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　　如果有什么产品能在第一眼就能让你产生一种强烈的震撼感，那一定是3D显示器。当我们在追求一种更接近于真实的虚拟环境时，各种3D声效卡、3D显卡都应运而生，我们竭尽全力使用各种技术来营造一个个理论上栩栩如生的场景、人物，但是当这一切出现在显示器的屏幕上时，仍然是令人失望的，因为画面依然平淡无奇。这种情况直到3D显示器的出现才发生了质的飞跃。3D显示器真正让画面不再拘束于屏幕，而是充满在整个空间，场景、人物都触手可及，这不正是我们追求的吗？可以预计，3D显示器就是未来的下一代显示器。

一、3D显示的原理

　　3D显示器的效果是惊人的，但是它的原理并不神秘。

　　我们在日常生活中能感觉到周围的世界是立体的，这是因为我们有两只眼睛，两只眼睛之间存在一定的距离。当我们用两只眼睛看一个真实的立体的物体时，两只眼睛实际上是从不同的角度来看的，所以两只眼睛看到的画面是不完全一样的，中间总是存在一定的差别，这个差别称为“视差”。我们的大脑根据这个视差，就可以产生物体远近位置的信息，这种信息的直观表现就是我们常说的立体感。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图2 3D显示示意图1

　　现在假如我们来看一个真实的圆球，圆球的中间部分，两只眼睛都可以看到，但是左眼可以多看到一些圆球的左侧，右眼可以多看到一些圆球的右侧。我们来比较左右两只眼睛所看到的两副画面，这两副画面有相同的信息，就是圆球的中间部分，也有不同的信息，就是圆球的两侧。不同的信息就是由眼睛的视差造成的。大脑根据这样的两副画面就可以产生立体感。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图3 3D显示示意图2

　　我们再来看看显示器上的画面。在显示器屏幕上显示的一副画面，比如一个圆球，它是一个平面的图像。左眼看到的是这副画面的全部信息，右眼看到的仍然是这副画面的全部信息。左眼不可能看到画面上没有显示的圆球左侧的画面，右眼也不可能看到画面上没有显示的圆球右侧的画面。大脑根据这两副一模一样的画面，无法获得物体的远近位置关系，怎么可能产生立体感呢？ 如果我们能够让左右两只眼睛从显示器屏幕上看到两副具有视差的有所区别的画面，那么反映到大脑，我们就会产生立体感。实际上，所有的立体显示设备都是为了实现这样的一个过程。首先，要产生两副具有视差的画面，这一点并不困难，对于真实的场景，我们可以用两架照相机相距一定的距离同时拍摄即可得到具有视差的两副画面；对于3D游戏，则可通过计算来得到具有视差的两副画面。然后要在显示器上显示出来，这有两种方式，一是在同一帧画面上同时显示这两副具有视差的画面，二是用两帧画面一前一后显示这两副具有视差的画面。最后就是要通过各种方法让左眼只看到左眼的画面，右眼只看到右眼的画面。只要能实现这样的一个过程，我们就可以在平面的显示器上欣赏令人震撼的立体空间效果。

二、3D显示器的技术原理

　　目前从事3D显示器的技术开发的厂商可能有几十个之多，它们几乎都拥有自己独特的技术。比较有代表性的有：德国4D-Vision公司的4D-Vision技术，DTI的视差照明技术（Parallax Illumination），飞利浦的多重视点技术（Multiview 3D-LCD）、德累斯顿大学的D4D技术等。
总的来说，3D显示器都经过两部分的处理。首先要进行软件处理，把图像处理成需要的格式，比如左右眼交叉的栅状图。然后利用硬件手段比如条状透镜组将左右眼画面分别折射到各自的区域，观看者站在一些特定的位置上，左眼处于左眼图像区就只能看到左眼图像，右眼同样也只能看到右眼图像。由于技术上原因，目前的3D显示器基本都是基于LCD液晶或者PDP等离子显示器的。

　　autostereoscopic 很多3D显示器的资料中都有这样一个词。对于3D显示装置，都要产生左右眼两副有视差的图像，然后把它们显示出来，最终让左眼看到左眼的图像，右眼看到右眼的图像，以前的3D显示设备通常要观看者使用一个设备（通常指液晶眼镜、红蓝眼镜等）来分离左右眼画面，现在的3D显示器则无需这样的设备，所以称为autostereoscopic或者glassless，就是不需要佩戴3D眼镜可以直接看的意思。

1.4D-Vision

这是一家德国的公司，主要从事3D显示产品的开发、生产、销售。

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图4 4D-Vision 8视点原理示意图

　　它的3D显示器采用了多视点的技术，不像普通的立体画只需要左右眼两副图片，这样可以得到更宽的观看范围。图像的来源是具有不同视点的8副图像，可以是照相机从8个角度拍摄得到的，也可以是3D模型通过计算得到的，然后由软件将8副画面的信息综合到一副画面，就是将8副画面位置相同的像素排列到一起。

　　硬件部分采用了它们自己开发的一种三棱镜折射屏。这种棱镜折射屏由许多竖条状三棱镜并行排列组成，每个棱镜覆盖了8个像素。由于三棱镜特性，可将像素的光线折射到不同的角度。这样我们的一只眼睛无论在任何角度下都只能看到每个棱镜下的一个像素，也就是整副画面信息的8分之1，这8分之1刚好组成一副画面。观看者调整好自己的位置，两只眼睛就可看到不同的图像，这样就可形成立体视觉。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图7 4D50照片

　　4D-Vision最吸引人的产品就是4D50。该型号的产品巧妙的将3D技术应用于了50英寸的大屏幕等离子显示器，3D技术加上大屏幕造就了一款极具震撼力的产品，若不是价格的因素，恐怕任何人都无法抵抗这种诱惑。

　　这种3D显示器由于采用8视点技术，观看范围非常宽广，观看者自由度比较大。另外它可用于等离子大屏幕显示器，实现大屏幕的3D画面，这也是一种优势。

2.DTI的视差照明技术Parallax Illumination

　　DTI多年从事3D技术的开发，在这方面是比较有经验的，它的3D产品以前主要用于一些航空航天领域。在3D显示器方面，它采用了一种叫做视差照明的技术。

　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图8 DTI的2015XLS显示器照片

　　首先是将左右眼的两副图像在一副画面上显示出来。它将每副画面都分割成一列一列，然后把左右眼画面的的列进行交叉，形成一副特殊的画面，其中奇数列为左眼画面，偶数列为右眼画面，这部分是由软件来完成的。这样最终形成的立体画面的分辨率只有显示器分辨率的一半。假设显示器的分辨率为1024x768，那么最后眼睛所看到的复合出来的画面的分辨率为512x768。

　　我们再来看看DTI的液晶屏的构造，前面一层是液晶层，负责显示画面，与液晶层有一定间隔是背光层。背光层也是光栅状，就是说可以产生高亮度的一列一列纵向间隔开的光线，在1024x768的分辨率下，光栅共有512条。当光栅发光时，光线将通过液晶层的像素发散出去。这些光栅在我们眼睛中成的像也是512条，由于它们通过了像素，所以在我们眼中就会形成图像。

　　从显示器的截面上看，光栅相当于一个点光源，它将向周围发射光线。现在以三条光栅为例，如图所示，我们的左右两只眼睛也将各看到三条光栅，但是由于两只眼睛是从不同的角度来看光栅，所以光线通过的路径也是不同的（就是光栅与眼睛的连线），如果同一条光栅到两只眼睛的连线通过同一个像素时，我们两只眼睛看到的图像是相同的，但是当这两条连线正好通过相邻的两个像素分别到达两只眼睛，那么我们的两只眼睛所看到的像素是不同的。根据这个原理我们可以找到一个合适的位置，让左眼只看到奇数列的像素，让右眼只看到偶数列的像素。这样就相当于左眼只看到左眼的图像，右眼只看到右眼的图像，根据这两副存在视差的图像，大脑就会产生立体感。

　　当需要显示2D画面时，图像不再进行分割，背光板也全部发光，我们的左右两只眼就都能看到全部的1024列像素。DTI的3D显示器通过一个开关来进行2D与3D的切换显示。

　　这种显示方式存在的问题是：1.3D显示亮度低，因为只有背光板只有一半发光。DTI提供的参数也表明了这一点：2D时亮度200流明，3D时86流明。2.3D显示时，由于没有采用多视点技术，观看位置相对要窄一些，为了获得较好的立体视觉，需要仔细调整观看位置，并且在观看过程中，脑袋的位置只能在很小的范围内改变。

优点是，画面可以在2D和3D之间进行方便的切换。

3.飞利浦的多重视点Multiview 3D-LCD

　　飞利浦是电子行业的巨头，研发实力不容忽视。在3D显示器方面，它采用了多重视点的技术。

　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图11 飞利浦显示器照片

　　这种技术也首先要把多视点图像进行分解，按像素划分成竖列，然后把多视点画面的竖列交叉排列拼成一副图像。这也是有软件来完成的。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图12 飞利浦原理示意图1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图13 飞利浦原理示意图2

　　飞利浦的3D显示器也采用了LCD技术，它在液晶屏的外面增加了一个透镜层，透镜层有半圆柱型的透镜排列而成。液晶像素所在的层正好处于透镜的焦平面上。当在每个透镜下放置多个像素时，这多个像素发出的光线将折射向不同的方向，当我们处于某个特定的位置时，就只能看到其中的某一个像素。那么如果这几个像素分别是左右眼的，我们就可以让左眼只看到左眼的像素，右眼只看到右眼的像素，从而形成立体感。

　　飞利浦的方式比较灵活，因为可以直接把透镜屏覆盖在现有的LCD显示器上，通过软件转换后，就可以获得立体视觉。从商业角度讲，这一点是很有价值。但它的主要缺点是不能用于2D显示，这样用户在实际使用时还需要配备一个普通显示器用于2D显示。

4.Dresden 3D Display（D4D）德累斯顿技术大学

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图14 D4Dc_181照片

　　这种产品与上面介绍的几种3D显示器不同，它增加了轨迹探测系统，可以跟踪人的脑袋的位置，实时调整显示器左右画面反射角度，达到很好的观看效果，不受位置限制。但是由于不能用于多人观看，所以不会成为民用化的主流产品。

　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图15 单人观看和多人观看比较图

　　目前与D4D类似的还有一些其它的技术，比如采用两块液晶屏分别来显示左右眼的图像，然后通过一些装置（观看者头上戴的红外或者超声波发射装置）确定人的两只眼睛的位置，将两副图像分别折射到人的两只眼睛，从而实现立体视觉。这种方法的成本是比较高的，因为它采用了两块液晶屏。另外需要观看者佩戴一个特定的装置，这也不方便，并且只能供一个人观看。所以我认为这种技术虽然有比较好的效果，但是不可能普及的，只能用于一些专业领域。 5.为什么采用多视点技术可获得较宽的观看范围？

　　前面我们提到有几种3D显示器采用了多视点技术，获得了较为宽广的观看范围，这是为什么呢？

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图16 “百叶窗”

　　实际上，前面所说的几种3D显示器最终达到的效果是类似的，它们都是在观看者所在的平面上形成了一个竖着的“百叶窗”，如图所示，当你把一只眼睛透过百叶窗的某一片去看显示器时，都能看到一副完整的图像。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图17 普通双视点示意图

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图18 多视点示意图

　　而这个“百叶窗”的一片一片排列是很有规律的，如果采用的普通立体技术，那么视差图像就只有左右眼的两个观测位置的图像，“百叶窗”的排列就是左、右、左、右...。当采用多视点技术时，视差图像就有多副，其中相邻的每两副都具有相当与我们左右眼的视差，以4D-Vision为例，“百叶窗”的排列就是1、2、3、4、5、6、7、8、1、2...，1-8分别代表8个相邻视点的图像，1-2相当于左－右，2-3也相当于左－右...7-8也相当于左－右。观看者与显示器屏幕之间的位置是可以调节的，这个远近可改变“百叶窗”的叶片的宽度， 调节好后，应该是双眼的距离大于一个叶片的宽度而小于两个叶片的宽度，这样无论双眼在这个观看平面内左右怎么移动，双眼始终处于相邻的两个叶片区域。现在问题就很清楚了。如果没有采用多视点技术，那么双眼的活动范围就只能在两个叶片之间，即左－右之间。如果向左或向右偏离超出一个叶片的范围，双眼的看到的图像就颠倒了，变成右－左，即左眼看到的是右眼的图像，右眼看到的是左眼的图像，就不能得到立体感了。多视点就不同了，1-2、2-3、3-4...7-8之间都属于左右视差，所以你的双眼可以在1-8之间的范围内变化，而不会影响立体效果。所以说多视点可以获得较为宽广的观看范围，但是采用较多的视点图像将使整个图像的分辨率下降，所以还需综合考虑。

三、3d显示器的应用

3D显示器的应用范围是很宽广的。但是由于价格等因素，目前的3D显示器基本还都是面向专业领域。

　　对于专业用户来说，因为3D显示器可以营造出一个虚拟现实的立体空间，可以模拟出平时不易反复再现的场景。所以可以广泛的应用于下列领域：

广告：用于产品展示，可以将产品以三维立体的形式展示给观众，从而获得非常好的宣称效果。
医学：可以用来模拟人体解剖、模拟外科手术，这在以前是不容易反复实现的，将它用于医学教学、医学研究，会有极大的帮助。
军事：可以用来模拟坦克、飞机驾驶、模拟战场环境。据新闻报道，美国就曾用它来模拟战场环境来训练特种兵。
设计：在CAD领域，3D显示器显得非常有价值，工程师设计的楼房或者机械设备可以在未制造出来之前就先看到立体的真实的效果。

　　但实际上3D显示器的最大用户群还是普通用户。对于普通的用户来说，可以用它来欣赏立体照片、观看立体电影、玩立体游戏。

四、当前主流的3D显示器的特点

优势：

　　目前国内市场上能够见到的3D显示装置都属于3D眼镜这一类。3D眼镜类的产品存在不少问题，一个是因为需要佩戴一副特制的眼镜，很不舒适；另一点是因为需要佩戴眼镜才能观看，所以不便于多人观看；还有就是因为刷新频率的问题，长时间观看容易造成眼睛疲劳。3D眼镜的主要优势是观看角度不受限制，显示分辨率不受影响（页交换模式的3D眼镜）。

　　3D显示器的出现正好弥补了这些缺点。由于采用了特殊的技术，作为观看者，无需佩戴3D眼镜；没有眼镜的限制，可以供比较多的人同时观看；因为没有刷新闪烁，所以长时间观看，眼睛也不会疲劳。

问题：

限于目前的技术，3D显示器还存在一些问题：

1.观看位置问题

　　对于多数3D显示器，普遍存在一个最佳观看位置的问题。例如DTI的显示器，要获得最完美的效果，要求观看位置位于显示器正前方31英寸，正负误差3英寸以内。另外它还能提供几个比较好的位置，按照DTI官方的说法，最多能提供六个理想的位置－－三个坐着的位置，三个站着的位置。如果偏离最佳位置，可能会两只眼同时看到一副画面造成重影或者左右眼画面颠倒使图像发晕，这就意味当你在观看时，脑袋不能随便晃动。其它大部分的3D显示器也都存在类似的问题。

2.显示分辨率问题

　　由于现在的3D显示器都是同时在屏幕上显示左右眼两副画面，所以分辨率势必降低一半，而那些采用多视点技术的3D显示器所能达到的分辨率更低。

五、当前3D显示器价格比较

型号 技术 价格

4D15 4D-Vision 约合人民币4万1千元
4D50 4D-Vision 约合人民币19万8千元
2015XLS DTI视差照明 约合人民币1万4千元
2018XLQ DTI视差照明 约合人民币5万8千元
ELSA ECOMO 4D D4D 约合人民币30万

　　可以看出，除了DTI的2015XLS，3D显示器的价格是非常惊人的，这也就注定了目前的3D显示器只能用于商业展示或者科学研究等专业领域。但是这种局面早晚是要被打破的，DTI的2015XLS就是向民用化跨出的一大步，相对于其它3D显示器，它把价格拉到了一个很低的水平，这将有利于迫使其它厂商采取同样的措施。尽管如此，2015XLS的价格还是不能为普通用户所接受的，3D显示器要想打入民用市场，降价将是一条必由之路。

六、3D显示器的发展前景

　　现在的3D显示器普遍采用LCD技术，所以它的价格肯定要高于LCD；另外由于它的生产批量也远小于LCD显示器，它的成本也不可能很低；另外目前各厂商对于这种产品的定位还都更倾向于专业领域；从技术角度讲，是否采取比较开放的策略，因为这往往牵涉到一些专利技术；还有一点就是用户对这种产品的认可程度，普通用户对新产品都有一个了解、接受的过程。这些因素都限制了3D显示器的普及。但对于普通用户来说，最主要的因素还是价格，可以说3D显示器降价之日，即是3D显示器普及之时。

　　3D显示器最终要广泛的用于民用领域。笔者认为民用化的3D显示器应当具备以下特点：1.较低的价格 2.可供多人观看 3.兼容2D和3D显示。对于3D分辨率、3D观看位置，则可降低要求。

七、未来立体显示器展望

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图19 360度显示器照片

　　就目前的3D显示器而言，还都属于单视点的立体显示装置，它重现的是在某一点（例如立体摄像机所在的那一点）的立体视觉效果，当我们想通过移动脑袋来看到物体另外的侧面或者后面根本是不可能的。将来的立体显示器将是多视点的类似全息技术的效果，我们可以通过改变视点看到场景或物体的其它面。如果说现在的3D显示器表现出的效果已经让我们震撼不已，那么将来的采用全息技术的3D显示器一定会让我们目瞪口呆的。