爱华网立体显示，梦想与现实
北京东方广场E1楼15层某间接待室里，汽车从液晶显示屏中呼啸而出，冲到你的鼻子前；直升机在液晶显示屏外升降盘旋；澳门葡京大酒店的骰子在空中飞舞；盛开的鲜花伸到了液晶屏之外直送到你的胸前曾经需要戴上专门欣赏立体电影的红蓝镜片才能欣赏到的立体影视效果，现在用我们的肉眼就能看到。 为什么我们人类双眼看到的世界是立体的世界？这是因为人眼的结构就像是一个透镜，外界的景物通过这个透镜在视网膜上形成一副图像。由于我们有两只眼睛，同一个物体就在我们的左右两只眼睛分别显示出一个平面图像。这两副图像出自同一个物体，非常相似，但又有所不同，因为两眼的观察角度并不相同。接下来，大脑便会根据这些信息来判断出物体的远近位置，这也就是我们能看到三维立体图像的原因，在科学上也被称为“双眼视觉差异（binocular disparity）”。 立体图像一目了然，生动而形象，因此人类一直梦想着能够得到立体效果的图片与影像。从公元前 280年人类提出立体概念，到1849年，戴维·布鲁司特发明了立体照相机和双镜头的立体观片镜，再到1939年纽约世界博览会出现采用偏振光立体成像技术的第一座大型立体电影院，一直到20世纪60年代“光栅”（有一面被挤压成圆柱形线条，一面为完整平面的材料，圆柱形线条间距相等）技术的出现为立体显示打开了新的大门，追逐这一梦想人类至少用了2200年的时间。aihuau.com 但是我们接触最多的仍然是二维的图片、图像。今天，环视我们现在看的电视、使用的手机屏幕、显示器等各种显示设备，依然只能展示二维平面的效果。虽然计算机的发展，3DSMART等立体软件的出现，借助显卡可以在计算机上生成有深度的立体效果图，但是这些立体效果只是利用近大远小、明大暗小等视觉感受来实现。换句话说，就是利用我们长期积累的日常经营形成了关于“立体”的幻觉。但是那些物体依然被限制在电视机、手机屏幕以及电脑显示器的框架之内，没有冲出显示设备、悬浮在空中的直观立体效果，不是真正的立体显示设备。 立体电影早在上世纪就已经出现，但是需要我们戴上红蓝滤光眼镜。这种眼镜可以让左、右眼分别只看到对应的图像，而将不需看到的另一组图像过滤掉。这样，人眼就能够根据图像视角的不同，形成立体的视觉效果。但是离开眼镜，只用我们的肉眼，是无法看到立体效果的。 几年前，为数不少的计算机曾配备过一种专门的3D眼镜，用户戴上这种3D眼镜，再配合相关软件，就可以看到非常真实的三维效果。不过，这种3D眼镜是由两片液晶片组成的—只要我们给液晶加上一定的电压，就可以改变其分子排列从而达到阻挡光线通过的目的，使左眼看到左边的图像，右眼看到右边的图像。但是这种方法的一个缺陷仍然是依赖眼镜，另一个缺陷是由于两幅画面变成一幅，如果保持显示器刷新率不变，那么合成后的立体画面的刷新率就只有原来的一半了，这样造成由于画面剧烈闪烁看的时间长会导致头晕的现象。 不过随着技术的不断发展，从2000年开始，不需要借助眼镜等外在工具，直接用裸眼观看具有立体效果的图像已然成为现实。 立体显示，百花齐放 所有立体显示技术的关键是解决怎样让一幅图像生成两个略有差别的图像，并把这略有差别的两幅图像分别投送到我们左右两个眼睛的问题。这个问题看起来很简单，但是解决起来却很不容易。随着20世纪60年代“光栅”技术的出现，研究人员开始利用这种技术研究直接用眼睛就能得到立体效果的显示设备。半个世纪过去了，这类显示设备终于发展相对成熟了，我们用裸眼就能看到突出显示器、漂浮在空中的逼真的立体显示效果。 目前，立体显示设备居于世界前列的大致有美国的DTI公司、飞利浦、夏普、三洋电机、三星与美国的Actuality System公司。大致形成了DTI的“自动双重拷贝（Auto stereoscopics）”技术，飞利浦-夏普公司的技术，三洋电机的“图像分割棒（Image Splitter）”技术，三星电子的“多透镜”技术。 美国的DTI公司，1986年由Jesse Eichenlaub与Arnie Lagergren两人共同创立。在20世纪80年代后期，就开发出可提供3D视觉效果的专业LCD显示器，赢得不少专业客户的青睐。这些客户包括NASA（美国国家航空航天局）、美国国防部以及大型研究开发中心等等。2000年，DTI公司发布第一款针对民用市场的“平价”15英寸3D显示器产品—2015XLS。在当时，这款产品的推出引起相当的轰动，它可以让三维空间真实浮现在眼前，屏幕上显示的三维物体甚至会给人以浮现在屏幕之外的感觉，甚至会让人觉得触手可及。有幸体验过该款产品的用户都说，“迎面开来的汽车好像冲到了自己的鼻子前”。 DTI是怎样实现这种立体显示效果呢？它将LCD的像素矩阵分成奇数列和偶数列，奇数列上只显示左眼可以看到的图像，偶数列则显示专门针对右眼的图像，人脑根据这两幅图像的微小差异来获得三维视觉感受。如何让奇数列的图像只进入左眼，让偶数列图像只进入右眼？答案在于DTI 3D显示器所采用的特殊结构。 牋牋 众所周知，LCD显示器无法自主发光，它要实现显示就必须借助背光将像素照亮才行，如果背光照不到，屏幕就会呈现黑屏状态。如果能够精确控制背光的射向，再加上光学设备的辅助，就可以实现奇数列图像和偶数列图像分别被左眼和右眼所看到。DTI沿着这个思路，在标准LCD背光板与LCD液晶板之间添加了一个额外的光学仪器TN板（Twisted Nematic扭曲向列型），该TN板上的垂直区块会根据显示任务的情况来照亮奇数或偶数的区块，并以每秒60帧的速度高速刷新。此外，在TN板与LCD板之间还有一个特殊的透镜单元，通过透镜的折射可以让指定的图像进入到左眼或者右眼。这样，我们的大脑就会以为是在看一个具有深度的真实世界。 飞利浦-夏普公司的技术方案同样采用TN板液晶开关来控制背光的通断，但两幅图像产生的机理以及透镜的位置都与DTI的3D LCD方案有所不同。 飞利浦-夏普的3D LCD显示器的关键部分可以分成四层结构：最上部为关键的光学凸透镜层，接下来是顶部玻璃基板、LCD单元层和底部基板。从正面来看，所看到的就是纵向密布的许多凸透镜柱，它们紧密地附着在顶部玻璃基板上。LCD单元层中每一个格子代表一个像素，每个像素又包含一定数量的子像素。而每个像素表示的是所显示物体的一个立体点，会分别落在观察者左眼或右眼上。由于光学凸透镜的焦距刚好落在LCD单元层上，这样，外界的平行光线经过凸透镜后可以聚焦在LCD单元层，光线的方向不同、聚焦在LCD单元层上的位置就不同。根据光路可逆原理，每个LCD像素所发出的光经过凸透镜的折射后都会变成可进入人眼的平行光。不同子像素发出的光线方向不同，通过对透镜的精确设计可以让这些光线分别被用户的左眼或右眼所观察，这样用户就可以看到非常真实的立体效果。 在2004年3月份召开的CeBIT展上，飞利浦展出了它的概念产品。不过夏普在商品化方面领先一步，在同年6月11日，夏普公开发布一款型号为“LL-151D”的15英寸3D LCD显示器，该款产品的售价大约为人民币7000元左右。 三洋电机没有遵循DTI和飞利浦-夏普采用液晶开关遮挡画面的做法，而是在画面上设计多个条状遮光的“图像分割棒（Image Splitter）”，使用户的右眼和左眼分别只能看到指定的图像。与其它厂商不同的是，三洋电机开发出专门的“头部跟踪系统”，可以自动侦测到用户头部的位置，并且根据反馈信息来调整“图像分割棒”，这样即使用户的头部移动到了3D可视区域之外，显示器也会自动调整“图像分割棒”的开口，让用户获得不折不扣的立体视觉。 三洋电机还将图像分割棒和液晶面板在纵向上分为16个区域，根据用户所处的位置来调整各个区域的图像分割棒以及液晶面板，使得前后方向的立体可视范围也得到了扩大。 2001年9月份，三洋电机宣布成功开发出15英寸的3D显示器产品，并于2002年4月完成样品的试制。2003年3月份，三洋又成功将这项3D显示技术应用到50英寸等离子显示器身上，不过与PC显示器的LCD方案不同，它并不是只显示右眼用和左眼用的两组影像，而是可以同时显示分别在四个视点拍摄的影像。这样，即使任意改变观看的位置，总会有两个最佳视点的影像分别进入左眼和右眼，形成立体视觉。 三星公司借助多透镜（lenticular lens）技术来控制左右图像的射向。多透镜屏由一排垂直排列的半圆形柱面透镜组成，由于每个柱面镜头的折射作用，使右眼图像聚焦于观者右眼，左眼图像聚焦于观者左眼，由此产生立体视觉。 三星公司多透镜的特点是产生的图像丰富真实，较适合大屏幕显示，加之运用最精密的成形手段，可使每个透镜的截面达到微米级，可支持更高的分辨率。而借助先进的数字处理技术，又可以将色度亮度干扰大为减少，有效提高立体图像的质量。这些技术手段，使制造出基于多透镜技术的高清晰立体电视机成为可能。 2004年4月份，三星电子展出了21英寸3D LCD显示器。借助微透镜阵列，显示器居然提供多达16个视点（水平、垂直方向各4个），可视范围大大扩展，但是图像清晰度非常低，效果不是很好。 Actuality Systems公司开发的“Volumetric 3-D Display”与以上各家公司的都不相同。这是一种可以360度全景任意观看的3D显示器。牋“Volumetric 3-D Display”的主体部分是一个直径为10英寸的球型显示器，我们可以从任意角度（水平 360度，垂直270度）观看完全虚拟现实的真实效果。使用一套特殊的光学机械系统实现立体显示，所显示的3D图像由9000万像素构成。据了解，生成这样真实的3D物体需要使用专门的渲染算法。这款产品的售价高达45000美元，这是不包含软件开发套件和安装费用的价格。
电视与显示器的第三次革命 人们一度以为，图片、图像未来的发展就是达到电影级的渲染效果，油画般的质感。但是立体显示器的出现，使人们改变了看法，认为电视与显示器的终极应该是数字立体显示。如果说从黑白电视到彩色电视是第一次革命、从CRT电视到平板电视是第二次革命，那么立体电视机的出现，将是电视发展的第三次革命。同样，这也是显示器的第三次革命。 根据中国信息产业部公布的数据，2006年，全世界电视机产量是，手机产量11亿部，显示器1.9亿部。即使按照1台电视机1000元人民币、1部手机1000元人民币、1台15英寸液晶显示器1000元计算，这也涉及到一个以千亿为单位的市场。 更重要的事，这次立体显示革命，不仅涉及电视机与显示器这些实现立体显示效果的终端设备，还涉及立体摄像机、数据压缩与解压缩技术、数据传输、后期制作软件等等方面的技术。对这些技术的突破过程，就是专利形成与积累的过程，就是未来世界3D标准的形成与制定过程，即使未来不用亲自操刀生产3D产品，依然可以坐享专利使用费用。在企业竞争的丛林中，高踞食物链顶端的是那些制定标准与游戏规则的公司，其下是重视管理、经营有方的公司，最下是出力打工的公司，这就是所谓的“一流公司做标准，二流公司做管理，三流公司做生产。” 正是看到立体显示的巨大市场，目前除了非洲大陆之外，各国的3D研究如火如荼地进行着。鉴于立体显示技术涉及到光学、微加工工艺、电子等多个领域，前期投入非常巨大，因此为了加快研制，各大厂商之间进行了横向合作。 2003年3月，夏普、索尼、三洋电机、伊藤忠商社、东芝五家厂商牵头，联合70多家日本知名电子制造商建立了日本的“3D联盟”。这个联盟的一个使命是加强3D研究的信息交流，另一个使命就是建立未来的3D标准，包括3D图像格式标准、内容制作指南及开发制作工具等等。目前该联盟已经有100多家厂商参加，飞利浦、DTI也加入了这个联盟。 美国与欧洲的厂商也加快了立体显示领域的研究工作。夏普的欧洲研究室早在2003年就提出了手机观看立体图片、图像的研究目标。 立体显示，并非一帆风顺 3D显示领域的进展非常快，目前居于领先地位的是飞利浦公司。借助液晶显示器积累的强大技术实力，飞利浦在3D显示器的实用化方面领先一步。不过，3D显示器目前的应用范围还比较狭窄，这是因为还有一些关键技术需要解决。
一是二维与三维转化问题。现在的立体显示器，由于采用光栅材料制作，从液晶显示器的正面看，是液晶板面下一排排密密麻麻的凸透镜。在这样的显示器中，平面的文字、图片看起来是花的，模糊不清楚。因此，如果想看二维的文字与图片，必须装一个正常的二维显示器。这样一台计算机就需要配备两台显示器，以分别观看二维与三维的内容。这样的转换非常繁琐，限制了3D显示器进入大众生活。
二是观看视角与距离受到限制。我们观看电视或者使用手机、显示器，至少在160度的角度内清楚地看到屏幕内播放的内容，而且不论远近，基本能够看清播放的内容。但是现在大多数3D产品，只能站在特定角度、特定的距离，才能欣赏到立体效果。目前只有飞利浦与中国香港的超多维公司的二代3D产品，可以让观众在160度视角内，在任意位置都可以看到清晰的立体图像。 三是目前3D显示器分辩率低，清晰度不高。我们在前面介绍过夏普-飞利浦、DTI的技术时，曾经说过这些公司的技术是将像素分派给左眼与右眼观看的。但是这导致横向分辨率下降一半。若一个像素由多个子像素组成，那么可能导致横向与纵向分辨率比例失调，使图像扭曲失真。 四是色彩饱和度不够。牋Actuality System 公司的牎癡olumetric 3-D Display”可以提供768×768的分辨率，但在最高分辨率下它只能显示出8种颜色，低分辨率下可以显示超过100种颜色。这样显示的内容色彩还原度不高，容易导致色彩失真。 五是立体摄像机需要至少两个镜头捕捉物体。这样产生的数据量非常巨大。按照理论计算，1000幅JPG格式的光栅立体图像文件的数据量为884M，将其编制成动态图像且按照每秒25帧的速度连续播放，所需时间为40秒。以此推断，一个60分钟的光栅立体电影文件的数据量大约为80G。怎样将庞大的数据进行压缩便于传输、接收，成为摆在研发人员面前的问题。 六是现在世界主要国家正处于从模拟电视向数字电视转化的阶段，已经为数字电视支付了数以千亿计的费用，还愿不愿意在未来的5年之内掏出巨额的银子来发展一套立体电视制作、传输与接收技术，这是个现实问题，因为依据现在的技术发展，立体电视真正投入民用，近则三、五年，迟则五到十年。那时候，除了美国、日本等少数国家外，可能多数国家还没有完全进入数字电视时代。 正因为这些因素，目前的3D产品，仅仅在一些特殊的领域使用。事实上，这些产品主要应用于图形工作站、户外广告展示、奢侈品展示。由于其突出显示器，可以逼真再现图片、图像的特点，还可以用来进行工程设计，比如我们可以一目了然地看清未来大楼的内部构造而不用看着图纸在头脑内想象；可以用来进行军事训练，模拟坦克、飞机、舰艇，对士兵进行各种地形、地貌进行遭遇战训练等等。 其实，虽然仅仅列了目前的这些应用领域，但是我们可以看到，无论是在民用还是军用领域，无论是在工程设计还是影视娱乐方面，3D显示技术都大有用武之地。我们可以想象，未来的5年，我们躺在家中的沙发上，看着电视上的歌舞演员飘出银幕，在自己家的客厅上唱歌、跳舞。听起来有些像童话中的事情，但是现在确实已经成为事实。 立体显示，上苍给中国的一次机会 黑白电视发明的时候，中国正陷于内战的深渊；彩电发明的时候，中国经济正处于封闭期；平板电视出现的时候，我们正在大力发展CRT电视。由于政治，由于短见，我们在电视与显示器的发展上落后了国际领先水平。虽然我们是世界上最大的电视机、显示器、手机生产国，但是我们没有一样不仰赖外来的核心技术，被迫交出利润换取专利使用费。在世界技术的革命中，我们只能花钱匆匆忙忙地购买一代又一代不断更新的生产线，用我们的人力与物质资源去换取别人的专利。 我们看到，平板电视的发展非常迅速。随便进一家电器店，热卖的都是平板电视。平板电视的生产厂商主要是日本、韩国与中国台湾的厂家。但是由于平板电视是上下游高度一体的行业，80%的配件需要在面板内合成，因此他们生产的面板主要供自己使用。2006年，平板电视占世界电视机产量的一半是。平板电视取代CRT，仅仅是一个时间问题。但是我们国内的几大电视巨头，在平板电视上毫无建树，在目前平板电视（液晶电视、等离子电视）取代CRT的潮流中，依赖引进技术的中国电视也可能要全军覆灭。 幸运的是，在21世纪初期，立体显示技术开始发展了。这一次国内外在这个领域的研究基本站在同一个起跑线上。中国在立体显示技术研究方面跟国际领先企业相差无几，甚至略有胜出。 清华大学自动化系、天津大学、南京大学这些高等院校，基本与国际同步进行立体显示技术的研究，其中清华大学自动化系宽带实验室，在戴海琼教授的领导下，主要研究立体摄像机成像技术、数据压缩与传输技术。在自动化系的宽带实验室，一个8*8摄像头组合可以拍摄立体图像，并即时呈现在从美国公司采购的立体显示器上。虽然立体效果不是很明显，但是这是一个突破。这个实验室还开发了二维与三维图像转化软件，可以将二维电影转化为三维立体电影。当然，立体效果还有待提高。另外，并不是所有的二维电影都可以转化为三维电影。南京大学电子系的王元庆教授，则领导研究人员在2005年底开发了15英寸的3D显示器，从显示效果来看相当不错。 北京的超多维公司，则在立体显示方面进展神速。2006年10月笔者在中关村看到他们开发的第一代产品的时候，只能站在4米左右的地方，在一个狭小的角度，才能看到清晰的立体图像。但是在今年5月份，笔者陪同科技部领导再次参观他们位于东方广场的会议室时，发现他们的第二代产品已经可以让观众在任意位置、任意角度观看到清晰的立体效果。与清华大学宽带实验室购买的美国立体显示器相比，他们的技术在观看角度、观看位置、前景的立体效果以及亮度方面更为优秀。但是在背景的立体效果方面，则不如后者。与飞利浦今年年初展示的立体显示器相比，他们的产品只在亮度上稍逊一筹，在视角和消除摩尔纹等方面甚至还超过了飞利浦。 据超多维公司的李建华副总介绍，他们5月份在实验中完成了二维与三维的转换试验。只用一个键，就可以实现二维与三维的过渡。这样，用户不需要为了看三维效果买一个显示器，为了看二维效果再买一个显示器了。他们最大可以做到103英寸的立体显示屏。出于商业保密的原因，超多维没有公布自己的技术原理。 另外一家位于中关村国际创业园的北京威奥立体电视科技公司，在立体电视的研发方面也取得了进展。103英寸的立体显示器就放在创业园的会议室中。 不论是中国的大学，还是公司，目前在立体显示技术的研究方面，基本上都是各自为战，没有像日本的公司一样建立联盟。每一家都希望取得技术上的突破，希望自己的技术能够上升为国家标准。但是每一家都有不可克服的困难，威奥需要资金，清华等学校既需要资金也需要产业化，超多维由于有澳门赌王手下大将苏树辉先生的投资而不缺钱，但却是一家香港企业，而香港企业目前是不可能得到科技部资金资助从而将自己的标准上升为国家标准的。 其实，立体显示技术，是上苍赐与中国人在显示领域占据世界领先席位的一次机会。如果不能有效合作，很难对抗日本的“3D联盟”，很可能在未来被迫再度为立体电视交付专利费，从而导致利润的流逝、资源的流失。 技术是没有国界的，技术的持有者是有国界的；利润是没有国界的，利润的拥有者是有国界的；资源是没有国界的，资源的使用者是有国界的。我们生活在这个世界上，说到底是为了争夺生存的资源。如果我们永远处于世界“打工者”的地位，永远不能翻身当老板，那么我们的资源将会源源不断地流失。全球化，说穿了，就是在全球寻找资源供自己使用。
