近年來，隨著平板顯示技術(shù)與相關(guān)材料領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及好萊塢對(duì)3D顯示技術(shù)的運(yùn)用和推動(dòng)，3D顯示技術(shù)正離我們?cè)絹碓浇＿@種對(duì)3D顯示的追求是符合顯示技術(shù)發(fā)展規(guī)律的。在顯示領(lǐng)域中，我們經(jīng)歷了從黑白到彩色，從彩色到高清的技術(shù)跨越，而今從2D顯示跨越到3D顯示的時(shí)機(jī)已經(jīng)來臨。
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;無需眼鏡的3D顯示(即裸眼3D顯示)。此外還有全息顯示等，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，通過讓眼睛分別觀察到有視差的圖像而形成3D效果。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，但是存在著需改變用戶觀看方式、不符合使用習(xí)慣，以及顯示亮度下降、特別不適合應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備上等缺點(diǎn)。
裸眼3D顯示是指通過視差障礙或者透鏡陣列技術(shù)把經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的視差障礙或者透鏡陣列放置在顯示面板上，通過它們的分光使得有視差的圖像分別進(jìn)入不同的眼睛來形成3D效果。裸眼3D顯示技術(shù)復(fù)雜，除硬件外，還需要專門的圖像處理算法配合才能形成3D效果。該解決方案已經(jīng)被多家筆記本廠商認(rèn)可，并將于今年下半年上市。
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，并配合專門研發(fā)的圖像處理軟件來形成3D效果。此外，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顯示效果的同時(shí)，依然保證了現(xiàn)有硬件資源的利用率。圖1是裸眼3D顯示的示意圖，實(shí)際技術(shù)遠(yuǎn)比圖中所示要復(fù)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生產(chǎn)制造工藝流程進(jìn)行改良，需要合成新的材料，在利用精密的微加工技術(shù)來制作光學(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優(yōu)化3D效果和滿足用戶對(duì)片源和應(yīng)用的需求。為使3D圖形圖像處理負(fù)載均衡并保留未來完全獨(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?yàn)檠坨R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顯示效果受到3D眼鏡的干擾，變得不像原來那樣自然，從而影響視覺感受。
為使3D顯示不改變2D顯示的習(xí)慣和應(yīng)用效果，SuperD研發(fā)了一種被稱為逐像素點(diǎn)2D/3D切換的技術(shù)(簡(jiǎn)稱為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。比如：可以通過這種技術(shù)來顯示網(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)的效果。
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)的干涉效果，從而達(dá)到完全不影響畫面效果;3、針對(duì)這種光學(xué)器件的逐像素點(diǎn)的2D/3D驅(qū)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)3D區(qū)域的開關(guān)、移動(dòng)、縮放等功能。
圖1中標(biāo)記為“3D窗口”的區(qū)域顯示的是3D效果，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?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)，通過這種技術(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?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，通過互聯(lián)網(wǎng)我們可以動(dòng)員大家利用大量資源來制作、傳播和共享3D內(nèi)容以及3D應(yīng)用，這反過來又將極大地推動(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。
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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，在一定的空間范圍內(nèi)會(huì)形成一系列的觀看區(qū)域，在這些區(qū)域中，觀眾能夠自由觀看3D效果，但是如果超出這些區(qū)域，就無法看到正常的3D效果。這種現(xiàn)象目前還沒有統(tǒng)一的定義，SuperD將這種只能在某些區(qū)域內(nèi)正常觀看3D效果而無法在這些區(qū)域以外觀看的狀態(tài)稱為“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效果，而B位置看到的3D效果卻是錯(cuò)誤的。因?yàn)閮蓚€(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效果。而人眼又不能自動(dòng)調(diào)節(jié)這種相反的效果，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效果我們稱之為“反視”。在這種情況下，觀眾會(huì)發(fā)覺本應(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)的示意圖。
SuperD利用跟蹤技術(shù)獲得觀眾的三維位置，然后根據(jù)位置調(diào)整3D圖像的像素排列，生成新的符合該位置的3D圖像，這樣就解決了觀看區(qū)域受限的問題。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)本身是可以跟蹤多個(gè)用戶的，但由于存在顯示面板刷新率和分辨率的局限，還不適合多個(gè)用戶同時(shí)使用。這也是該技術(shù)被首先應(yīng)用到筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備上的原因。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)，并且是用一個(gè)攝像頭來完成的。這是目前很多頭部或者人臉跟蹤技術(shù)所達(dá)不到的。
此外，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)域受限問題外，還可以用來處理很多其他應(yīng)用，比如與顯示設(shè)備的交互，在游戲控制中用來增加游戲的可玩性，用眼睛控制鼠標(biāo)來實(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)攝像頭來獲取空間位置，所以也可以把它用在測(cè)量領(lǐng)域。
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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)整并控制屏幕的光學(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，比如，分辨率的大小、顯示圖像幀的基本參數(shù)等等。這些參數(shù)經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算處理之后，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)域來控制屏幕雙折射光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)電路，使之在符合特定電壓的條件下開啟透鏡的折射效果，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)支持全高清的分辨率，并已針對(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)用范圍。
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替?zhèn)鹘y(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，并降低了解決方案的成本。
運(yùn)動(dòng)視差技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
要得到立體視覺效果，除了通過兩個(gè)眼睛分別采集具有視差的圖像供大腦合成立體視覺外，還有一個(gè)重要的單目立體因素，那就是運(yùn)動(dòng)視差效果。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，并且距離觀看者遠(yuǎn)近不同的物體發(fā)生的相對(duì)位移也不一樣。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沉浸感。目前有些2D顯示下的應(yīng)用也開始考慮運(yùn)動(dòng)視差現(xiàn)象，以此產(chǎn)生一種虛假的立體感覺來提高應(yīng)用的吸引力。
SuperD通過把運(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)性和沉浸感。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)還主要用于游戲應(yīng)用中。因?yàn)楝F(xiàn)在的游戲開發(fā)方法本身就包含了對(duì)場(chǎng)景的三維描述信息，所以我們要做的是把這些信息提取出來，并結(jié)合跟蹤技術(shù)得到的觀眾位置來實(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)位置下的不同渲染效果，使用戶形成運(yùn)動(dòng)視差的感覺，從而提高3D顯示技術(shù)的沉浸感。圖6是運(yùn)動(dòng)視差與3D顯示相結(jié)合的示意圖。
在圖6中注意觀察兩個(gè)立方體的顯示變化。這里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圖像按照運(yùn)動(dòng)視差要求進(jìn)行處理。
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Z軸優(yōu)化
如何讓模擬出來的3D世界與真實(shí)的3D世界盡量接近呢?SuperD提出一種稱為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。
首先，利用3D圖像隱含的視差信息來描述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)整的視差信息來生成新的3D圖像，新的3D圖像形成的3D效果會(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。
此外，根據(jù)視差信息，我們還可以進(jìn)行其他優(yōu)化，比如基于深度信息的圖像濾波和基于深度信息的圖形渲染。最終目的就是利用Z軸優(yōu)化的概念來優(yōu)化3D成像效果，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影視等各類產(chǎn)品上。
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