3DTV的立体显像技术

韩振雷

（山东理工大学 计算机科学与技术学院，山东 淄博 255049）

1 立体成像的基本原理与特点

视差是3D成像技术的基础，有一定视差的左眼和右眼图像在大脑中“合成”后，就可形成具有一定深度感的立体画面。在纵向空间上，中间的物体基本呈现在屏幕层面上，而其前后的物体则游离到了屏幕之外，这一现象叫出屏，近端的物体处在屏幕和观众之间，远端的物体则朝屏幕的另一方向呈现为出屏状态[1]。

景物是否出屏以及出屏的方向取决于三维摄像机两个镜头会聚点的具体位置。镜头的会聚点（Conver⁃gence）即两个镜头光轴的相交点，多数情况下在镜头的景深范围之内，偶尔也可根据造型需要，处于景深范围之外。在需要佩带立体眼镜的显示终端上，处于镜头会聚点上的景物用裸眼看是叠印在一起的，呈现为清晰的图像。而处在镜头会聚点之外的景物，两个镜头摄取的影像用裸眼观看时则呈现为类似重影的分离状态，景物离镜头的会聚点越远，两个影像也离得越远。当带上立体眼镜观看时，处于镜头会聚点上的景物处于屏幕的平面上，而处在镜头会聚点之外的景物，看上去则是出现在屏幕的前面或后面的空间中。基本规律是：在镜头会聚点前端的景物向屏幕前方出屏，在会聚点后方的景物向屏幕后方出屏，并且拍摄时景物离镜头的会聚点越远，出屏的距离也就越远。会聚点分别在前景和后景位置时，用裸眼及佩带立体眼镜观看的影像效果分别如图1和图2所示[2]。

2 出屏原理及出屏距离的控制

假设两个镜头的会聚点大约在成像面上，物体A在会聚点的前方。这样两个镜头摄取的影像就交错地处于成像面上，右侧镜头摄取的影像（Cam AR）在成像面的左侧，左侧镜头摄取的影像（Cam Al）在成像面的右侧，如图3所示。

图4给出了3D显像时景物的成像特点及出屏效果。左侧摄像机摄取的影像出现在屏幕的右侧，右侧摄像机摄取的影像再现在屏幕的左侧。两个影像分别进入观众的左眼和右眼，经大脑视觉神经处理后，合成影像呈现在两眼视线相交的屏幕前方某一位置（这和将食指垂直地放置于两眼正前方，然后两只眼睛快速地轮流睁闭所看到的情况是完全一样的）。如果两眼间的瞳距（Eye Wide）和摄像机的镜距（Cam Wide）相等（约为6～7 cm），且眼睛和屏幕两侧形成的夹角β与摄像机镜头与成像器两侧边之间形成的夹角α相等，那么场景的深度感和物体A的出屏距离将和实际拍摄时的情况完全一致。

在实际观看立体影像时，有时会感觉场景的纵深感不足，处在近景位置上的景物出屏不够，达不到“触手可及”的状态。出现这种现象的根本原因有两个：一是图4中眼睛与屏幕的夹角β小于图4中镜头与成像器的夹角α；二是播放时两个镜头摄取的影像在屏幕上的间距不够大，即Ima AR和Ima AL的距离不够远。解决的办法有多个：前期拍摄时可适当增加镜距（最大可增至12 cm），并让前景位置欲形成出屏效果的景物尽量接近镜头（可近至30～50 cm）；再者，在播放时采用尽可能大的屏幕，条件允许时采用较近的观看距离；另外，在立体影像的制作过程中，适当添加一些反映播放环境的参数（如屏幕大小、观看距离及瞳距等），也有利于保证影像的立体效果[3-4]。

除上述因素外，画面的许多艺术因素对立体效果也非常重要，例如物体运动的速度和方向，镜头前各景物的空间层次以及物体出屏的位置和方向等。

3 3DTV的两种立体显像技术

由于立体视觉是基于视差而来，因此要实现立体显示，必须以人工方式重现视差，使两只眼睛分别看到来自不同视点的影像，从而还原出立体视觉。根据工作原理不同，立体电视显示技术有被动式与主动式两大类。

被动式显示技术基于偏光原理形成立体影像，需佩带偏光式3D眼镜。偏光式3D眼镜让左右眼的影像分别通过左右两个镜片，借助左右影像的视差形成立体画面。偏光式3D眼镜的左右两个镜片上面涂有类似百叶窗般可分离不同方向偏振光的偏光膜（Retarder Film），可挡住与偏振方向垂直的光线，只让与偏振方向平行的光线通过。

偏光式立体显示目前有两种类型——线偏振式和圆偏振式。圆偏振是新一代偏振技术，两个镜片一个向左呈圆形旋转，一个向右呈圆形旋转，不必像线偏振那样保持“横平竖直”的状态，可实现全方位观看立体影像。目前，基于被动式立体显示技术的液晶立体电视多采用隔行式圆偏振技术，其基本原理是在液晶屏幕上贴上一层偏光膜，使其奇、偶行发出的光线分别偏光正负45°，形成交错排列的垂直与水平偏振光，即奇、偶行发出的光线呈垂直偏振关系。与之配套的两个镜片上也分别贴有水平和垂直偏光膜，左眼镜片过滤偶数行的光线，只让奇数行的光线通过；右眼镜片过滤奇数行的光线，只让偶数行的光线通过。由于奇数行的影像来自立体摄像机的左镜头，偶数行的影像来自立体摄像机的右镜头，所以左右两眼看到的是分别来自两个镜头的具有一定视差的影像，二者合成后即为立体影像。这种偏光式立体3DTV显示技术属于交错显像模式（Interlacing Display Mode）或行交错格式（Row Interlaced Format），又叫左右眼逐行（Line-by-line）显示方式[5]。

主动式基于快门原理形成立体影像，是一种帧兼容平面立体视觉系统（Frame Compatible Plano-Stereoscop⁃ic System），DVB组织近日发布的3DTV商业指标草案就是针对这种主动式显示技术的。

液晶快门（LCS）眼镜属于通过眼镜本身的动作实现立体显示的主动式快门眼镜，其基本原理是运用电场控制液晶的透光状态，以每秒50次（PAL制）或60次（NTSC制）的频率交替遮蔽进入两眼的光线。播放时，只要交替显示来自3D摄像机左右两个镜头的画面，在立体同步信号的控制下，让液晶快门眼镜与画面同步动作——屏幕上出现左眼画面时，右眼镜片关闭，左眼镜片呈透光状态；屏幕上出现右眼画面时，左眼镜片关闭，右眼镜片呈透光状态。这就是主动式立体显像技术的基本工作原理。因为是基于空间复用（Spatial Multiplex）原理，左右眼图以交替的帧顺序依次显示，工作特点颇似翻动书本的页面，所以这种使用主动式快门眼镜的立体显像方式又叫帧序式（Frame Sequential）或翻页式（Page-Flipping）显示技术，本质上属于时分（Time Divided）显示技术。

图5、图6给出了帧序式立体显像的基本原理与特点。首先将立体摄像机拍摄的左右眼画面按特定格式进行编码，然后通过时分技术使左右眼画面按帧顺序交错排列（见图6），在显示终端，液晶快门眼镜在立体同步信号的控制下，左右眼镜片依次打开，使两个眼睛分别看到来自摄像机左右两个镜头的画面（见图6），最终实现立体影像的还原[2]。

这种基于时分技术的立体显像方式，最大优点是左右眼看到的画面都是全分辨力的，和偏光式立体显像方式相比，可以实现全高清的高画质立体显像。另外电视屏幕上也不用贴偏光膜，简化了电视屏幕的制造工艺。但是，由于左右眼交替显像，实际作用于眼睛的画面刷新率将降低一倍，导致大面积闪烁现象。解决的办法是采用帧倍频技术，将显示设备的帧率提高1倍（PAL制提高到100 Hz，NTSC制提高到120 Hz）。如果三维摄像机本身支持高达120 Hz的帧速率，显示设备将不必采用帧倍频技术，但由于信号本身的数据流量增大了1倍，势必对信号的传输、存储等在技术和设备方面提出更高的要求，这也是主动式立体显像技术的1个缺点。

另外，液晶式快门眼镜必须接受同步信号的控制，以保证左右眼镜片正确开合。对同步控制信号和快门式眼镜的主要要求有：用红外线控制，灵敏度和可靠性要高，不得出现帧失落（Drop Frame）现象；镜片的明暗对比度要大，透光率要高，反应速度要快；另外，还要有伪立体（Pseudo Stereo）识别与反转功能。总体上，采用液晶快门眼镜的立体电视系统居于主流地位，最大优点是画面质量好，不足是眼镜及整个系统的造价偏高。

[1]Sony.3D成像技术原理[EB/OL].[2011-05-30].http://www.sony.com.cn/3d/index.html#technology/principle.

[2]Panasonic.Integrated twin-lens 3D camera recorder AG-3DA1[EB/OL].[2010-06-15].http://pro-av.panasonic.net/en/3d/ag-3da1/index.html.

[3]3D立体显示技术与成像的原理[EB/OL].[2010-08-01].http://www.hd.club.tw/thread-46269-1-1.html.

[4]3D立体电影制作原理[EB/OL].[2010-08-20].http://www.hd.club.tw/thread-46150-1-1.html.

[5]Stereoscopy[EB/OL].[2011-07-04].http://en.wikipedia.org/wiki/3D_glasses#3D_glasses.