目前我們較多接觸到的3D顯示技術(shù)有兩類：眼鏡式3D顯示;無(wú)需眼鏡的3D顯示(即裸眼3D顯示)。另外還有全息顯示等，但是全息技術(shù)目前還很難推廣。眼鏡式3D顯示，顧名思義就是需要用戶佩戴專門的3D眼鏡，通過(guò)讓眼睛分別觀察到有視差的圖像而形成3D結(jié)果。眼鏡式3D顯示是目前電影院和3D電視常采用的技術(shù)模式。眼鏡式3D顯示的技術(shù)門檻低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是存在著需轉(zhuǎn)變用戶觀看方法、不適合使用習(xí)慣，以及顯示亮度下降、特別不適合應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)畢喔扇弱點(diǎn)。
裸眼3D顯示是指通過(guò)視差障礙或者透鏡陣列技術(shù)把經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的視差障礙或者透鏡陣列放置在顯示面板上，通過(guò)它們的分光使得有視差的圖像分別進(jìn)入不同的眼睛來(lái)形成3D結(jié)果。裸眼3D顯示技術(shù)複雜，除硬件外，還需要專門的圖像處理算法配合才能形成3D結(jié)果。該解決方案已經(jīng)被多家筆記本廠商認(rèn)可，並將至今年下半年上市。
裸眼3D的實(shí)現(xiàn)
SuperD公司采用的裸眼3D顯示技術(shù)是將設(shè)計(jì)獨(dú)特的雙折射柱透鏡陣列放置在顯示面板前面，並配合專門研發(fā)的圖像處理軟件來(lái)形成3D結(jié)果。另外，SuperD還專門研發(fā)了用于完成3D圖像處理的芯片，將3D圖像處理獨(dú)立于現(xiàn)有的硬件運(yùn)算資源。在能夠獲得很好3D顯示結(jié)果的同時(shí)，依然保證了現(xiàn)有硬件資源的使用率。圖1是裸眼3D顯示的示意圖，實(shí)際技術(shù)遠(yuǎn)比圖中所示要複雜，圖1描述了裸眼3D顯示的基本原理。
透鏡式裸眼3D顯示技術(shù)不降低顯示亮度，不需改變用戶的觀看習(xí)慣，特別適合在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。SuperD的裸眼3D顯示技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有LCD生産制造工藝流程進(jìn)行改良，需要合成新的材料，在使用精密的微加工技術(shù)來(lái)制作光學(xué)模具和器件的同時(shí)，需研發(fā)專門的軟件和圖形圖像算法來(lái)優(yōu)化3D結(jié)果和滿足用戶對(duì)片源和應(yīng)用的需求。爲(wèi)使3D圖形圖像處理負(fù)載均衡並保留未來(lái)完全獨(dú)立的3D顯示圖形圖像處理發(fā)展空間，需要設(shè)計(jì)專門的芯片。
2D/3D逐點(diǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
SuperD的2D/3D共融技術(shù)也是區(qū)別于眼鏡式3D的一種重要屬性，因爲(wèi)眼鏡式3D不能區(qū)隔屏幕上的3D區(qū)域和2D區(qū)域，只能采用同一種處理手段，這樣就導(dǎo)致了2D顯示結(jié)果受到3D眼鏡的幹?jǐn)_，變得不像原來(lái)那樣自然，從而影響視覺(jué)感受。
爲(wèi)使3D顯示不改變2D顯示的習(xí)慣和應(yīng)用結(jié)果，SuperD研發(fā)了一種被稱爲(wèi)逐像素點(diǎn)2D/3D切換的技術(shù)(簡(jiǎn)稱爲(wèi)2D/3D共融技術(shù))。它的特點(diǎn)是允許在同一個(gè)顯示面板上，同時(shí)顯示2D和3D內(nèi)容。譬如：可以通過(guò)這種技術(shù)來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播的視頻，視頻窗口可以觀看3D電影，而其他區(qū)域依然是2D顯示，包括2D圖片、文字等都不受影響。圖2描述了2D/3D共融技術(shù)的結(jié)果。
SuperD研發(fā)的2D/3D共融技術(shù)包括：1、特殊設(shè)計(jì)的雙折射光學(xué)器件，它可以在一定驅(qū)動(dòng)電壓下實(shí)現(xiàn)透鏡狀態(tài)的開(kāi)關(guān);2、專門針對(duì)這種光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電極的設(shè)計(jì)充分考慮了光學(xué)的幹涉結(jié)果，從而達(dá)到完全不影響畫(huà)面結(jié)果;3、針對(duì)這種光學(xué)器件的逐像素點(diǎn)的2D/3D驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)3D區(qū)域的開(kāi)關(guān)、移動(dòng)、縮放等功能。
圖1中標(biāo)記爲(wèi)“3D窗口”的區(qū)域顯示的是3D結(jié)果，3D窗口外的區(qū)域是2D文字區(qū)域。2D/3D共融技術(shù)最大的應(yīng)用領(lǐng)域爲(wèi)互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)這種技術(shù)人們可以在欣賞互聯(lián)網(wǎng)3D內(nèi)容的同時(shí)，繼續(xù)使用2D下的功能。因爲(wèi)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到生活、生産的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)我們?cè)诰可以動(dòng)員大伙兒使用大批資源來(lái)制作、傳播和共享3D內(nèi)容以及3D應(yīng)用，這反過(guò)來(lái)又將極大地推動(dòng)3D顯示技術(shù)的發(fā)展，因此2D/3D共融技術(shù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的支持是一個(gè)非常良性的循環(huán)，既保證了在現(xiàn)有技術(shù)條件下3D顯示與2D顯示的兼容，同時(shí)又推動(dòng)了3D顯示的不斷發(fā)展。
頭部跟蹤技術(shù)
由于受到自由式3D顯示技術(shù)原理的限制，在一定的空間範(fàn)圍內(nèi)會(huì)形成一系列的觀看區(qū)域，在這些區(qū)域中，觀衆(zhòng)能夠自由觀看3D結(jié)果，但是如果超越這些區(qū)域，就無(wú)法看到正常的3D結(jié)果。這種現(xiàn)象目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，SuperD將這種只能在某些區(qū)域內(nèi)正常觀看3D結(jié)果而無(wú)法在這些區(qū)域以外觀看的狀態(tài)稱爲(wèi)“切變現(xiàn)象”。圖3描述了這種現(xiàn)象。
圖3中，A位置能正常看到3D結(jié)果，而B(niǎo)位置看到的3D結(jié)果卻是錯(cuò)誤的。因爲(wèi)兩個(gè)眼睛所看到的圖像存在著交換，這就造成了3D層次感與應(yīng)該表現(xiàn)的層次感完全相反的結(jié)果。而人眼又不能自動(dòng)調(diào)節(jié)這種相反的結(jié)果，因而造成了嚴(yán)重的頭暈現(xiàn)象。處在切變區(qū)域所看到的3D結(jié)果我們?cè)诰稱之爲(wèi)“反視”。在這種情況下，觀衆(zhòng)會(huì)發(fā)覺(jué)本應(yīng)處在遠(yuǎn)處的物體反而離自己更近，本應(yīng)處在近處的物體卻離自己更遠(yuǎn)，跟我們?cè)诰平時(shí)的生理習(xí)慣形成很大反差。
為解決觀看區(qū)域受限制的問(wèn)題，SuperD研發(fā)了一種把頭部追蹤技術(shù)集成到原有3D顯示方案中的3D顯示設(shè)備。圖4為頭部跟蹤技術(shù)的示貪圖。
SuperD使用跟蹤技術(shù)獲得觀眾的三維位置，接著依據(jù)位置調(diào)整3D圖像的像素排列，生成新的適合該位置的3D圖像，如此就解決了觀看區(qū)域受限的問(wèn)題。目前的跟蹤技術(shù)還只能針對(duì)單個(gè)觀眾。頭部跟蹤技術(shù)自己是可以跟蹤多個(gè)用戶的，但由于存在顯示面板刷新率和辨別率的局限，還不適合多個(gè)用戶同時(shí)使用。這也是該技術(shù)被第一應(yīng)用到筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)畢喔贍原因。SuperD的頭部跟蹤技術(shù)要求的跟蹤精度非常高，精確到厘米級(jí)，同時(shí)是用一個(gè)攝像頭來(lái)完成的。這是目前很多頭部或者人臉跟蹤技術(shù)所達(dá)不到的。
另外，頭部跟蹤技術(shù)目前除了可以解決單個(gè)用戶的觀看區(qū)域受限問(wèn)題外，還可以用來(lái)處置很多其他應(yīng)用，譬如與顯示設(shè)備的交互，在游戲控制中用來(lái)增加游戲的可玩性，用眼睛控制鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用軟件的交互等。因?yàn)镾uperD所采用的頭部跟蹤技術(shù)可以用一個(gè)攝像頭來(lái)獵取空間位置，因此也可以把它用在測(cè)量土地。
3D圖像處理芯片
SuperD的3D圖像處理芯片提供了單芯片集成方案，不但可以接收、還可以處理和發(fā)送顯示圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)也會(huì)根據(jù)圖像內(nèi)容的不同而調(diào)整並控制屏幕的光學(xué)設(shè)計(jì)部分。在圖像數(shù)據(jù)通路之中，芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)圖像的格式，譬如，辨別率的大小、顯示圖像幀的基本參數(shù)等等。這些參數(shù)經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)算處理之後，在保證不改變數(shù)據(jù)流帶寬/吞吐率的前提條件下，會(huì)被圖像數(shù)據(jù)流發(fā)送模塊再次打包同步，發(fā)送至屏幕的顯示單元，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入和處理。與此同時(shí)，同步控制邏輯也會(huì)在預(yù)先設(shè)定好的工作模式下，根據(jù)圖像2D/3D區(qū)域來(lái)控制屏幕雙折射光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)電路，使之在適合特定電壓的條件下開(kāi)啓透鏡的折射結(jié)果，呈現(xiàn)出3D顯示和傳統(tǒng)2D顯示區(qū)域。這種不同顯示區(qū)域的控制和圖像的處理，不僅要保證控制的同步，還必須考慮到2D和3D圖像所具有的不同延遲屬性，保證圖像的瞬時(shí)連續(xù)性和帶寬的匹配。
目前，SuperD的3D芯片已經(jīng)支持全高清的辨別率，並已針對(duì)不同種類的3D內(nèi)容格式內(nèi)置了對(duì)左右格式、上下交錯(cuò)格式等的支持。對(duì)于上層軟件而言，這種多格式支持只需通過(guò)使用相關(guān)配置接口對(duì)3D芯片進(jìn)行配置即可完成，因此，這種動(dòng)態(tài)配置的實(shí)現(xiàn)使得上層軟件可以直接操作硬件資源和擴(kuò)展應(yīng)用範(fàn)圍。
在圖像的處理上，SuperD的3D芯片采用的獨(dú)特設(shè)計(jì)思路使用了行緩存代表傳統(tǒng)圖像處理芯片中幀緩存的方法。僅此一項(xiàng)，行緩存就可以節(jié)省數(shù)倍的系統(tǒng)功耗，並降低了解決方案的成本。
運(yùn)動(dòng)視差技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
要獲得立體視覺(jué)結(jié)果，除了通過(guò)兩個(gè)眼睛分別采集具有視差的圖像供大腦合成立體視覺(jué)外，還有一個(gè)重要的單目立體因素，那就是運(yùn)動(dòng)視差結(jié)果。運(yùn)動(dòng)視差是觀看者在自身發(fā)生位移的情況下所看到的周圍物體在運(yùn)動(dòng)方向上和速度上的差異。圖5是描述運(yùn)動(dòng)視差的示意圖。
從圖5中我們?cè)诰可以看到，當(dāng)觀看者位置發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)該看到不同的物體側(cè)面，並且距離觀看者遠(yuǎn)近不同的物體發(fā)生的相對(duì)位移也不比樣。集成運(yùn)動(dòng)視差現(xiàn)象的應(yīng)用可以很明顯地提高用戶的沈浸感。目前有點(diǎn)2D顯示下的應(yīng)用也開(kāi)始考慮運(yùn)動(dòng)視差現(xiàn)象，以此産生一種虛假的立體感覺(jué)來(lái)提高應(yīng)用的吸引力。
SuperD通過(guò)把運(yùn)動(dòng)視差技術(shù)與3D顯示技術(shù)相結(jié)合，將更能增加3D顯示的真實(shí)性和沉醉感。因此，結(jié)合頭部跟蹤技術(shù)，我們提出了一種含有運(yùn)動(dòng)視差的3D顯示技術(shù)。目前該技術(shù)還要緊用于游戲應(yīng)用中。因?yàn)楝F(xiàn)在的游戲開(kāi)發(fā)方法自己就包含了對(duì)場(chǎng)景的三維描述信息，因此我們要做的是把這些信息提取出來(lái)，并結(jié)合跟蹤技術(shù)獲得的觀眾位置來(lái)實(shí)時(shí)地修正游戲場(chǎng)景的矩陣信息，以此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同視點(diǎn)位置下的不同渲染結(jié)果，使用戶形成運(yùn)動(dòng)視差的感覺(jué)，從而提高3D顯示技術(shù)的沉醉感。圖6是運(yùn)動(dòng)視差與3D顯示相結(jié)合的示貪圖。
在圖6中注重觀察兩個(gè)立方體的顯示變化。這裏3D顯示設(shè)備除了提供根據(jù)觀看者位置而新生成的對(duì)應(yīng)該位置的3D圖像外，還把3D圖像比照運(yùn)動(dòng)視差要求進(jìn)行處理。Z軸優(yōu)化
如何讓模擬出來(lái)的3D世界與真實(shí)的3D世界盡量靠近呢?SuperD提出一種稱爲(wèi)Z軸優(yōu)化的概念。在3D顯示技術(shù)條件下，由于引入了一個(gè)新的維度(Z軸)，傳統(tǒng)的基于2D顯示的圖形圖像處理技術(shù)需要進(jìn)行改進(jìn)。Z軸優(yōu)化提出了不同圖形圖像處理的理論和技術(shù)，形成了適合3D顯示的處理方法。
第一，使用3D圖像隱含的視差信息來(lái)描述Z軸。根據(jù)視差信息，再結(jié)合顯示面板尺寸、光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)和待表現(xiàn)的場(chǎng)景類型等信息，來(lái)判斷是否需要調(diào)整視差信息以及如何進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)調(diào)整的視差信息來(lái)生成新的3D圖像，新的3D圖像形成的3D結(jié)果會(huì)更適合當(dāng)前條件下的顯示，這就是動(dòng)態(tài)視差調(diào)整技術(shù)。圖7描述了這種技術(shù)的原理。
另外，根據(jù)視差信息，我們?cè)诰還可以進(jìn)行其他優(yōu)化，譬如基于深度信息的圖像濾波和基于深度信息的圖形渲染。最終目的就是使用Z軸優(yōu)化的概念來(lái)優(yōu)化3D成像結(jié)果，讓3D顯示技術(shù)更加適應(yīng)人們的生理習(xí)慣。
本文小結(jié)
裸眼3D整體解決方案是一個(gè)全面的方案，SuperD公司在光學(xué)與材料研發(fā)、工藝研發(fā)、芯片和電子工程、圖像工程、3D視覺(jué)及3D應(yīng)用等多方面都進(jìn)行了深度的研發(fā)。該方案將被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、互聯(lián)網(wǎng)、3D影視等各類國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品上。
