3D立体显示的历史，你知多少？

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立体显示的历史

立体显示就是我们常说的3D显示，而3D是英文三维度（3 Dimensional）的缩写，三个维度即表示我们所知的立体空间，相应的，2D就表示两个维度的空间，即平面。对人类来说，两只有一定距离的眼睛接收的视觉画面有一定的角度、距离差，通过大脑的计算会形成立体视觉，这也是立体显示所利用的远离，即给左右眼提供不同角度的画面，就可以让人感觉到立体影像的效果。

随着大量3D电影的出现，立体显示技术与电影的联系对大家来说已经习以为常，但大多数人都不知道，立体影像的探索也是紧随着早期摄像和电影技术的发展。1829年，比利时著名物理学家约瑟夫·安托万·费迪南·普拉多（Joseph Antoine Ferdinand Plateau）发现：物体在人眼前消失后形象还会在人的视网膜上滞留一段时间，即视觉暂留现象，普拉多根据此原理于1832年发明了“诡盘”（图1），转动的“诡盘”能使被描画在锯齿形的硬纸盘上的画片而“活动”起来，这也成为了后来电影的基本原理。距离“诡盘”的发明仅有一年，1833年英国物理学家查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）就利用双眼视差法在两张手绘的草图上创造出了世界上的第一组立体图像，1938年，他根据这种像差原理发明了立体镜（图2），1849年，英国物理学家布儒斯特（David Brewster）改进了立体镜，而利用偏极光特性制作3D投影机的想法则在1891就出现了，此时现代电影艺术还没有正式出现。早期的立体镜就是利用两部相机，在左右眼位置各拍一张照片，然后再通过“立体镜”，用左右眼同时观看，就会产生融合的3D影像，这也成为3D摄像技术遵循的基本原理。

在现代电影技术技术的发展过程中，也一直伴随着3D拍摄和显示技术。1894年，爱迪生发明了用胶片的连续转动，造成活动视觉的电影视镜，不过只能单人观看。1895年卢米埃尔兄弟正式公映的影片宣告了电影时代的到来。而在电影艺术正式出现后仅仅5年，1900年，弗雷德里克·尤金·艾维斯（Frederick Eugene Ives）就发明了模仿人眼原理的立体摄像机。1915年，出现了最早的红绿立体电影视频片段，1922年，第一部立体电影《爱的力量》（The Power of Love）正式公映，这些最早期的立体电影探索并没有引起大众的关注，很快就沉寂下来。

进入20世纪30年代，随着经济大萧条，电影这一廉价的消遣方式受到欢迎，赢了了电影的大发展，其中当然也包括立体电影，1936年，米高梅电影公司推出了采用红蓝眼镜的商业电影《Audioscopiks》系列，轰动一时，该片获得了当年奥斯卡最佳短片奖的提名。电影创始人之一路易斯·卢米埃尔（Louis Lumière）也将最早的电影《火车进站》重新制作为立体电影（图3）。

反映早期立体电影效果的漫画

二战后立体电影继续高速发展，1953年，《恐怖蜡像馆》等一批3D恐怖片应运而生，以红绿眼镜做媒介的3D片在上世纪五十年代进入了黄金时期。1962年，国内的天马电影制片厂拍摄了国内第一部3D立体电影《魔术师的奇遇》。2009年，《阿凡达》在3D技术上的成功，终于正式揭开了3D电影，乃至3D显示技术进入内地普通百姓生活的序幕。

随着技术的发展，立体显示逐渐从电影院中走出，1982年，托马斯A.弗内斯三世（Thomas A.Furness Ⅲ）展示了带有6个自由度跟踪定位的头盔显示器（HMD），从而使用户完全脱离周围环境，1985年，司各特·菲舍（Scott Fisher）创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广角立体显示的头盔式显示系统。进入1990年后，裸眼式立体显示器开始萌芽，1991年，日本电报电话公司NTT研究和开发出能播放出立体影像的彩色电视机；2003年，夏普推出量产型3D显示器；2011年任天堂推出的便携式游戏机3DS（图4）拥有了裸眼3D显示能力和拍照能力。21世纪10年代，主要的显示芯片厂商，AMD和NVIDIA均推出了3D显示方案，而主要的显示器厂商也均推出了更适合3D显示的超高刷新率显示器。

现代立体显示技术

目前的立体显示技术主要是3D眼镜方式、头戴式显示器和裸眼3D显示，使用效果、使用场合、面向用户以及成本、成熟度等各有不同，而且每一种方式又有多种不同的产品甚至不同的技术。

● 3D眼镜方式

3D眼镜方式是最传统而成熟的立体显示方式，通过为左右眼配置偏光、红绿、快门、明暗等不同镜片，让左右眼可以从同一块屏幕上接受不同的图像，以构成立体视觉。虽然原理类似，但其用途和具体实现方式还是有一定差异的。

1.偏光眼镜（Polarization glasses）

→优势：3D效果比较真实，眼镜结构简单，成本较低且轻便。

→劣势：使用显示器时图像分辨率降低，在影院中需要使用两台投影机，且图像叠加对调教要求很高，且亮度有损失

可见光是横波，即振动方向垂直于传播方向的波形，而自然光中，光波的振动方向环绕方向轴做无规律的振动（图5）。偏光眼镜采用的偏光镜片只允许一个振动方向的光线通过，振动方向垂直的光线会被彻底过滤掉。观看3D图像的偏光眼镜左右眼的偏振轴互成90度，在播放3D图像时，屏幕上的图像实际上是对应左右眼的两幅图像叠加而成，两幅图像的光线分别适合偏光眼镜的左右眼偏振轴，这样用户观看同一块屏幕时，左右眼接收的图像却是不同的（图6），这样左右眼画面就可以形成3D视觉。

偏光眼镜结构比较简单，所以眼镜成本较低，家用电视、显示器和影院屏幕等都能使用。不过因为采用滤光方式，所以用户看到的图像亮度会有一定损失，如果使用液晶电视/显示器的话，因为显示器两个偏振方向的图像各使用一半的像素点，3D图像的实际分辨率减半。而投影方式则需要使用两台投影机分别输出两个方向的偏振光图像进行叠加，对精度要求很高，难以应用在家庭环境中。

因为偏光镜片可有效滤除反射光和有害紫外线，具有消除眩光的功能（图7），所以也被应用在太阳镜、滑雪镜等产品上。

2.色差式3D眼镜（Anaglyphic 3D）

→优势：总体成本低廉，眼镜成本低至1元左右，对显示系统也没有特殊要求。

→劣势：容易产生偏色；图像彩色信息、亮度、分辨率都有损失；易引起视觉疲劳。

这种技术是基于图像分色（互补色式、色差式）技术的一种3D显示技术，该技术将两个不同视角上拍摄的影像分别以两种不同的颜色印制在同一副画面中。这样视频在放映时仅凭肉眼观看就只能看到模糊的重影，而通过对应色彩的立体眼镜可分别获得左右眼图像，就可以看到立体效果，为了尽量过滤掉对应另一只眼镜的图像，两眼镜片需要采用互补色——以红蓝眼镜为例，红色镜片下只能看到红色的影像，蓝色镜片只能看到蓝色的影像，两只眼睛看到的不同影像在大脑中重叠呈现出3D立体效果（图8）。

红蓝立体图像，如果手头有红蓝眼镜可以尝试看一下

色差式3D眼镜有不同色色彩方案，红蓝电影需要用红蓝眼镜观看；红绿电影需要红绿眼镜观看；镜片分配也有所不同，有时会出现需要将眼镜反过来戴的情况。NVIDIA推出的成本低廉的3D Vision Discover（3D立体幻镜体验版）解决方案便采用的是红蓝眼镜技术。

色差式3D眼镜的原理和对显示的要求与偏光眼镜有点像，所以也有亮度和分辨率的损失，而且因为自带颜色的镜片会对影片色彩有影响，滤光能力也不如偏振光镜片，所以容易产生偏色和视觉疲劳。

3.快门眼镜（Shutter glasses）

→优势：3D效果较出色，设备市场占有率正稳步提高。

→劣势：设备成本较高，亮度、帧速损失较大，眼镜重量较大。

快门眼镜采用的是开关式（时分法遮光）技术，它会在屏幕上分帧显示左右眼画面，并通过液晶同步遮挡右眼和左眼，通过视觉暂留来实现3D效果。其具有和偏振光方式一样的色彩准确性。因为双眼只看到被降低为原来一半刷新率的画面，因此感受到整体画面亮度会有较大损失，而且如果刷新率不足，会明显感觉到延迟。

由于实现方式相对简单，特别适合消费级显示设备，所以快门眼镜一度成为个人消费市场上的主导技术，推进了液晶电视、显示器、投影机的刷新率提升，目前高刷新率的电视和显示器已经非常多，价格也比较合理，只是快门眼镜构造比较复杂，所以成本和售价较高（图9）。

带有液晶屏、电池、有线或无线同步器等设备的快门眼镜，结构显然比偏光、色差式眼镜更复杂

由于用户群体的重叠，这一立体显示技术受到目前VR设备的冲击很大，不过它还是具有可支持多人观看，成本相对较低等优势。

4.明暗眼镜（Pulfrich effect）

→优势：可以呈现优异的空间影像，不戴眼镜也能看到清晰的2D画面。

→劣势：主要对运动图像有效，市场普及度低。

明暗眼镜（读写眼镜）是基于普菲立克效应（Pulfrich Effect）的产品——根据观察发现，人类对不同波长的光有不同的反应速度，大脑对阴暗刺激的认知比明亮刺激稍微迟缓，所以人们容易认为明亮画面中的物体移动的速度比较快、且速度快的离自己比较近；也会感觉阴暗画面中的物体移动的速度比较慢、且速度慢的离自己比较远。因此，若左右两眼接受到的图像亮度不同，虽然两眼看到的是相同的图像，但大脑对其中的移动速度与距离位置认知却不一样，便可产生视觉误差，构筑出实际上并不存在的空间深度（图10）。

普尔弗里希效应原理

使用普菲立克效应录制作品的特别之处在于照相机以及待摄活动物体必须往同一个方向移动。普菲立克效应的3D眼镜的原理就是其中一块眼镜片较暗，另一块透明。基于该原理录制的3D影像，当透过“明暗眼镜”时便能看到立体空间的影像，而没有戴眼镜的人也可看到真切的2D画面，这是其他任何立体3D显示工具都不具备的。而为了实现更清晰的明暗3D效果，一般要求所摄画面的明暗对比度要够强烈，播放设备（如投影机、液晶电视）最好具备黑画面插入功能，墨镜一侧的遮光效果要好。

● 头戴式显示器

→优势：能让用户最贴身的感受虚拟实境。

→劣势：标准不统一，产品价格偏高。

头盔显示器（Helmetmounted display，HMD）和视频眼镜都是固定在头上，把视频图像以及字符信息投影或显示在眼前（如半反光镜、护目镜）上的光电显示装置，即头戴式显示器。头盔式显示器最早被用于军事领域，作战飞行员需要一套可以将作战飞行数据随时显示到飞行员面前的直视系统，头盔式瞄准器及头盔式显示器可提供更宽更直观的数据、视野没有限制，可根据视线方向显示不同的数据和图像，以满足具备高度离轴交战能力的最新代空中格斗导弹的各种战斗需求、构建“透明化”座舱（图11）。对于民用系统来说，头盔式显示器这样的设备显然太专业也太复杂昂贵，视频眼镜便成为消费级市场上的头戴显示器主流产品。它由主板、超微显示屏、透镜、镜架、电池等部分组成，可接收各种多媒体设备输出之视频信号，并通过光学系统（主要是精密光学透镜）放大超微显示屏上的图像，以大屏幕形式呈现于观者眼前。

视频眼镜因为本身就以不同屏幕针对左右眼显示，所以很容易实现3D显示，而且随着运动传感器和引入和个人设备计算能力的增强，原本只能被动播放3D影像的头戴式显示器已经全面转向了虚拟显示，观察者可以自由转动头部，甚至是进行空间移动，显示的画面会随之改变，所以沉浸感极强。

当然我们经常提到的，直接使用手机的VR盒子也可以算是一种简单的头戴式显示器，这里就不再赘述了。

裸眼立体显示技术

需要佩戴眼镜观看的立体显示会带来很多不便，而且大都对图像质量有影响，更难以进行多人互动操控，这些恰恰就裸眼立体显示技术的优势。与3D眼镜方式不同，裸眼立体显示的原理差距非常大， 常见的技术包括全息式、体积式、多平面式和2D多工式等。

1.全息式（Holographic）

→优势：技术成熟容易取得，是能够进行较好互动和替代真实物品的选择

→劣势：影像大小常受限于设备的大小。

全息式又称为全像式、立体照相术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术（图12）。全息图上的每一部分都记录了物体各个点的信息，所以每一部分都可以再现整个原物的立体图像，甚至可以通过多次曝光在同一张底片上记录多个不同的立体图像。

全息显示技术在各种很多大型场合进行展示使用，如在运动会、舞台上进行物体重现或交互，也可在博物馆中精确地重现展品，人们无需任何额外设备就可以直接观看全息技术重现的立体图像（图13）。

2.体积式（Volumetric）

→优势：真正能够实现动态效果3D图像。

→劣势：影像中央有旋转轴，越靠近轴心的影像旋转速度则越慢，所产生的立体影像也因此较为模糊。

体积式是一种利用激光扫描立体影像的显示器，所以其被称为体积式显示器。它主要是利用一个快速旋转的垂直圆盘，配合由底下投影的激光光源，利用激光光源投射到快速旋转的旋转面时会产生的散射效应，扫描空间中的每一点（图14）。它是真正能够实现动态效果的3D技术，它也可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。它的缺点是影像中央必须有一个旋转轴，靠近轴心的影像旋转速度较慢，立体影像较不清晰。

体积式三维显示技术可分为扫描体显示器（Swept-Volume Display）和固态体显示（Solid-Volume Display）器，代表分别为Felix3D和Perspecta，以及DepthCube。其中DepthCube是比较先进的技术，它是一种背投立体式显示器，采用层叠液晶屏幕方式来实现立体显示，20层显示屏沿着X轴从前至后排在一起，这20张显示屏都是可以开关的液晶显示屏，只有一张是工作的，其他为透明的，而图片也只投射到工作的显示屏上（图15）。它使用高速数字光处理（DLP）投影器，每秒可以投射1000张“图片片断”，让每个屏幕的刷新率都可以达到50Hz，足够欺骗我们的眼睛，当然它需要的1000Hz图像刷新速度对主机是一个比较大的负担。

3.多平面式（Multi-Planar）

→优势：成本容易控制。

→劣势：前后面板的对位困难，对观赏角度有较高要求。

多平面式立体显示主要原理为利用两个面重叠的液晶面板，在两个面板显示大小相同的影响，利用物体和观赏者之间远近不同的距离，会有明度及颜色上的差别，进而重叠前后物体影像，使观赏者在视觉上产生立体感。由于此形态的立体显示是将两个二维影像重叠，因此只有在特定的正视方向观赏，才会有较佳的立体显示效果，其余观赏角度效果不佳。

4.2D多工式（2D Multiplexed）

→优势：目前常见的裸视3D技术。

→劣势：亮度衰减和视角问题仍存在。

2D多工式（2D Multiplexed）是近年来厂商普遍采用的3D成像方式，其基本原理是将两张或数张具有视差的2D画面分别分割成不同的像素组合，再交叉排列起来，用特殊的光学元件形成针对左右眼不同的视域，然后分片或分时显示针对左右眼的画面。这样不需要透过特殊眼镜，就可以让用户的左、右眼看到视角不同的平面影像，可产生立体的感觉。

2D多工式又可再细分为空间多工式、时间多工式、自动观者追迹式。空间多工式把显示画面间隔划分为左、右眼影像显示区域，利用视差屏障或柱状透镜阵列同时把影像分别投向左右眼，以达到立体效果。所谓视差屏障是一种黑色与透明相间的直线条纹，用以进行分光，并置于距离液晶面板一小段距离处，让观赏者的右眼只能接收到液晶面板投给右眼的像素区，左眼则只能接收到液晶面板投给左眼的像素区（图16）。但是当光线通过黑色直线条纹区域时，由于光线被吸收，亮度会减少一半以上，所以对图像总体亮度有影响。

目前较成熟的空间多工式3D成像方法为柱状透镜式（Lenticular Lens），柱状透镜是利用制作成长条状的凸透镜，将奇数和偶数列像素的光线以不同角度平行射出，因此在一定距离和角度内，左右眼就会看到不同的影像。柱状透镜的优点在于不会牺牲屏幕亮度，不过多视角会造成解析度严重下降的问题。由于透镜的制作精度以及与显示面板对位准度的困难度极高，因此制作成本也较高。

相较于空间多工式，时间多工式是利用特殊设计的分光机制，如显示器前方加上透明与不透明线条交错的光栅，在不同的时间点把左、右眼影像连续投射至观赏者的左、右眼，让左右眼仅能透过光栅看到属于不同视域的像素，以达到立体显示效果。由于此视差光栅可以采用印刷式光学膜设计，因此成本比空间多工式低。并且，只要在显示面板上方再增加一片LCD面板开关，就能做到不固定区域的2D和3D任意切换（图17）。

自动观者追迹式3D显示技术是结合摄影机追踪观者眼睛，自动动态调整左右眼图像视角以跟随人眼位置，由于只产生两个视角，可提供较好的3D分辨率，适合单人使用，较偏重在特定专业应用上。

从原理可以看出，实现方式相对简单，成本较低的2D多工式立体显示，是最适合个人用户的裸眼立体显示方式，事实上，相关产品也已经出现在了市场上。1999元的SuperD 3D Box是一种相当轻巧的裸眼3D设备，它采用折叠结构，合盖时的尺寸类似于带有硬套的iPad mini（图18）。它采用人眼追踪技术和柱状透镜式3D显示屏，可以实现全高清的裸眼3D。SuperD 3D Box的主要应用方向是与手机连接，可以用3D模式玩手机游戏、看手机视频和直播等，是目前比较成熟的个人裸眼3D设备。另外SuperD还推出了使用柱状透镜式3D显示屏，并且对VR进行了优化的手机，价格只有1299元，不过其硬件配置较低，除非对立体显示有特殊要求，否则并不建议购买。

对于喜欢玩掌机游戏的用户，New 3DS或New 3DS XL/LL则是裸眼3D最佳的选择，它是3DS的新版产品，也采用了柱状透镜式3D显示屏，可以实现立体显示，并且支持3D摄像。New 3DS的屏幕比3DS略大（图19），New 3DS XL/LL则和前一代，其分辨率都没有变化，相对于目前的实际应用来说，它们400×240的3D图像显示能力显得有些过时。