電影《阿凡達》火爆上映，國人親身體驗了3D顯示技術的震撼效果，身臨其境的觀看感受讓人長時間津津樂道。3D的立體視覺效果讓人們有了前所未有的“真實”的視覺體驗。實際上，繼高清之后，3D已經成為顯示設備的下一個重心

在驚嘆科技帶來的改變的同時，我們有必要了解一下3D技術的今生前世，看看那些2D圖片是如何躍出紙面的。

3D影像因何而生?

人類的雙眼是橫向并排，之間大約有 6～7 厘米的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有些微的差異，這個差異被稱為“視差”，大腦會解讀雙眼的視差并藉以判斷物體遠近與產生立體視覺。

我們就從人眼談起。人的兩眼相隔在6厘米左右，這意味著假如你看著一個物體，兩只眼睛是從左右兩個視點分別觀看的。左眼將看到物體的左側，而右眼則會看到她的中間或右側。當兩眼看到的物體在視網膜上成像時，左右兩面的印象合起來，就會得到最后的立體感覺。而這種獲得立體感的效應就是“視覺位移”。

如果在制作一部3D電影時，用兩臺攝影機模擬左右兩眼視差，分別拍攝兩條影片，然后將這兩條影片同時放映到銀幕上，放映時加入必要的技術手段，讓觀眾左眼只能看到左眼圖像，右眼只能看到右眼圖像。最后兩幅圖像經過大腦疊合后，我們就能看到具有立體縱深感的畫面。這就是我們所說的3D影像。

早在19世紀攝影技術剛剛起步時，人們就用2臺性能和參數完全相同的相機并列，模擬人的左右兩眼，同時拍下兩張有著細微差異的相片，之后再透過平行視線法、交叉視線法，或者類似雙筒望遠鏡的專屬觀看設備等，讓人的左右兩眼分別觀看2張并列拍攝的相片，以重現“視差”，藉以模擬出立體視覺。

隨著立體顯示技術在電視廣播、視頻游戲、醫療、教育等領域的應用越來越多，三維顯示已從電影銀幕向電視終端、計算機終端、智能手機終端、平板電腦終端等發展。

目前主流的三維顯示包括立體視覺、頭盔式顯示器、CAVE、裸眼立體顯示器和真三維顯示等。3D顯示技術主要分為眼鏡類3D顯示技術與裸眼類3D顯示技術兩大類型。

眼鏡類3D顯示技術

眼鏡類3D顯示技術，我們又可以細分出三種主要的類型：色差式、偏光式和主動快門式，也就是平常所說的色分法、光分法和時分法。

色分法——色差式3D顯示技術

色分式俗稱為紅藍眼鏡式，最突出的特點是觀看時所配的眼鏡有兩片不同顏色的鏡片組成，通常一片為紅色，另一片為藍色或者綠色。這種技術早在1915年就被發明并進行了商業應用，也是最早普及的一種3D顯示技術。我們若干年前在游樂場之類的場所看到3D動畫，幾乎都是采用這種技術實現的。

我們知道紅色、綠色和藍色被稱為三原色，自然界中的任何顏色都可以由這三種顏色合成，而這三種顏色本身是互斥的，沒有任何的交集。色分式3D系統正式利用了三原色互斥的特性。

內容的拍攝部分沒有任何區別，只是在后期制作、播放過程中，左圖像只保留三原色中的一種顏色，而右圖像則只保留三原色中另一種顏色。而觀眾所配戴色分眼鏡也是由這兩種顏色的鏡片組成。通過色分眼鏡對左右圖像進行分離，保證左眼看到左圖像，而右眼看到右圖像。左右兩幅圖像經過大腦的合成，最終呈現出一幀立體圖像。

色分式由于采用了互斥的三原色，因此左右兩幀圖像即使沖印到同一張底片上，在放映時也可以利用色分眼鏡進行完美的分離。正式具有這個特性，現有的顯示設備，如電視機、顯示器、投影儀等，在不進行升級的情況下就可以進行這種3D影像的顯示。同時，色分式3D系統的造價很低廉。

然而，色分式3D系統最大缺陷在于其只采用了三原色中的兩種，另一種被丟棄了。因此，在實際顯示中偏色非常嚴重，顯示效果大打折扣。正式由于這個缺陷，導致色分式3D系統趨于淘汰。

光分法——偏光式3D技術

“光分式”也被稱為“偏振式”。顧名思義，這種技術利用了偏振光的特點。

我們知道，光波是一種橫波（震動方向垂直于傳播方向），是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的震動形成的。我們通常將其電場的震動方向稱為光波的震動方向，自然光在各個方向上的震動是均勻的，因而也被稱為非偏振光。如果一束光在任意一個特定的時刻只在一個特定的方向上震動，則這束光就是偏振光。

偏振光可以通過偏振鏡獲得，偏振鏡就是一個柵欄，其具有震動方向。當一束自然光通過偏振鏡時，偏振鏡只會這束自然光中與其震動方向一致的一部分光通過，而其他不一致的部分都會被過濾掉。

而當一束偏振光經過偏振鏡時，如果這束偏振光的震動方向與偏振鏡的震動圓偏振光振動方向一致，這束偏振光則全部被允許通過；反之，如果這束偏振光的震動方向與偏振鏡的震動方向不一致，這束偏振光則全部被過濾掉。光分式系統正是利用了這一原理。

當系統進行顯示時，將左、右圖像同時顯示在屏幕上。不過左右兩幅圖像在顯示在屏幕上之前會經過不同偏振鏡的過濾，如上圖所示：左圖像用垂直方向的偏振鏡進行過濾，成為在垂直方向上震動的偏振光；而右圖像則采用水平方向的偏振鏡進行過濾，成為在水平方向上震動的偏振光。

與之相對應的是，觀眾所配戴的偏振眼鏡的左鏡片的震動方向為垂直方向，右鏡片的震動方向為水平方向。這樣就能保證做圖像最終被觀眾的左眼所看到，而右圖像被觀眾的右眼所看到，兩幅圖像經過大腦的合成最終形成一幅具有三維立體感的3D圖像。

偏振光具體上分為線性偏振光與圓偏振光兩種。在任意一個特定時刻，線偏振光和圓偏振光都只在一個特定方向上震動。而隨著時間的變化，線偏振光保持震動方向不變，而圓偏振光的震動方向在垂直于光線傳播方向的平面上旋轉。而旋轉方向又分為左旋和右旋。

早期的光分式3D系統多采用線性偏振光，而采用線性偏振光最大的缺點是觀眾觀看姿勢必須盡量保持不變。如果觀眾歪頭或側身，則眼鏡的偏振方向會變得與光線的偏振方向不一致，3D效果會變差，甚至會導致觀看者頭暈、頭痛等現象。

圓偏振光的引入則比較有效的改善了線偏振光的缺點。圓偏振光系統與線偏振光系統的組成結構沒有任何的區別，只是將垂直偏振鏡與水平偏振鏡替換為左旋偏振鏡與右旋偏振鏡。

光分式的3D成像效果較好，造價相對較低。該技術現階段主要被各種3D影院系統所采用，如RealD，IMAX等。光分式最大的問題在于沒有完美的偏振鏡，也無法過濾出完美的偏振光。

因而觀眾所配戴的偏振眼鏡無法對左右圖像進行完美的分離，因而導致總有一部分左圖像的光線進入右眼，而一部分右圖像光線進入左眼。雖然從比例上講很少，但足以導致3D效果的下降，以及導致一部分觀眾觀看過程中的不適，如頭暈、頭痛。

時分法——主動快門式3D顯示技術

主動快門式3D技術在原理上比前兩個更加簡單，它直接通過快速交替關閉一只鏡片的方式，讓雙眼在不同時間接收完全不同的畫面。只要屏幕的刷新率和眼鏡的開關頻率完美的配合成120Hz以上，便可以讓每只眼睛都得到60Hz刷新率的連貫流暢畫面。

相對于前兩者，主動快門式3D顯示具有更多的優勢，它不會產生紅（琥珀）藍3D 的光化學損傷問題，成本及兼容性代價方面也要優于偏振式3D技術。因此目前主動快門式3D顯示正在快速的進入市場并進入普及階段。但因為主動快門式3D技 術存在鏡片開合操作，因此或多或少都會產生閃爍感，這是目前主動快門式3D技術最大的技術問題。

這種3D技術在電視和投影機上面應用得最為廣泛，資源相對較多，而且圖像效果出色，受到很多廠商推崇和采用，不過其匹配的3D眼鏡價格較高。

裸眼類3D顯示技術

顯示器屏幕是平面2D的，人之所以能欣賞到真如實物般的3D圖像，是因為顯示器展現出的圖像色彩灰度的不同，而使人眼產生視覺上的錯覺，將顯示的2D圖像感知為3D圖像。

眼鏡類的3D顯示技術是通過眼鏡將左右圖像分離出來，并分別送到觀看者的左右兩眼中，實現3D效果。而裸眼類的3D顯示技術則是通過調節光的角度使左右兩個圖像分離出來，并分別送到觀看者的左右兩眼中，以實現3D效果。

如今的裸眼類3D顯示技術，組合了目前人類最新面板制造技術和引擎軟件技術，一方面，在生產制造方面，采用在液晶面板前方配置雙凸透鏡的全景圖像方式顯示，即在同一個屏幕上，以分割區域顯示（空間多功裸眼3D技術）和切割時間顯示（分時多功裸眼3D技術）來實現3D顯示（見表三）。另一方面，在圖像顯示方面，通過計算機圖像處理技術，將已有的2D圖像和3D圖像的左右兩眼的視差，轉換為9視差的3D圖像。

裸眼類3D顯示技術目前主要有：光柵式、柱狀透鏡式、全像投影式、體積式、分時多工式等幾種

光柵式3D顯示技術

光柵式與眼鏡類3D顯示技術最大的區別在于：觀看光柵式3D顯示系統時不需要配戴眼鏡，裸眼就可以進行3D影像的觀看。由于這個特點，光柵式3D技術引起了很多廠商的重視，技術和應用上也得到了很大的發展。

在具體的實現細節上，光柵式又細分為狹縫光柵式與柱狀透鏡式。

狹縫光柵式的顯示器件被劃分為一些豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。而在顯示器件的前方則有一些柱狀的狹縫光柵。這些光柵的作用在于能夠允許左眼看到左圖像，阻擋右眼看到左圖像；同時光柵允許右眼看到右圖像，阻擋左眼看到右圖像；

而柱狀透鏡式與狹縫光柵式的區別在于將顯示器件前的狹縫光柵替換為柱面透鏡，如右圖所示：顯示器件同樣被劃分為豎條，一部分豎條用于顯示作圖像，而另一部分豎條用于顯示有圖像，左右相互間隔。利用顯示器件前面的柱面透鏡的折射作用，左圖像的光線射向左眼位置，而有圖像的光線射向有眼位置。左右兩幅圖像最終經過大腦的合成，最終呈現出一幀立體圖像。

光柵式的優點很明顯：觀看者不需要配戴眼鏡；其缺點同樣明顯：

（1）觀看者只能站在幾個固定的角度才能出現立體效果

（2）現階段的清晰度也非常低；

（3）工藝難度與成本都很高，尤其難以在大屏幕上實現；

（4）而且無法與2D兼容。

由于以上特點，光柵式3D技術主要被一些電視機廠家用來研發、生產用于廣告牌等展示用途的設備。

全息投影式3D顯示技術

全息照相投影相對于傳統的攝影技術來說是一種革命性的發明。光作為一種電磁波有三個屬性：顏色（即波長）、亮度（即振幅）和相位，傳統的照相技術只記錄了物體所反射光的顏色與亮度信息，而全息照相則把光的顏色、亮度和相位三個屬性全部記錄下來了。

全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發出的光波分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息。

人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只剩下很小的一部分，依然可以重現全部景物。

全息照相在理論上是一種很完美的3D技術，從不同角度觀看，觀看者會得到一幅角度不同的3D圖像。其它的3D顯示技術都無法做到這一點。全息照相可應用于無損工業探傷、超聲全息、全息顯微鏡、全息攝影存儲器、全息電影和電視。但是由于技術的復雜，全息投影照相技術目前還沒有得到商業應用。

體積式3D顯示技術

體積式是由德儀所開發的激光3D投影技術，以激光光照射在一個高速旋轉盤上的散射現象，于一個玻璃密閉空間內顯示立體物件的每一個點，并組成立體影像。但缺點在于投影物件體積受到限制，且越靠近中央轉軸解析度越低。

分時多工3D顯示技術

分時多工技術又稱為指向背光板技術。以一組指向性背光板搭配快速反應面板，快速切換顯示左、右眼影像讓使用者觀看形成3D影像。

隨著技術的進步， 3D顯示技術已成功應用到了數字顯示領域，3D顯示技術和普通消費者的距離已經越來越近了，而作為新起之秀的裸眼3D顯示技術必將青出于藍而勝于藍，裸眼3D技術在實現成品化、成熟化后。不僅可以實現了裸眼看3D，而且還可以保證3D立體出屏效果的震撼，解決戴著眼鏡看3D的束縛與困擾，開拓出一個自由自在享受3D的空間。

- END -