技術分析：細說3D投影機技術原理

3D技術的發(fā)展

    雖然3D技術早就為大眾耳熟能詳了，3D技術在市場上也有了多年的發(fā)展，包括3D電視、3D顯示器以及3D投影機。但是到底什么是3D技術？3D技術可以獲得什么樣的顯示效果？

    3D是three-dimensional的縮寫，就是三維圖形。而3D技術就是虛擬三維的技術，通過利用計算機的運算達到視覺、聽覺等方面立體效果的一種技術。在電影中實現(xiàn)3D技效果就是利用雙眼立體視覺原理，使觀眾能從銀幕上獲得三維空間感視覺影像的電影。

    簡而言之，3D技術使用兩個互相重疊的圖像來增加觀看者的深度感。一幅圖像作用用于右眼，另一幅圖像用于左眼。節(jié)目以一種專門的攝像機拍攝，這種攝像機有左右分開的兩個鏡頭，很像你的眼睛看到兩副具有些區(qū)別的圖像的那種方式。這就產生了深度感，使得圖像仿佛由屏幕表面向后方延伸，有時又仿佛從屏幕往觀眾方向伸出去。

    目前，市場上已經有了四種比較成熟的3D顯示技術，包括彩色立體三維、偏振三維、立體三維以及最新的DLP Link技術。這四類技術是當前被廣泛采用的3D投影技術。由于各自原理的不同，成本上也不同，效果同樣也是不一樣，各自獨占一片市場。

    其中，彩色立體三維，在市場上推出的時間最長，原理也最為簡單，而成本最低的技術就要屬彩色立體三維技術。這種技術的原理比較簡單，通過物理學原理，使用不同顏色的濾光片進行畫面濾光，使得一個圖片能產生出兩個圖像，最常見的濾光片顏色通常是紅/藍，紅/綠,或者紅/青。

    DLP Link技術，它是美國德州儀器在09年上半年發(fā)布的最新3D投影技術。它主要是在立體三維技術的基礎上進行完善實現(xiàn)的。DLP Link技術的原理與立體三維技術大致相同，唯一的區(qū)別是3D信號的傳輸不是由紅外裝置，而是通過DLP投影機中的DMD芯片的閉合來控制3D信號的傳輸。

偏振光式和立體三維的優(yōu)缺點

主流3D顯示技術

    偏振光方式

    光線偏振系統(tǒng)被用于商業(yè)影院和其它高端應用。這些方式提供了商業(yè)影院中的高品質3D體驗，而數(shù)字投影機的流行使得3D效果更上一層樓。在一個偏振光系統(tǒng)中，來自一臺或者多臺投影的光線通過一個偏振濾波器，使得所有的光波在同一方向上振蕩。觀眾佩戴的眼鏡上的特殊濾鏡，僅允許屬于某只眼鏡的光線通過。如果你曾經見過百葉窗，你就已經明白了這個概念——從某個角度你能夠清楚地看出窗外，而從其它角度你的視線會被遮掩。為兩只眼睛使用不同的偏振方向，使得兩幅分離的圖像可以被投射，一幅圖像用于一只眼睛，從而產生深度感。

    目前在商用3D投影領域存在著兩種不同的基于偏振光的系統(tǒng)。一個版本使用了兩臺投影機，每臺機器擁有自己的偏振濾波器，分別投射左眼和右眼圖像。該系統(tǒng)用于IMAX 3D播放。另外一種系統(tǒng)，被稱為RealD，使用一臺投影機和一個快速切換的單個偏振器來完成同樣的事情。該系統(tǒng)在左眼圖像和右眼圖像之間非常迅速地切換，偏振濾鏡同樣也在順時針和逆時針偏振方向中配合左右眼圖像的改變而切換。再一次，偏振眼鏡讓觀看者的眼睛只看見屬于每只眼睛自己的信息。

    偏振光3D的優(yōu)勢

    色彩。與立體照片系統(tǒng)相比，使用偏振光系統(tǒng)時的色彩更為準確。雖然有一些源于眼鏡的光線損失，但色彩更接近其原始值。鑒于眼鏡的透鏡本身幾乎沒有任何顏色，對用于偏振光系統(tǒng)的節(jié)目內容進行色彩糾正也更為容易。尤其是膚色，在一個偏振光系統(tǒng)中，看上去更為真實可信。

    被動眼鏡。和立體照片3D一樣，偏振光3D使用被動式的眼鏡，廉價并且不包含電器元件。和立體照片3D不同的是，偏振光眼鏡的框架通常是用塑料制作的，使其相比紙質框架的3D眼鏡更耐用、更能重復使用。

    串線。偏振光3D系統(tǒng)相比立體照片3D系統(tǒng)具有更低的串線發(fā)生率。由于偏振光線的特性，左眼圖像被右眼看到的情況幾乎不可能發(fā)生（反過來也一樣）。如果你的頭向兩個方向偏得太厲害，那么使用左右偏振光的系統(tǒng)例如IMAX會失去3D效果，但除非你睡到鄰座的肩膀上，這都不會成為問題。

    偏振光3D的劣勢

    亮度損失。與一個2D系統(tǒng)相比，所有的單投影機3D系統(tǒng)都有明顯的亮度縮減。對于不是物理學家的ProjectorCentral的讀者來說，亮度指的是從一個表面（在這個的例子里，即屏幕）以一個指定的角度（即朝向觀眾眼鏡的角度）反射的光線。這和照明度不同，后者是對到達一個表面的單位區(qū)域的光線的計量，一般以每平方米的流明為單位，通常發(fā)布在我們的投影機評測中。

    在除了立體照片3D的所有3D系統(tǒng)中，這個損失是由于為左眼和右眼顯示不同的圖像而必需的快速切換。在觀看一部3D電影的任何一個給定的瞬間，一只眼睛看見一個投射圖像而另一只眼鏡什么都看不到。這樣，每只眼睛都只看到了屏幕反射的一半光線，立即導致至少50%的亮度縮減。我之所以說“至少”，是因為偏振鏡和3D眼鏡都不具有完美通光效率。偏振鏡其本質上只允許投影機的總光量的一部分到達屏幕。3D眼鏡還有一些進一步的亮度損失。最終的結果是畫面的亮度顯得比來自同一臺投影機的2D電影低很多。

    這其實正是使用雙投影機系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一。每只眼睛都從一臺投影機的全部亮度輸出中獲益，雖然偏振鏡和3D眼鏡帶來的亮度損失仍然存在。最終結果是一個明亮得多的畫面，所有其它方面則是相同的。最后這句話是很重要的，因為所有其它方面很難做到相同。最為普遍的雙投影機系統(tǒng)的商用實現(xiàn)是IMAX，使用一個比大多數(shù)RealD影院都大得多的屏幕。使用的投影機在流明輸出范圍上變化很大。偏振片和3D眼鏡的效率也有很大不同。在判斷哪個系統(tǒng)“更好”時有太多的變數(shù)，但兩種系統(tǒng)都各有其優(yōu)勢。

    雖然3D眼鏡本身不貴，但系統(tǒng)的其它部分卻不是這樣。要求至少一個高端數(shù)字投影機以及與之配合的特殊處理設備來管理同步，至少一個偏振光濾波器，以及一張鍍銀屏幕（傳統(tǒng)的白幕不能保持光線的偏振性）。雙投影機系統(tǒng)當然需要兩臺投影機和兩組偏振鏡。

    立體三維

    立體三維技術主要采用了幀序列的形式產生立體圖像，立體三維技術的實現(xiàn)需要三個要素，首先投影畫面的刷新率需要達到每秒120幀，其次需要一個紅外信號發(fā)射器，另外就是需要一個可以接收紅外信號的3D立體眼鏡。

    當3D信號通過電腦（或者其他設備）輸入到投影機中，圖像以幀序的格式實現(xiàn)左右?guī)�交替產生，通過紅外發(fā)射器將這些幀信號傳輸出去，負責接收的3D眼鏡在實現(xiàn)信號同步的同時與左右?guī)瑘D像進行同步交替開關。從而觀看到立體影像。

    優(yōu)缺點：立體三維技術的投影機通常分辨率在XGA以上，圖像質量好，并且不需要太多的附加設備。但是由于此規(guī)格的片源較少，并且使用紅外傳輸信號容易受到視角的限制，因此影院里為了讓不同位置的觀眾看到穩(wěn)定的3D影像，會需要增加很多的紅外發(fā)射器來實現(xiàn)。

干擾濾波器與快門眼鏡方式優(yōu)劣勢

常見的3D應用技術

    干擾濾波器3D

    另外一種用于商業(yè)影院的3D實現(xiàn)使用了一種稱之為干擾濾波器的技術，由一家德國公司Infitec制造。該系統(tǒng)使用一臺投影機并且不需要鍍銀屏幕。Infitec 3D兼容的投影機有一個特殊的色輪被插入到燈泡和成像器件之間，將主色分離成不同的片段。想像一下：之前是紅色、綠色、藍色，現(xiàn)在則是紅色1、紅色2、綠色1、綠色2、藍色1、藍色2。特殊的干擾濾波器眼鏡，允許左眼只看到標記為“1”的片段而右眼只看到標記為“2”的片段。3D眼鏡使用額外的濾波器來就糾正對色彩的感知，因此眼睛所看到的東西是盡可能地接近原始電影的。你可能已經看過了這種技術：在商業(yè)影院中它被稱為Dolby 3D（杜比3D）。

    Dolby 3D不如偏振光3D系統(tǒng)那樣普遍應用于影院投影，但在倫敦Leicester廣場的帝國影院舉行的《阿凡達》的全球首映式，就使用了Dolby 3D。

    干擾濾波器3D的優(yōu)勢

    被動式眼鏡。被動式眼鏡是為商業(yè)影院和其它大型場地而設計的3D系統(tǒng)的共同的要素，因為其易于使用以及相對較低的成本。干擾濾波器3D眼鏡相比偏振光眼鏡，其制造更為困難。因此，它們被制造成具有較高的耐用性。透鏡由玻璃制作，而結實的鏡框甚至還有一個用于防盜裝置的掛繩孔。與脆弱的偏振光透鏡相比，它們更能抵抗擦掛和磨損。

    不需要鍍銀屏幕。數(shù)十年前，鍍銀屏幕被用于所有的電影，但它們逐漸失寵。鍍銀屏幕相比白幕，觀看角度的限制更大一些，因此當投影機變得足夠明亮，能夠充分地點亮一張白幕的時候，鍍銀屏幕就退出了歷史舞臺。

    當年鍍銀屏幕的缺點，現(xiàn)在仍然存在：對于坐在偏離中間的觀眾來說，亮度下降明顯。在一間商用影院中，這包括了相當一部分觀眾。鑒于干擾濾波器3D不需要使用偏振光，就不需要鍍銀屏幕，從而改善了每一個觀眾的觀賞體驗。坐在影院兩邊的人能夠獲得更為一致的屏幕照明度，而所有的觀眾都能獲得和非3D電影一樣的色彩保真度。

    干擾濾波器3D的劣勢

    亮度損失。任何單投影機3D顯示方式相比在同一臺投影機上進行的2D顯示，都會遭受顯著的亮度損失。這并不意味著單投影機的干擾濾波器3D和偏振光3D系統(tǒng)總是具有相同的亮度，或者說雙投影機的實現(xiàn)總是比單投影機系統(tǒng)更為明亮。單投影機的偏振光系統(tǒng)，干擾濾波器系統(tǒng)以及快門眼鏡系統(tǒng)都有這個共同的局限性。

    專門的設備。在一臺很多商業(yè)影院已經在使用的DLP影院投影機上安裝一套類似于RealD的單投影機偏振光系統(tǒng)是可行的，這種改動不需要對投影機本身進行改裝。鑒于Infitec 3D的機制工作在投影機內部，影院或者需要購買預裝了Infitec色輪的影院投影機，或者需要讓一個培訓過的工程師將色輪安裝到他們已有的DLP影院投影機的內部。

    昂貴的眼鏡。被動式眼鏡的最大的優(yōu)勢在于它們的價格不貴，因此人們可能會期待Infitec 3D眼鏡也不會太貴。錯了。Infitec眼鏡的大多數(shù)制造成本在于透鏡本身——玻璃必須進行多次鍍膜才能區(qū)分不同的波長。Dolby最近關于3D眼鏡的新聞發(fā)布會，宣布了每副眼鏡27.50美元的批發(fā)價格。這明顯是院線的一大筆開銷，因此有很多手續(xù)被用來保證影院觀眾歸還3D眼鏡。我去過的一家Dolby 3D影院要求提供一張帶有照片的身份證明才能換取眼鏡。

    LCD快門眼鏡方式

    LCD快門眼鏡是第一種適合家庭使用的高質量3D實現(xiàn)。在使用這種眼鏡的系統(tǒng)中，視頻顯示以非�？斓乃俣冉惶骘@示左右眼的圖像——最高達120幀每秒。觀看者佩戴一幅主動式LCD快門眼鏡，交替地阻礙左眼和右眼。就像DLP色輪的效果一樣，這種左右交替發(fā)生得如此之快，以至于你的大腦將兩幅圖像融合成一體，從而產生了單幅圖像的3D深度感。

    快門眼鏡的優(yōu)勢

    色彩。雖然快門3D眼鏡各式各樣，但大多數(shù)都有不帶明顯染色的透鏡，這就使得它們具有和偏振光方式一樣的色彩準確性。我們一直在使用的快門3D眼鏡有呈綠色的染色，但我們見過的其它品牌的眼鏡沒有染色。

    串線。就串線而言，LCD眼鏡可能是所有3D方式中最好的一種，因為未被使用的那只眼睛被快門機制主動的屏蔽了。早期的版本有重影的問題，即之前圖像的一部分會在新的圖像出現(xiàn)之后仍然保留在屏幕上。更新、更快的顯示技術已經完全消除了這種圖像錯誤。

    相對較為便宜。3D投影機和電視機的價格已經非常低了。今天，一臺能夠顯示3D的投影機只需要800美元就可以獲得。雖然有其它的費用，例如配備了高端顯卡的電腦以及每個觀看者一副3D眼鏡，但對于只有很少觀眾的家庭應用來說，還是能夠承受的。

    快門眼鏡的劣勢

    主動式眼鏡。這是LCD快門眼鏡和其它類型的系統(tǒng)的最主要的區(qū)別：控制哪只眼睛看到什么內容的機制是嵌入在眼鏡內部的，而不是由節(jié)目內容或者投影機決定的。LCD快門眼鏡對于人數(shù)較少的可信賴的成年觀眾來說是很好的，但它也有幾個弱點。相比其它技術，其眼鏡的成本昂貴（在本文發(fā)布之時，每副眼鏡100到150美元）。眼鏡構造復雜，帶有電池、電器元件以及脆弱的LCD透鏡。如果落在地上、被踩踏、或者電池用盡，都會破壞觀眾的3D體驗。并且，如果你有一大群朋友想要到你家里欣賞3D的超級碗（注：美國職業(yè)橄欖球聯(lián)盟年度總決賽），為每個人都提供一副3D眼鏡太昂貴了。

    同步。主動快門系統(tǒng)需要一種方式來對3D眼鏡的快門動作和屏幕上顯示的內容進行同步。一些系統(tǒng)使用紅外發(fā)射器。德州儀器用于投影機和電視機的系統(tǒng)稱為DLP Link，它使用了包含在投影圖像內部的同步脈沖。雖然兩種實現(xiàn)方式使用了不同的脈沖信息信號源，但脈沖本身是相同的。

    左眼脈沖和右眼脈沖有所不同，這就是為什么所有同步到一臺特定電視機的3D眼鏡，相互之間也是同步的。但投影機無法知道哪一幀是屬于那只眼睛，從而帶來一個有趣的問題。這些脈沖有可能翻轉了，使得一只眼睛看到了屬于另一支眼鏡的畫面。換句話說，左眼脈沖和右眼圖像關聯(lián)在了一起。這被稱之為“偽立體效應”并且這個現(xiàn)象會讓你在最初幾次體驗到的時候感到相當不安。其效果是圖像內外翻轉的奇怪的場景，仿佛你正在從錯誤的一邊觀看著一個凹陷的3D圖像。這個現(xiàn)象經常出現(xiàn)，因此廠家有相應的對策——可以通過切換顯示器、電腦顯卡或者軟件本身的的一個選項來加以補救。盡管如此，它還是沒有其它類型的系統(tǒng)那樣簡單可靠。

    閃爍。一些人報告說在使用快門眼鏡時看到了閃爍。閃爍是刷新率不足時產生的一種動作停止的效果。的確，鑒于每只眼睛只接受了一半的刷新率，投影機使用的快門眼鏡必須非�？�。為了這個目的，目前的實現(xiàn)使用了至少120Hz的刷新率來為每只眼睛呈現(xiàn)每秒鐘60幀的圖像。在ProjectorCentral的測試中，我們還未遇到任何閃爍的情況，因此我們無法對這個現(xiàn)象的流行程度或者嚴重性作出評論。

    亮度損失。快門眼鏡系統(tǒng)使用了單臺投影機，快速切換顯示不同的左右眼圖像，因此和其它單投影機系統(tǒng)一樣，相比2D有至少50%的亮度輸出的減少。眼鏡同樣也會降低可視亮度。雖然不是所有的眼鏡都一樣，但不論顯示器還是節(jié)目本身,我們測試過的型號都使可視亮度降低了大約60%。好處在于，眼鏡也降低了黑色電平，從而顯著增加了對比度。