黄火梅，金佳斌，袁心怡，尹海璐，李贤武，崔鑫儒，宋晓燕，

（1．上海理工大学，上海 200093；2．上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海200025）

如果从1838年惠斯通发明立体镜算起，3D显示技术已有接近两百多年的历史了[1]。近些年来，3D电影和游戏的兴起，给大众带来了不少新奇的体验，而科技的进步也在不断地推动着立体显示技术的发展。目前，裸眼3D显示技术是影像行业最新、前沿的高新技术，因其体验感优、舒适性强、准确率高等特点而快速发展，促进了医疗、军事、娱乐、教育、遗产保护等领域的技术革新，应用前景不可估量[2]。

1.裸眼3D技术的分类及原理

3D技术依赖的生物基础是双眼观察物体角度的不同，因此能辨别远近、深浅，从而产生立体的感觉。裸眼3D显示技术是通过显示屏的技术性设置直接使人左、右眼接收到不同画面，在大脑合成后实现立体视觉效果，不需任何辅助工具[3]。目前，裸眼 3D 技术的实现主要分为光屏障式技术、柱状透镜技术、指向光源技术和多层显示技术[4,5]。

光屏障式技术:光屏障式技术也被称为狭缝光栅、视差屏障或视差障栅技术，它的原理是在显示屏安置“视差障壁”，形成的栅状条纹可以阻断光线，条纹的间隙可以透过光线。当液晶屏上显示左眼观看的图像时，右眼被条纹遮挡；而显示右眼观看的图像时，左眼会被遮挡，从而将左眼和右眼的可视画面分开，双眼的画面在大脑合成后产生立体效果。光屏障式3D产品与既有的LCD液晶工艺兼容，还能将显示模式在2D和3D之间转换，因此量产性好、成本较低。但是，由于遮光装置的作用，画面亮度会下降，观众的最适观看点也有限，还需要质量较高的液晶板和驱动装置来满足交替显示的要求。同时，光屏障技术立体效果的实现需要在液晶屏同时显示左、右眼图像，导致画面清晰度减半，并且显示器同时展示的影像越多，分辨率降低越多。

柱状透镜技术:柱状透镜技术也被称为双凸透镜或微柱透镜3D 技术，它的原理是在显示器前加上一层由细长的半圆柱透镜紧密排列构成的柱状透镜板，使显示屏图像的像素被透镜分成几个子像素，向不同方向投影，让观看角度不同的双眼看到不同的子像素，从而把视差图像投射到人的左、右眼，经视觉中枢的融合获得立体感。因为透镜不阻挡背光，因此画面亮度不会受到影响。不过由于它的立体显示原理与光屏障式的相近，所以分辨率仍较低。同时，运用柱状透镜技术的相关制造要在液晶屏前加上凸透镜，和现有LED液晶工艺不兼容，必须投资新的设备和生产线，提高了生产成本和维护费用，对产品普及不利。

指向光源技术:指向光源技术又称方向性背光3D技术，它的原理是在设备搭配左右两组LED背景光源，在显示右眼图像时，右边的光源会被点亮，光线经折射后只进入右眼，使右眼看到此画面而左眼看不到；当显示左眼图像时，左边的光源会被点亮，光线经折射后只进入左眼，使左眼看到此画面而右眼看不到，最终使右眼和左眼的图像分别进入大脑。又因为视觉暂留原理，双眼分别看到的画面能够在人脑中合成3D影像。该技术补充了光屏障式和柱状透镜技术的缺点，分辨率跟亮度都不会降低，能呈现高画质的3D内容，同时还适用于原有的设计架构，方便生产制造。但是，指向光源技术还不够成熟，有待开发和完善。

表1 四种不同类型裸眼3D显示技术的对比

多层显示技术:多层显示技术简称MLD技术（Muli-Layer Display），是2009年由美国PureDepth公司研发出来的。MLD技术使用两块具有一定间隔的液晶板，一块液晶板位于另一块的前方，两者间有一个透明的间隔层，前面的液晶板用来显示前景图片，后方的液晶板用来显示背景图片。当系统显示出前景与背景图像时，整个画面会有纵深感，从而展示出三维影像，此时分辨率不会改变，观看视角较广。同时，使用MLD技术的产品可以兼容2D和3D模式，还能随时将显示二维码的字幕部分添加在屏幕下方，使用效果甚好。但是，由于需要多加一层液晶板，所以制作成本较高，难以做到很薄。

2.裸眼3D存在的问题和解决方法

分辨率较低:利用光屏障式技术的裸眼3D显示器的画面亮度和分辨率会下降，柱状透镜技术虽弥补了光屏障式技术亮度下降的缺点，但分辨率低仍是待解决的问题。若能使每个透镜的截面达到微米级，就能支持更高的分辨率，提高画面清晰度，但超精细的柱状透镜制作难度高。方向性光源 3D 技术补充了光屏障技术和柱状透镜技术的缺点，显示影像时分辨率跟亮度都不会降低，但该技术尚在开发，产品还不成熟。多层显示技术利用两块液晶板模拟屏幕深度来显示出任意角度的三维图像，解决了画面亮度和分辨率下降的问题。另外，渐变孔径狭缝光栅可以在保证光学效率和分辨率的前提下实现3D显示，解决了传统狭缝光栅技术的问题[6]。

制作成本高:由于相关技术和使用材料等因素限制，要制造出便携、轻薄且画面高清的裸眼3D产品，生产成本会非常高，不利于推广和普及。同时，裸眼3D LED需要特制的内容，但是3D视频的制作投资大、成本高，相关技术和实践也缺乏，所以用于播放终端的3D作品片源缺乏，需要丰富裸眼3D资源库。我们可以提高2D-3D视频转换技术，同时借鉴国外的裸眼3D视频拍摄的先进技术，创新裸眼3D拍摄技术，降低成本[7]。此外还可以开发其他材质的透镜，改善透镜面板的性能，以此降低制作成本和难度。

可视角度和距离小:由于硬件条件的限制，最佳的观看方向和位置都是固定的：距离过远则3D效果不明显，头部移动偏离位置后会出现图像模糊的现象。所以，裸眼3D技术还存在可视角度和距离较小的问题。若增加最佳视点，就要针对每个视点同步显示播放内容，这对显示屏要求较高。通常可以将脸部跟踪技术与裸眼3D技术配合使用，实时跟踪用户所在准确位置，保证用户时刻处于最佳观看位点，还可采取旋转阵列形式的 LED 立体显示，通过多根 LED 显示材料旋转形成的立体空间场，实现完全的全立体裸眼显示，避免可视角度和距离小的问题，并可随意变换角度[8]。

3.裸眼3D技术的行业概况

目前国内外在裸眼3D研发方面处于比较领先地位的主要有六家企业：美国NewSight、韩国LG、荷兰飞利浦、日本东芝、万象三维视觉公司和上海的易维视。

NewSigh公司和LG都主要采用光屏障式技术。NewSigh公司将全程管理网络与裸眼3D数码信号结合，能给客户提供全程动态视频，还开发了能进行内容生产和重放的3D软件。它的产品消除了莫尔纹，减少了过渡区，并抑制了眩光；LG与谷歌合作开发裸眼3D产品，它主研究的医用显示器符合DICOM标准、背光输出稳定、功能强大、支持精确诊断、灵活性高、支持多语言。此外，LG公司在液晶透镜技术上的研发较早，在液晶透镜的大部分功效点上都有专利分布，特别在提高显示质量以及减少液晶透镜的厚度等方面的研发持续性较好。

飞利浦和东芝主要采用柱状透镜技术。飞利浦在裸眼3D透镜显示设计、3D内容创造和3D格式的研究突出，处于世界前列。它与杜比实验室一起研制的裸眼3D新技术，适用于各种裸眼3D设备，方便所有商家为用户提供合适的3D视频内容服务；东芝的产品运用9视差系统，裸眼3D效果十分流畅。它推出了全球第一台裸眼3D电视，并且支持2D模式向3D切换。东芝采用的LED背光源技术十分先进，其亮度可以根据图像各部分的明暗情况实施精确调整，从而使画面品质出色。

万象三维拥有自主知识产权的播放软件和视频播放服务器，可为不同层次用户提供多种视频内容制作选择，其产品在鸟巢中心、多地科技馆进行展示，还通过将裸眼3D 与VR/AR 技术完美融合推出BeeEyes互动平台，得到了重点关注。其裸眼3D显示屏特点是超大面积、支持多人同时观看、支持实时场景生成、支持互动控制、超远出屏距离、超宽观看角度等，能应用于广告传媒、主题公园、科博馆、医疗、军事、房地产、游戏等。

易维视自主研发了裸眼3D电视机、裸眼3D广告机、裸眼3D平板等产品，拥有长期的3D技术算法积累，在动态背光、超解析、频率转换和超多试点方面有技术领先。由于采用多视点转换技术，易维视的裸眼3D平板适合多人、多角度观看。同时，易维视推出的EVT301芯片能够实时进行单视点/双视点内容到多视点视频信号的转换与处理，与现有的电视工业标准兼容，十分适用于大屏幕的裸眼3D显示器。易维视主要产品有4K超高清裸眼3D电视、高清晰度裸眼3D广告机、高清晰度裸眼3D平板、裸眼3D模组以及裸眼3D拼接墙。

4.结语

目前，双目视差显示技术发展最为成熟，制造的产品也层出不穷，种类越发繁多，代表性产品有裸眼3D电视、裸眼3D电脑、裸眼3D手机、LED裸眼3D显示器等，相应的技术标准体系也正在建立。同时，用于产品展示的体三维显示技术已得到应用，光场显示、全息显示技术虽然仍处于实验室研究阶段，但是也在不断地完善，发展和应用潜力无限。可见，裸眼3D已经步入了一个全新的发展阶段。