裸眼3D單芯片解決方案

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、實現(xiàn)簡單，但是存在著需改變用戶觀看方式、不符合使用習慣，以及顯示亮度下降、特別不適合應用在移動設備上等缺點。

　　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)過專門設計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入不同的眼睛來形成3D效果。裸眼3D顯示技術(shù)復雜，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可，并將于今年下半年上市。

　　裸眼3D的實現(xiàn)

　　SuperD公司采用的裸眼3D顯示技術(shù)是將設計獨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圖像處理獨立于現(xiàn)有的硬件運算資源。在能夠獲得很好3D顯示效果的同時，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，實際技術(shù)遠比圖中所示要復雜，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慣，特別適合在移動設備上實現(xiàn)。SuperD的裸眼3D顯示技術(shù)需要對現(xiàn)有LCD生產(chǎn)制造工藝流程進行改良，需要合成新的材料，在利用精密的微加工技術(shù)來制作光學模具和器件的同時，需研發(fā)專門的軟件和圖形圖像算法來優(yōu)化3D效果和滿足用戶對片源和應用的需求。為使3D圖形圖像處理負載均衡并保留未來完全獨立的3D顯示圖形圖像處理發(fā)展空間，需要設計專門的芯片。

　　2D/3D逐點技術(shù)的實現(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，因為眼鏡式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顯示的習慣和應用效果，SuperD研發(fā)了一種被稱為逐像素點2D/3D切換的技術(shù)(簡稱為2D/3D共融技術(shù))。它的特點是允許在同一個顯示面板上，同時顯示2D和3D內(nèi)容。比如：可以通過這種技術(shù)來顯示網(wǎng)絡點播的視頻，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、特殊設計的雙折射光學器件，它可以在一定驅(qū)動電壓下實現(xiàn)透鏡狀態(tài)的開關;2、專門針對這種光學器件的驅(qū)動電路，驅(qū)動電極的設計充分考慮了光學的干涉效果，從而達到完全不影響畫面效果;3、針對這種光學器件的逐像素點的2D/3D驅(qū)動，來實現(xiàn)3D區(qū)域的開關、移動、縮放等功能。

　　圖1中標記為“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)最大的應用領域為互聯(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，繼續(xù)使用2D下的功能。因為互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到生活、生產(chǎn)的各個領域，通過互聯(lián)網(wǎng)我們可以動員大家利用大量資源來制作、傳播和共享3D內(nèi)容以及3D應用，這反過來又將極大地推動3D顯示技術(shù)的發(fā)展，因此2D/3D共融技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)的支持是一個非常良性的循環(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，同時又推動了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，在一定的空間范圍內(nèi)會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?？吹?D效果，而B位置看到的3D效果卻是錯誤的。因為兩個眼睛所看到的圖像存在著交換，這就造成了3D層次感與應該表現(xiàn)的層次感完全相反的效果。而人眼又不能自動調(diào)節(jié)這種相反的效果，因而造成了嚴重的頭暈現(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，觀眾會發(fā)覺本應處在遠處的物體反而離自己更近，本應處在近處的物體卻離自己更遠，跟我們平時的生理習慣形成很大反差。

　　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)還只能針對單個觀眾。頭部跟蹤技術(shù)本身是可以跟蹤多個用戶的，但由于存在顯示面板刷新率和分辨率的局限，還不適合多個用戶同時使用。這也是該技術(shù)被首先應用到筆記本電腦和其他移動設備上的原因。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，并且是用一個攝像頭來完成的。這是目前很多頭部或者人臉跟蹤技術(shù)所達不到的。

　　此外，頭部跟蹤技術(shù)目前除了可以解決單個用戶的觀看區(qū)域受限問題外，還可以用來處理很多其他應用，比如與顯示設備的交互，在游戲控制中用來增加游戲的可玩性，用眼睛控制鼠標來實現(xiàn)與應用軟件的交互等。因為SuperD所采用的頭部跟蹤技術(shù)可以用一個攝像頭來獲取空間位置，所以也可以把它用在測量領域。

　　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，同時也會根據(jù)圖像內(nèi)容的不同而調(diào)整并控制屏幕的光學設計部分。在圖像數(shù)據(jù)通路之中，芯片會自動檢測圖像的格式，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，從而實現(xiàn)無縫接入和處理。與此同時，同步控制邏輯也會在預先設定好的工作模式下，根據(jù)圖像2D/3D區(qū)域來控制屏幕雙折射光學器件的驅(qū)動電路，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，并已針對不同種類的3D內(nèi)容格式內(nèi)置了對左右格式、上下交錯格式等的支持。對于上層軟件而言，這種多格式支持只需通過使用相關配置接口對3D芯片進行配置即可完成，因此，這種動態(tài)配置的實現(xiàn)使得上層軟件可以直接操作硬件資源和擴展應用范圍。

　　在圖像的處理上，SuperD的3D芯片采用的獨特設計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，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。

　　運動視差技術(shù)的實現(xiàn)

　　要得到立體視覺效果，除了通過兩個眼睛分別采集具有視差的圖像供大腦合成立體視覺外，還有一個重要的單目立體因素，那就是運動視差效果。運動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動方向上和速度上的差異。圖5是描述運動視差的示意圖。

　　從圖5中我們可以看到，當觀看者位置發(fā)生變化時，應該看到不同的物體側(cè)面，并且距離觀看者遠近不同的物體發(fā)生的相對位移也不一樣。集成運動視差現(xiàn)象的應用可以很明顯地提高用戶的沉浸感。目前有些2D顯示下的應用也開始考慮運動視差現(xiàn)象，以此產(chǎn)生一種虛假的立體感覺來提高應用的吸引力。

　　SuperD通過把運動視差技術(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動視差的3D顯示技術(shù)。目前該技術(shù)還主要用于游戲應用中。因為現(xiàn)在的游戲開發(fā)方法本身就包含了對場景的三維描述信息，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時地修正游戲場景的矩陣信息，以此產(chǎn)生對應不同視點位置下的不同渲染效果，使用戶形成運動視差的感覺，從而提高3D顯示技術(shù)的沉浸感。圖6是運動視差與3D顯示相結(jié)合的示意圖。

　　在圖6中注意觀察兩個立方體的顯示變化。這里3D顯示設備除了提供根據(jù)觀看者位置而新生成的對應該位置的3D圖像外，還把3D圖像按照運動視差要求進行處理。Z軸優(yōu)化

　　如何讓模擬出來的3D世界與真實的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)需要進行改進。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、光學設計參數(shù)和待表現(xiàn)的場景類型等信息，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效果會更適合當前條件下的顯示，這就是動態(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)更加適應人們的生理習慣。

　　本文小結(jié)

　　裸眼3D整體解決方案是一個全面的方案，SuperD公司在光學與材料研發(fā)、工藝研發(fā)、芯片和電子工程、圖像工程、3D視覺及3D應用等多方面都進行了深度的研發(fā)。該方案將被廣泛應用于筆記本電腦、互聯(lián)網(wǎng)、3D影視等各類產(chǎn)品上。