技术的显示原理、常见立体显示技术以及长虹立体显示产品开发历程进行初步的介绍。

二、立体显示原理

研究人员发现，无论用两只眼睛还是只用一只眼睛观察物体均可以获得立体感觉。总的说来，立体视觉的形成因素包括双眼视觉差异、透视感觉、画面细腻程度的差异、光照造成的阴影深浅变化、物体运动导致其大小及角度的变化等。其中双眼视觉差异是获取立体感觉的主要因素，这是由于人的两只眼睛之间存在约65毫米左右的距离，因此在观察物体时，两只眼睛所获取的图像信息会存在一定的细微差异。正是基于双眼视觉差异产生立体感觉的原理，研究者们绞尽脑汁，设计出了多种不同的方法来重现立体图像。

三、常见立体显示技术

常见的立体显示技术主要有分色法、分光法、分时法、分屏法、光栅法以及全息法等。其中分色法、分光法、分时法、分屏法等均需要佩戴专用的眼镜，而光栅法、全息法属于自由立体显示技术，适用于裸眼观看。

通常在发送端用两台或多台摄像机，从不同方位模拟双眼进行摄像，得到具有视觉差异的图像信号，再通过一定的处理方法融合一路信号传送，电视机接收到上述信号后解码还原成分别供两眼观看的图

像，在屏幕上利用不同的立体显示方法同时或分时轮流显示这些分别供两眼观看的图像，从而在人的大脑中获得立体感觉。

目前也出现了伪3D技术，即电视机在得到普通的二维图像信号后，通过一定的算法，从二维画面的亮度、色彩、物体尺寸、运动等方面分析，得出图像的深度信息，然后利用该深度信息虚拟产生一对具有一定视差的信号。伪3D技术虽然能在二维图像的基础上获得一定的立体感，但这种立体感觉常常不太真实，在某些场景下还会出现层次错乱的问题。

1、分色法

分色法是将供两眼观看的两幅图像用互补的两种颜色在显示屏幕上进行显示，一般采用红色和青色这一对互补色，即给左眼的图像通过红色滤光片滤除其它颜色而只留下红色，送给右眼的图像通过青色（红色的补色）滤光片滤除青色以外的颜色而只保留青色。观看者配戴相对应的红青眼镜，使左、右眼分别看见红色和青色图像，由于这两幅图像存在视差，因此经过大脑复合后就能获得立体感觉。

这种方法技术成熟，成本低廉，不受观看位置的限制，但却存在较多的致命缺点：使用时必须配戴专用的眼镜，不大方便；滤色眼镜的镜片颜色深度要合适，如太浅则会导致滤色不彻底，产生重影，影响3D效果，太深又会带来亮度和颜色信息损失问题；此外，由于两眼接收到的颜色信息严重失衡，长时间使用会影响视力。由于存在上述诸多缺陷，该方法已被摒弃。

2、分时法

下图是分时法的原理示意图：

分时法是在显示屏上依次轮流显示分别供左右眼观看的图像，同时观看者配戴专用液晶快门开关眼镜，该眼镜必须与屏幕当前显示图像同步进行开关动作，即当屏幕显示左眼图像时，打开眼镜左眼的液晶让其透光，而让右眼的眼镜不透光；当屏幕显示右眼图像时，打开眼镜右眼的液晶让其透光，而让左眼的眼镜不透光。通过这种方法保证左右眼只能看见各自所需的图像。为了保证图像的连贯性，屏幕刷新率要设置得较高。目前市场上销售的绝大部分3D电视均采用分时法的工作原理。

由于这种技术中所使用的液晶快门开关眼镜存在透光率的问题，因此存在亮度损失。此外由于人眼视觉暂留特性的存在，以及液晶快门开关眼镜的响应时间和透光的问题，因此重影问题无法完全消除。当图像和液晶开关眼镜的刷新率较低时，会存在闪烁感，尤其当环境亮度较高的情况下，对视力造成损害会更大。另外，液晶快门眼镜成本非常高也是其一大劣势。该方法在以韩国三星为代表的韩、日企业中得到大量应用，是当下3D电视市场的主流技术。

3、分光法

分光法原理示意图如下：

由于光波振动具有方向性，因此将显示屏上显示出来供两眼观看的图像分别通过正交的两个偏光膜，以滤除其它振动方向的光波后再传送给观众，同时观看者戴上一副具有与屏幕偏光膜相对应的偏光眼镜，以便两眼看到一对具有视差的图像从而实现立体感觉。如上图中显示屏设计成奇数行专门显示供右眼观看的图像，偶数行专门显示供左眼观看的图像，那么就可以在奇数行前贴上只能透过45°方向

偏振光的偏光膜，而在显示屏偶数行前贴上只能透过135°方向偏振光的偏光膜。此时观看者带上左眼只能透过135°方向偏振光、右眼只能透过45°方向偏振光的专用偏光眼镜，就可以保证左右眼看到不同的图像，进而获得立体感觉。

分光法立体显示技术对偏光膜与显示屏像素之间相对位置的精度要求很高，但对应的偏光眼镜成本低廉。该方法对眼睛没有伤害，立体感觉较好，但由于偏光片阻挡了特定角度偏振光以外的光线，因此存在亮度损失，而且如果观众歪着头观看，则可能会进一步降低亮度，同时影响立体感觉。该方法在以AUO为代表的我国台湾、韩国企业中得到应用，目前被广泛认为是有望取代分时法的立体显示技术。

4、分屏法

分屏法采用两块显示屏分别显示左眼和右眼观看的图像，为了保证两眼分别只能观看到对应屏幕上的图像，因此该屏幕通常做得很小，且尽量靠近眼睛，即作出头盔显示器的形式。其技术非常成熟，立体效果良好，但其只适合单人使用，且价格不菲，因此被广泛用于军事训练、虚拟游戏等方面。

5、光栅法

光栅立体显示技术依据屏幕像素排列

情况将屏幕像素设计成一定方向上的显示

区域，各区域分别显示左眼和右眼的画面，

如将显示屏奇像素点设计为显示左眼图

像，而偶像素点显示右眼图像，就可以在

显示屏幕前增加一个起视觉遮挡作用的狭

缝光栅，借助其遮挡作用，使左眼看到的

屏幕像素右眼看不到，而右眼看到的屏幕

像素左眼也看不到，从而保证两眼获取各

自所需的图像，进而产生立体感觉。该光

栅必须与屏的像素排列严格匹配，才能够

获得立体感觉。常见的光栅法一般有狭缝

光栅和柱状光栅两种。

光栅立体显示技术是可供裸眼观看的

自由立体显示技术，因此被广泛投入商业应用，在机场、车站、展厅、博物馆等地常常能看到它的身影。当光栅尺寸及其与屏幕像素之间的距离确定后，最佳的观看位置便已经确定，只有在特定的某些固定位置才能正常获取立体感觉。此外，采用该技术后，每只眼睛最多只能看到屏幕一半的像素，因此图像亮度和分辨率均会损失掉至少一半。

6、全息法

全息技术是伦敦大学帝国理工学院的Dennis Gabor博士发明的，它利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像。通过全息法，观看者可以前后、左右或者上下移动，从各个角度来裸眼观看图像的不同细节，就好像有个真实的物体在那里一样。这是一种比较理想的立体显示技术，目前尚处于初级研究阶段。

四、长虹3D电视开发历程

1、第一代立体显示产品

基于双眼视差产生立体感觉的原理，2007年长虹液晶电视技术研究所利用狭缝光栅法开发了可供裸眼观看的46寸自由立体液晶显示器。

该机以LT4619P为开发平台，通过在整机面框前增加一层特制狭缝光栅面板（光栅分割必须与屏像素点相对应，尺寸精度要求较高）。采用专用外置播放器，该播放器内的3D视频源按照屏幕各像素需显示的左右眼内容进行排列编码，通过DVI通道以屏幕物理分辨率送整机显示。整机接收到来自视频播放器的图像信号后，对图像进行除缩放以外的其它例行处理后上屏显示。

该产品实现了裸眼立体显示，并多次在公司新品发布会上作形象展示。由于受到当时液晶屏和立体技术的限制，该产品采用1366×768分辨率的液晶屏进行开发，再加上光栅法原理的限制，导致整机画

面颗粒感很强烈，图像不够细腻。

2、第二代立体显示产品

2010CES消费电子展上电视产业各厂家纷纷推出采用分时法技术的3D显示设备，此后电影《阿凡达》上映，在全球迅速更是掀起3D热潮。鉴于分时法技术的成熟，2010年初开始，长虹液晶电视技术研究所以iTV55830DE的结构、机芯为平台开发了分时立体电视机3D55830QE，并于2010年4月上市。

考虑到液晶存在较长的响应时间、以及液晶屏图像扫描原理等因素，因此采用240Hz扫描处理与背光控制相结合的方式，比较容易在实现高质量立体感觉的同时，保证图像亮度。具体工作方式为如下。

来自外部采用Top-bottom、Side-by-side、Pixel-interleaved、Line-interleaved等格式的3D 视频信号送入整机（为保证图像质量，建议通过数字通道以与屏幕物理分辨率一致的格式传输3D音视频流），整机从每一帧图像中取出分别提供给左眼、右眼观看的图像内容，对其进行格式变换，得到与屏幕物理分辨率一致的满屏图像，再进行其它画质处理，即可得到分别供双眼观看的两个独立帧图像。下图是以Side-by-side/half格式图像为例说明图像提取、变换、处理过程的示意图。

机芯板然后按照240Hz的刷新率将所得到的两帧图像依次按照L、L、R、R、L、L、R、R……的顺序传送到液晶屏逐帧扫描显示，下图“屏幕显示”部分模拟了液晶屏的扫描显示过程。背光灯按照屏幕刷新率二分之一即120Hz的频率依次进行开、关、开、关……动作。为了保证观看者能得到正确的图像，整机通过红外光的方式将屏幕当前显示左眼图像或者右眼图像的信息传输给液晶快门开关眼镜，开关眼镜根据接收到的同步信息控制左右眼镜镜片交替进行开关动作。工作时序示意图如下：

屏幕扫描显示、背光灯以及液晶快门开关眼镜必须严格按照一定的时序协调工作，才能获得良好的立体效果，否则会损失图像亮度、加重重影感觉。

上述所谓Top-bottom格式是指来自信号源的每一帧有效显示图像中，上半部分供左眼观看，下半部分供右眼观看；Side-by-side格式是指来自信号源的每一帧有效显示图像中，左半部分供左眼观看，右半部分供右眼观看；Pixel-interleaved格式是指来自信号源的每一帧有效显示图像中，奇像素部分供左眼观看，偶像素部分供右眼观看；Line-interleaved格式是指来自信号源的每一帧有效显示图像中，奇数行部分供左眼观看，偶数行部分供右眼观看。

同期等离子电视技术研究所也利用分时法开发等离子立体显示产品。由于均采用分时立体显示技术，因此工作原理与3D55830QE一致。

3、后续开发工作展望

省略……

五、结束语

立体显示是一项比较复杂的技术，经过多年的发展，虽然已经能够达到比较良好的显示效果，但距离理想中的高清晰度自由立体显示要求还有一定的距离，且其成本较高，各电视台也还处于技术准备阶段，因此立体电视时代的到来尚需时日。但是我们相信，随着业内众多技术人员对立体显示技术的不断深入研究，真正意义上的高质量立体电视在不久的将来一定能够实现。