目前，無需使用眼鏡即可觀看立體影像的裸眼式3維顯示器的研究開發(fā)勢頭正旺。本文將詳細(xì)介紹裸眼式3維顯示器的種類及工作原理。

      在開始介紹裸眼式三維顯示器之前，首先讓我們了解一下立體視覺的基本原理。立體視覺的生理性成因是什么，也就是說人是怎樣感知立體影像的？。主要有五個成因（圖1）。

      第1是水晶體的調(diào)節(jié)。當(dāng)人看近處的物體時水晶體會變厚，看遠(yuǎn)處的物體時則會變薄。通過對這一變化進(jìn)行認(rèn)知，人便獲得了立體感。

      第2是雙眼的輻輳角。當(dāng)觀看位于近處的物體時，眼球會發(fā)生傾斜，對于遠(yuǎn)處的物體，則是目光平行地觀看。人能夠通過這種眼球的角度（輻輳角）感知立體影像。

      第3是雙眼視差。由于右眼與左眼相距約65mm，由此導(dǎo)致右眼與左眼看到的景象會有若干差異。

      第4是單眼的運動視差。人在看運動物體時，能夠獲得立體感。

      第5是取像效果。該效果基于人在觀看非常大的畫面時可獲得立體感這一生理現(xiàn)象。

      在這五個成因中，效果最大的是雙眼視差。因此，應(yīng)用雙眼視差的三維顯示器開發(fā)勢頭正旺。

      關(guān)于實現(xiàn)方式，大致可分為2視點和多視點方式。只能在正面觀看的成為2視點方式，在2視點基礎(chǔ)之上增加視點的方式稱為多視點方式。后者的光線空間方式一般被稱之為全景（Integral）方式。

      其中，多視點方式及全景方式存在運動視差，其特點是，如果橫向移動頭部，則可看到環(huán)繞的圖像。多視點方式及全景方式看到的圖像幾乎相同。

      在多種多樣的裸眼式立體視覺顯示器中，最先開始開發(fā)的是2視點（雙眼）方式。最先投放市場的也是雙眼方式，因此可以說雙眼方式一直領(lǐng)先其他方式一步。繼雙眼方式之后，多視點（多視點）方式、全景（光線空間再現(xiàn)）方式、以及視點數(shù)更多的超多視點方式相繼被研發(fā)出來。

按照不同的對象采用不同的方式

雖然裸眼式包括許多種類，但這些種類只是開發(fā)對象不同，基本構(gòu)造等可以說是相同的。這是因為，無論是雙眼、還是超多視點，基本構(gòu)造都是通過在液晶面板上設(shè)置多透鏡（Lenticular Lens）及格柵等來分離圖像的，其基本思路是相同的。

      那么，為什么又會出現(xiàn)多種方式呢？這是因為根據(jù)開發(fā)重點是放在顯示的清晰度上、還是放在平滑的3維顯示上等不同的開發(fā)目標(biāo)而導(dǎo)致的。筆者認(rèn)為目前還無法斷定是兩視點更好還是超多視點更勝一籌。人體工程學(xué)也沒有明確地給出答案。盡管經(jīng)常聽到“立體顯示器累眼”的批評，但為了消除這種現(xiàn)象，是增加立體影像信息好呢，還是需要重視畫質(zhì)，這個問題目前也還沒有明確的答案。

      在開發(fā)實例中，采用雙眼顯示及多視點顯示、或者采用光線空間再現(xiàn)的居多（圖3）。如果更詳細(xì)地進(jìn)行劃分，則雙眼顯示包括：配合頭部的運動、影像的顯示也隨著同步移動的頭部跟蹤（Head Tracking）方式，HDDP方式，掃描式背光板（Scan Backlight）方式等。多視點顯示方面有階梯格柵（Step Barrier）方式以及傾斜透鏡方式的開發(fā)先例。光線空間再現(xiàn)也有多種方式，目前不同的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)都冠以各自的名稱進(jìn)行開發(fā)。關(guān)于這些方式的工作原理，將在后面予以介紹。

提升市場需求

      讓我們來看看近年來裸眼立體顯示器的開發(fā)動向。與裸眼立體視覺相關(guān)的研究，旨在平滑顯示立體視覺影像。多視點、高密度指向性顯示等通過增加視點數(shù)來實現(xiàn)更自然立體視覺效果的顯示器，是目前的開發(fā)趨勢。依筆者近10年來從事多視點式立體顯示器市場開拓的經(jīng)驗來看，筆者感到找到需求至關(guān)重要。以前，將開發(fā)出的多視點式顯示器拿給用戶看時，經(jīng)常會聽到“這是什么？畫質(zhì)真差”的疑問聲。

      為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？事實上，目前對裸眼立體視覺的需求并不大。如果電影等會在電視上播發(fā)的話，也許會產(chǎn)生需求，但目前的實際情況是需求很少。在沒有需求的時候拿出開發(fā)品讓人評斷的話，那么消費者自然會首先拿來與2維影像的畫質(zhì)進(jìn)行比較。給看著2維影像的人看立體影像，結(jié)果只會是被指責(zé)畫質(zhì)差。

      從這個意義上來說，提升市場的需求至關(guān)重要。近期電影界在3D電影方面的舉措變成了起爆劑，各廠商都在加緊開發(fā)3維顯示器商品。所以有內(nèi)容才是最重要的。筆者到目前為止大約15年時間都在從事3維顯示器業(yè)務(wù)，毎年都聽著“今后是3維時代”的論調(diào)進(jìn)行開發(fā)。然而，現(xiàn)實社會并沒有出現(xiàn)3D熱潮是不爭的事實。但是，這次則不同。產(chǎn)業(yè)界被電影界的舉措而觸發(fā)。有了內(nèi)容，電子產(chǎn)品廠商自然會隨之跟進(jìn)，現(xiàn)實社會也出現(xiàn)了“3維時代終于來臨”的輿論。

      如此想來，裸眼式立體顯示器不必一步到位地執(zhí)著于技術(shù)難度較大的多視點方式，而應(yīng)從雙眼方式循序漸進(jìn)地逐漸啟動市場。盡管雙眼方式存在著只能從正前方看到立體影像的問題，但如果將目標(biāo)鎖定在有需求的消費者身上，那么市場就會形成。

      那么，企業(yè)設(shè)想的3維顯示器應(yīng)用都包括什么呢？如果不限于裸眼方式的話，那么應(yīng)該包括電影、彈子機(jī)以及游戲之類的娛樂領(lǐng)域。在信息通信領(lǐng)域，輔助設(shè)計、互聯(lián)網(wǎng)以及電視等會存在3維顯示器的用途。在醫(yī)療領(lǐng)域也值得期待，例如，拍攝立體影像信息用于手術(shù)等。筆者認(rèn)為，3維顯示器還適用于檢查眼睛功能的裝置以及圖像診斷等。此外，可能還適用于藝術(shù)及廣告類領(lǐng)域。

      無論是哪種用途，如果3維顯示使得畫質(zhì)變差，那么，對于看慣了清晰畫面的用戶而言就會感到欠缺。筆者認(rèn)為，顯示清晰度與視野范圍的平衡至關(guān)重要。確保最低限度的顯示清晰度，并在此基礎(chǔ)上盡量擴(kuò)大可視范圍的挑戰(zhàn)十分重要。

眼3D：起步于雙眼顯示，挑戰(zhàn)高畫質(zhì)大范圍觀看（二）

雙眼視差格柵（Parallax Barrier）方式

  下面，將從技術(shù)上對裸眼式3維顯示器作一介紹。首先，讓我們來看擁有大量應(yīng)用實例的雙眼視差格柵方式的基本構(gòu)造（圖4）。與普通的液晶面板一樣，液晶面板的背面配置有背照燈。在液晶面板上交互顯示R（右眼用）及L（左眼用）圖像。如果在該液晶面板上設(shè)置起遮光板作用的狹長切口（例如，縱向條狀遮光板），則上述交互顯示的右眼圖像將會只到達(dá)右眼，左眼圖像只到達(dá)左眼。對于位于畫面正前方的觀看者而言，由于產(chǎn)生了雙眼視差，結(jié)果便能獲得立體視覺。

  雙眼視差格柵方式的3維顯示器的設(shè)計流程如下?？紤]在液晶面板的像素及其上面配置視差格柵，設(shè)液晶面板的間距為P，視差格柵的間距為Q，液晶面板像素與格柵開口部的距離為G。另外，設(shè)從視差格柵的觀看距離為D，眼間距離為E。

  此時，從圖4中的A點線可以看出，形成了相似三角形。在該相似三角形中，E：P＝D：G的比例式成立。下面，讓我們來觀察圖4中的B點線形成的三角形。此時，在三角形內(nèi)Q：D＝2P：（D＋G）的比例式成立。滿足該比例式，便意味著可通過在液晶面板上設(shè)置視差格柵來獲得立體視覺。例如，從圖4中①像素射出的光通過視差格柵后，則成為圖4中的E實線。同樣地，從圖4中②像素射出的光成為C實線，從圖4中③像素射出的光成為D實線。

  事實上，必需解決串?dāng)_（Crosstalk）問題。為了使觀看者能夠清晰地觀看圖像，我們希望分離圖4中的①②③。然而，實際上由于光會擴(kuò)散，因此，有時未完全分離而產(chǎn)生串?dāng)_，最終表現(xiàn)為疊影。

  這是立體顯示器性能上的問題。雖然開發(fā)人員為了減少串?dāng)_而進(jìn)行了設(shè)計，但又使得液晶面板與視差格柵的干涉條紋變得顯著，從而出現(xiàn)了云紋（Moire）。僅僅分離圖像，也會產(chǎn)生各種問題。

雙眼多透鏡方式

  設(shè)置多透鏡來取代格柵，也能通過透鏡的折射來分離圖像。這一原理可通過圖5來說明。在液晶面板上顯示R（右眼用）及L（左眼用）圖像，通過多透鏡使像素在空間成像。

  像雙眼視差格柵方式一樣，讓我們用比例式來表示。相當(dāng)于在相同的比例式中增加了透鏡成像的算式。設(shè)液晶面板像素與多透鏡的距離為G，從多透鏡的觀看距離為D，再加上多透鏡的f值，則可表達(dá)為：

1/D＋1/G＝1/f

  適當(dāng)?shù)卦O(shè)計f值，就能清晰地分離圖像。然而，必需考慮到液晶面板的黑色矩陣（Black Matrix）現(xiàn)象。液晶面板存在被稱為黑色矩陣的、完全不透光的黑色區(qū)域。由于該區(qū)域同樣通過多透鏡成像，因此會反映到觀看者的眼中。如果觀看者橫向移動頭部，雖然有些地方圖像清晰可見，但有的區(qū)域卻是漆黑一片，看不到圖像。

  出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，會使觀看者產(chǎn)生不適感，因此，在配置多透鏡的情況下使成像的焦點不完全重合，借此虛化黑色區(qū)域的應(yīng)用實例相當(dāng)多。此外，近年來還開發(fā)出了不將多透鏡垂直于像素配置，而是采用略微傾斜設(shè)置的方法。這種故意使像素相關(guān)的做法，可實現(xiàn)消除云紋的設(shè)計。

解決清晰度變差以及觀看范圍較窄的問題

  下面介紹一個雙眼顯示技術(shù)的開發(fā)事例。如果觀察各廠商的舉措會發(fā)現(xiàn)，雙眼顯示技術(shù)的一個開發(fā)方向是重視與2維顯示的兼容性。也就是保證在2維顯示時清晰度不會變差。

  例如，在視差格柵中設(shè)置開關(guān)功能。夏普已將此技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品中，其他廠商進(jìn)行開發(fā)的例子也相當(dāng)多。另外，還有一種方法是使液晶面板具有2倍的清晰度。這就是NEC液晶科技正在開發(fā)的名為HDDP構(gòu)造的技術(shù)。此外，三菱電機(jī)正在開發(fā)一種在光源上設(shè)置指向性功能、以倍速順次（Sequential）顯示的技術(shù)。筆者所屬的開發(fā)小組，正致力于開發(fā)一種采用階梯格柵構(gòu)造、以減輕清晰度變差的顯示方法。在采取清晰度變差對策的同時，還有試圖解決只能觀看正前方影像的這一觀看范圍狹窄難題的技術(shù)。例如，通過檢測觀看者的位置來控制顯示器的方法。三洋電機(jī)以及德國SeeReal Technologies等廠商一直在進(jìn)行這方面的開發(fā)。

通過像素分割以及背照燈的指向性實現(xiàn)高畫質(zhì)

接下來讓我們仔細(xì)分析上述所說的各種相關(guān)技術(shù)。首先是NEC液晶科技開發(fā)的HDDP構(gòu)造。HDDP是Horizontally Double-Density Pixels的縮寫。普通像素為正方形，相對于正方形，RGB采用縱向條狀構(gòu)造。而HDDP構(gòu)造的特點是，RGB采用橫向條狀構(gòu)造（圖6）。另外，為了立體顯示用，還要將橫條進(jìn)行分割，分配給右眼用像素及左眼用像素。橫向上具有2倍的像素密度。顯示普通2維圖像時，向右眼用像素及左眼用像素輸入相同的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行立體顯示時，則分別輸入右眼用圖像及左眼用圖像。左右各自的圖像采用多透鏡進(jìn)行左右分離，從而使人能夠得到立體視覺

  下面介紹三菱電機(jī)開發(fā)的掃描式背光板。其特點在于使得背照燈具有了指向性。背照燈的導(dǎo)光板配備了右眼用LED及左眼用LED。當(dāng)右眼用LED發(fā)光時，通過棱鏡片（Prism Sheet）控制光的指向性，使其只能被觀看者的右眼看到（圖7）。相反，當(dāng)左眼用LED發(fā)光時，通過棱鏡片使光分離到與上述不同的方向，使其只能被左眼看到。如果像這樣使背照燈的亮燈動作交互地高速進(jìn)行切換，并且與此同步地在液晶面板是顯示相應(yīng)圖像，則可實現(xiàn)立體視覺。要想清晰地進(jìn)行顯示，則必需以2倍速顯示影像。這樣做雖然技術(shù)難度會提高，但畫質(zhì)則完全不會變差。