3D电视的原理与技术

3D电视原理与技术

一．立体电视的发展

1.3D成像技术的发展

随着科技的发展，人民生活水准的提高，3D电视的普及必将是一个不可阻挡的历史趋势。正如时代华纳公司的副总裁艾尔沃斯所言，3D将是下一个电视圈盛事。3D电视节目以更加多元化、更具真实感的内容必将吸引更多的观众。

拍下最早3D照片的立体镜

最早的3D电影

3D影像原理，最早是1839年由英国科学家温特斯顿发现的。人的两眼间距约5公分，看任何物体时，两只眼睛的角度不尽相同，即存在两个视角。要证明这点很简单，请举起右手，做“阿弥陀佛”姿势，将拇指紧贴鼻尖，其余四指抵住眉心。闭上左眼，只见手背不见手心；而闭上右眼则恰恰相反。这种细微的角度差别经由视网膜传至大脑里，就能区分出景物的前后远近，进而产生强烈的立体感。这就是3D的秘密———“偏光原理”。并于1922年，世界上第一部3D电影《爱情的力量》诞生了，遗憾的是，影片很早之前就已经遗失了。

MJ主演的3D影片

3D巨作《阿凡达》

80年代中期，IMAX开始制作首部3D纪实片。1986年，迪士尼主题公园和环球影城上映了迈克尔杰克逊的3D影片。2008年，日本有线BS 11频道开始播送3D节目，3D高清电视业务进入实用化。2009年耗资5亿美元的电影巨作《阿凡达》同时以2D、3D、3D IMAX等多种版本在全球公映。2010年，天空传媒开办3D电视频道。2010年，ESPN开设3D体育频道，一年内进行85项赛事的3D转播。2010年6月，南非世界杯称为史上首次进行3D转播的世界杯比赛。2012年1月，由央视牵头，联合多家电视台开办的国内首个3D电视试验频道正式开始播出节目。

国内首个3D频道

3D成像技术发展史

从1890年第一份3D电影的专利的出现，到现在的上百年间里，3D技术逐渐发展壮大，已经受到越来越多人的欢迎。索尼公司预计，2014年所生产的一般的电视都将会支持3D模式。2010年，3D电视浪潮开始席卷全球。从最初的3D 科幻电影《阿凡达》引爆，到年初的美国电子展，各大彩电厂家竞相亮相3D电视，再到年中的世界杯和近期的3D亚运营销，彩电厂家们各显神通上演3D电视的大战，可以把2010年定义为“3D电视元年”。

2.立体电视的分类

用全真立体电视技术制作的节目具有很强的景深立体效果，画面中景物富有层次与空间感，画面透明、细腻，画质优良。在传送立体电视节目时，必须采取频带压缩或码率压缩等方法才能通过普通电视频道传送立体电视节目。目前的立体电视按其原理可分为如下三类。

（1）视差制式立体电视

视差制式立体电视的摄制由立体摄像机完成，立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来代替人的两只眼睛摄取图像，两个图像信号需用2个通路传送到显像端。两个镜头之间的距离及其光轴之间的夹角和距离必须模仿人的两个眼球动作，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以保证拍摄的两个图像的视差与人眼直接观看的视差相同。

立体电视节目可以利用现有的电视设备（录像机，电视机）播放。能与普通电视互换，可兼容HDTV立体电视。在观看节目时，需要一幅立体液晶转换屏与一副检偏眼镜配合完成。转换屏放在电视机荧屏前部，由电视机内场同步扫描信号控制，将普通电视机显示的重叠立体图像分离。通过检偏眼镜就可看到清晰的立体图像。但这种方式并非主流。

（2）时差式立体电视

1982年，美国南卡罗莱纳大学最先提出时差立体电视概念。根据闭上一只眼睛也能获得立体感的特性，将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，从而使人获得立体感觉。

时差制式立体电视在发送端也是利用两部摄像机获得一对视差图像信号，用一条信道以适当速率顺序交替传送。在接收端使这一对视差信号所形成的两幅图像，按发送端传送的顺序，先后轮流地出现在屏幕上，人眼就能看到立体彩色图像。

与视差式立体电视不同，时差式立体电视在接收端不需要附加任何装置，用普通彩色电视机就可以看到立体彩色图像。为了实现时差制式立体电视，只需要在前端系统进行必要的改造和添置设备。

（3）全息制式立体电视

全息制式立体电视以全息影像技术为基础，利用电视技术摄取，传送和显示全息图来重现空间三维立体像。它可以让一幅静止画面以立体方式呈现，观看者可以从各个角度看立体电视，甚至围成一个圈看电视。

全息成像技术正在成为立体电视的发展趋势，开篇提及的那一幕就是依托全息立体电视技术实现的。随着科技的发展，全息立体技术将颠覆传统观念，人类将进行一场视觉革命。

3.制约立体电视发展的因素

就目前的立体电视系统而言,与人们理想的立体电视模式有着一定的距离,并不是真正意义上的3D电视,主要存在两个问题:1)当获取立体图像时,左摄像机和右摄像机是固定在空间的,因此,左视和右视只能从一个特定的视角来描述三维场景,如果不是从这一特定的角度来观察立体图像对,就会导致场景的不自然表达。当观看者头部移动时,应根据视角改变而生成相应的视点场景。当观看者头部移动时,应产生相应的显示图像,这个效果叫做运动视差(motion parallax),这种系统通常需要一个头部位置跟踪器来决定视角位置。2)由于两摄像机基线距离是固定的

(约64 mm),这意味着获取的立体图像仅适合于具有相似瞳孔距离的人。显然固定的摄像机基线距离不能保证适合每一位观察者的视觉特性,而观察中的不适感往往由此产生。理想的情况是每个观看者能够根据需要调节立体感。

一.研究结果显示，观众在观看立体影像时，由于眼睛会迅速地来回移动，因而容易造成眼睛疲劳。二.3D电视一般还需要匹配3D影视碟片、3D碟机和立体眼镜，才能组建成一个家庭3D影视系统。如果把这些全加起来，成本投入势必更大，普通家庭难以承受。三.3D片源问题是制约3D电视发展的重要因素，未来两三年内3D电视还难以普及。

二．立体电视成像原理

1.立体视觉原理

人类从各种各样的线索中获取三维信息，其中最重要的两种是双目视差和运动视差。双目视差始于CharlesWheatstone1838年的研究工作，指的是双眼看到同一物体的不同映像;运动视差始于Helmholtz1866年的研究工作，指的是头部运动时看到同一物体的不同映像。1833年，wheatstone用世界上第一台三维显示装置科学地验证了视差和立体感之间的联系。从此，研究者们就不断地致力于开发新的立体图像技术。所谓的“视差创造立体”的原理，是指人的两只眼睛从不同的角度观看世界，即左眼看到的物体与右眼看到的同一物体之间有细微的差别，

两者平均相差约65mm，因而描述场景轮廓的方式也不尽相同。大脑根据这两个有细微差别的场景进行综合处理，产生精确的三维物体，以及该物体在场景中的定位，这就是具有深度的立体感。立体成像系统的工作就是对每个场景至少产生两张图像，一张代表左眼所看到的，另一张代表右眼所看到的，这两张图像称为立体图像对，而立体显示系统必须使左眼只能看到左图像，右眼只能看到右图像。

2.立体图像的获取

使用立体摄像机对，分别拍摄独立的左、右视图以模拟人类双眼感知立体图像的方式。立体摄像机对包括平行配置和会聚配置两种结构。

当平行配置立体摄像机对时:两部摄像机模拟人的双眼，在水平方向分隔一定的距离，这两部摄像机的变焦、会聚、及视频记录都严格地同步，并对所获取的两路视频信号以某种方式进行记录。

当会聚配置立体摄像机对时:两部摄像机的摄像机光轴相交于一个会聚点。如图所示，一个现实世界点(X，Y，Z)在摄像机感应器上的投影要比平行配置复杂些。当这对摄像机都处于一个平面上，且两个摄像机光轴都不平行于Z轴，则这种情况下仅有水平视差存在。若两个摄像机既不平行于Z轴，又不处于同一水平平面，则两个摄像机获得的图像既有水平视差，又有垂直视差。其可通过将相同w点在左、右摄像机平面中映射的x，y坐标，分别相减求得。

一个摄像机对可获得一个立体图像对，其产生双视点的立体图像。如果将多个摄像机对在同一平面内线性排列，则可产生同处一个平面的多个视点。如果将多个摄像机在空间内以某种特定阵列方式排列，则可产生空间上的多视点。其中，线性排列的摄像机拍摄的多幅不同视点的图像仅携带水平视差信息，区域排列的摄像机拍摄的多幅不同视点的图像同时携带水平和垂直视差信息。阵列中的摄像机特性完全相同，以相等的距离，按照特定的形式排列，使得摄像机的光轴相互平行或者会聚在一个公共点。

3.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。

目前高清摄像机技术已经成熟，所以立体电视摄像可直接利用高清技术。如今年足球世界杯采用SONY高清多格式便携式3D摄像机HDC-1500便是证明。

目前日本SONY与松下等公司相继推出专业级立体电视摄像机，为立体电视

前期拍摄提供保证。松下的全整合型高清3D摄录一体机AG-3DA1MC使用了双镜头、双感光元件、汇聚点调整、双记录单元等新技术，其中的两个镜头,机头和半导体录像机都是安装在一个紧凑的机身里面的。不同于大型3D摄像机系统，这个摄录一体机允许视频拍摄可以从多种角度以更大的幅度来移动；大大的减少了调整和设置的时间,因此可以使用更多的可能性和时间来创作拍摄动作。配以BT-3DL2550MC 3D监视器，由于支架式3D摄像机在现场有众多的调整步骤，并且调整结果需要非常精确，所以该款监视器的图像调整功能可以对支架的偏差进行监看和修正，对于现场拍摄有很大的指导作用。利用AG-HMX100MC 3D

数字视音频切换台，可以将两路SDI合并为双链路SDI，以完成对3D节目的制作。

SONY推出单镜头3D数字摄像机，能够以240fps记录自然平滑的3D影像。该项技术结合了为单镜头3D摄影新开发的可同时捕捉左侧和右侧图像的光学系统，以及现有的高帧率记录技术来实现240fps 3D摄影。单镜头系统的引入解决了可能导致双眼光学特征差异的任何问题。并且，通过使用反射镜替代快门，入射光线可以同时被分离进入左侧和右侧的影像，并在到达中继镜头的平行光区域（在此区域目标物体焦点处发出的分离光线变成平行光线）时被记录下来。分离的左侧和右侧影像随后被左右影像传感器分别处理和记录。由于左右的影像被捕捉时没有时间差异，记录自然平滑的3D影像成为可能，甚至是快速运动的场景。

4.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。

SONY立体电视后期制作设备为多画面处理系统MPE-200，它的作用就是利用Cell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。

5.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。

被动式立体电视主要是指采用偏振光原理收看立体电视的方式。立体电视信号采用双路分别传输左右眼视图,两路信号并行传输,可以通过高质量的MPEG-4或H.264标准进行压缩,以减少传输过程中的比特率。这种传输方式除了要考虑编码压缩方式外,更重要的是播放图像格式的选择。立体数据通过各种不同的方式组织起来显示在具有相匹配的微偏振技术的显示器上,观看者佩戴偏振眼镜观看,完全有效地将自然空间分辨率一分为二,以达到立体收看的效果。

这种传输方式将左右两路图像信息在屏幕上隔行交叉排列,奇数行显示一只眼睛要看到的视频（也就是传输的左路视频）,偶数行则显示另一只眼睛要看到的视频（也就是传输的右路视频）,以这种方式将垂直分辨率一分为二。再通过偏光眼镜进行观看,左眼看到左路视频图像,右眼看到右路视频图像,。

三．3D显示技术

1.眼镜式3D技术

1）.色差式3D技术

色差式3D技术，配合使用的是被动式红蓝（或红绿、红青）滤色3眼镜。先由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片产生两幅图像。然后由眼镜左右分别过滤相应的光谱画面，经人眼接收后在大脑合成正常颜色的影像。

2）.偏光式3D技术

偏光式3D技术也叫偏振式3D技术，配合使用的是被动式偏光眼镜。偏光式3D立体成像技术是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，通过在显示屏幕上加放偏光板，可以向观看者输送两幅偏振方向不同的两幅画面，当画面经过偏振眼睛时，由于偏光式眼睛的每只镜片只能接受一个偏振方向的画面，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。

3）.主动式3D技术

主动快门式3D，配合主动快门3D眼镜使用。这种技术主要是通过进步画面的刷新率把两组画面持续交织显示出来，同时红外信号发射器将同步把持快门式3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在准确的时刻看到相应画面。这项技巧能够坚持画面的原始辨别率，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下降。一般情形下，3D液晶屏幕刷新频率必需到达120Hz 以上，也就是让左、右眼均接受到频率在60Hz以上的图像，才能保证用户看到持续而不闪耀的3D图像后果。

如今3D电视之中主要分为两大阵营：一个是偏光式3D阵营，一个是主动快门式3D阵营，两大阵营分别以其独有的优势占据属于自己的市场。两种3D电视的技术都有很大的进一步发展空间，比如偏光式3D液晶电视在画面上没有明显的闪烁，但是垂直可视角度不太理想，当观看视角高于电视屏幕时，就无法观看到3D影像。对于主动快门式3D电视，它可以保证画面较好的清晰度和立体感，但是3D眼镜的佩戴舒适度相对要差一下，价格也比较贵，同类3D电视之间的兼容性较差；在头部进行偏转时，画面的亮度会明显降低。

偏光式3D电视在短短一年内成为市场的主流，这主要得益于不闪式3D技术的绝对优势。第一点，偏光式3D技术没有闪烁现象。第二点，就是没有重影现象。第三点，偏光式3D技术成像的亮度非常高。第五点，不闪式3D眼镜完全不需要电力驱动。第六点，是关于刷新率，不闪式IPS硬屏3D面板刷新率达到了240Hz。

2.裸眼式3D技术

为摆脱了眼镜的束缚，消费者期待用裸眼观看到逼真的3D图像，于是裸眼式

3D技术诞生了，当我们用裸眼观看普通屏幕播放的3D图像时，由于没有了眼镜的“开关”作用，此时我们的左眼和右眼都会对整个屏幕图像“一目了然”，没有了左眼和右眼图像信息的差别，自然重新回到了2D图像，那么在裸眼状态下重新看到3D图像？显然只能是通过改变屏幕的结构来实现，改变屏幕结构的目的自然是让左眼只能看到左眼图像，让右眼只能看到右眼图像，于是在面板的设计上就需要附加可以实现对屏幕图像进行“方向性”视觉阻挡的介质，让左眼和右眼分别看到各自应该看到的相对应的可视画面，从而形成3D立体图像的视觉效果。

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，光屏障式3D技术的实现方法是在背光模组与LCD面板间的安置了“视差障壁”，“视差障壁”相当于一个新加的“开关”液晶层，采用了大家熟知的偏振膜和高分子液晶层控制光线透过与阻断的原理，形成了一系列垂直排列的栅状的条纹，这些条纹宽几十微米，用于在显示3D图像时来阻断光线（在显示2D图像时透光），而条纹的间隙可以透过光线；在3D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。但采用此种技术的产品影像分辨率和亮度会下降。

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，3D技术显示效果更好，但相关制造与现有LED液晶工艺不兼容，需要投资新的设备和生产线。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用以分别显示左眼图像和右眼图像的左眼图像子像素和右眼图像子像素，由于左右眼的视角不同，即使通过同一条透镜却能看到不同的子像素，这样柱透透镜就能将左眼图像子像素和和右眼图像子像素的光以不同的方向分别折射到汇聚到左眼和右眼，于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的图像，从而在大脑形成3D图像。

3）.方向性背光3D技术

方向性背光3D技术（也称指向背光或指向光源3D技术）搭配左、右两组LED

背光源，因左、右两组LED背光源在分别显示左、右眼图像时交替点亮，从而控制了背光的方向性改变，故名“方向性背光”，不仅如此，还在背光模组的导光板与液晶面板之间设计了3D透光膜，3D透光膜呈锯齿状设计，因此在左组、右组LED背光源照亮时入射光线的角度不同，使得在显示左眼图像时，点亮的左组LED背光源通过导光板全反射后透过3D透光膜后产生折射后将图像正好聚焦在左眼，而右眼看不到；同样的，在显示右眼图像时，点亮的右组LED背光源通过导光板反射后透过3D透光膜后产生折射后将图像正好聚焦在右眼，而左眼看不到，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，加上人眼的视觉暂留效应，让左右眼内容以交替方式进入观看者的左右眼而产生视差，进而让人眼感受到

3D立体效果。其原理等同于我们双眼平时观看外部真实世界时的情形，面板的像素得到全面利用，因此该技术在分辨率、透光率方面能保证，不会影响既有的设计结构，3D显示效果出色，但产品还不成熟，处于研发阶段。

2009年4月，美国一家公司宣布研发出改进后的裸眼3D技术——MLD（多层显示），这种技术能够通过一定间隔重叠的两块液晶面板，实现在不使用专用眼镜的情况下，观看文字及图画时所呈现3D影像的效果。与以往采用柱状透镜技术的裸眼3D显示器相比，MLD技术具有以下几个优点：一、观看3D影像时，用户不会产生眩晕作用；二、3D显示时，屏幕的分辨率不会降低；三、可组合显示文字等二维影像和3D影像；四、对观看3D影像的视野及角度没有太大的限制。

四．立体电视的现状

1.3D领域各企业动态

1）.三星

三星电子身为3D电视行业中的引领者，在2011CES上展示了包括3D液晶电视、蓝光播放器在内的多款3D电子产品。而作为全球最薄的蓝光播放器，三星BD-D7500 3D蓝光播放器厚度只有2.2cm,具有三星独创的2D转3D功能。2）.TCL

TCL全球首台使用3D UI的量产超级智能互联网电视V8200系列拥有3D UI、超级智能单芯片、Windows/Android+操作系统、电视应用程序商店、逐行3D、云计算及声控、智能手势和姿态识别与控制等多项创新性的人机交互技术和应用。该电视荣膺“2011CES全球年度品质平板电视”和“2011CES年度最佳全能3D电视”双项大奖。

3）.松下

2011年日本电子高新技术博览会上，松下在展会上展出了一款152英寸，

4K*2K解析度，拥有3D播放功能的等离子电视，也是目前市场上最大的一款平板电视，采用的为主动快门式3D技术，需要搭配快门式3D眼镜进行观看。4）.LG

2011德国柏林国际消费类电子展上，LG电子发布了最新款同屏双显3D电视，可以给游戏玩家们同时提供两种不同的游戏画面，从而避免了游戏玩家在进行对战时的画面分屏。这款3D电视机采用了Dual Play技术，因此这款电视的规格也有两种：右边画面的规格和左边画面的规格。该技术原理是：借助高刷新率只显示特定画面。

5）.东芝

东芝在2011IFA展出了一款55英寸大屏幕裸眼3D电视，该产品配备了分辨率高达3840×2160的液晶面板，解析度可达行内标准的4倍以上，该产品是目前全球首款超高清裸眼3D电视。

该机已于2011年十二月在欧洲逐步发行。除了支持面板可显示4K2K 4K分辨率的视频，静止图像的一个像素对应4K JPEG和图像，可直接显示在高清晰度