技術(shù)分析：細(xì)說3D投影機(jī)技術(shù)原理

3D技術(shù)的發(fā)展

    雖然3D技術(shù)早就為大眾耳熟能詳了，3D技術(shù)在市場(chǎng)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(jī)。但是到底什么是3D技術(shù)？3D技術(shù)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(shù)就是虛擬三維的技術(shù)，通過利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算達(dá)到視覺、聽覺等方面立體效果的一種技術(shù)。在電影中實(shí)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(jiǎn)而言之，3D技術(shù)使用兩個(gè)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(jī)拍攝，這種攝像機(jī)有左右分開的兩個(gè)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(chǎn)生了深度感，使得圖像仿佛由屏幕表面向后方延伸，有時(shí)又仿佛從屏幕往觀眾方向伸出去。

    目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有了四種比較成熟的3D顯示技術(shù)，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(shù)。這四類技術(shù)是當(dāng)前被廣泛采用的3D投影技術(shù)。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(dú)占一片市場(chǎng)。

    其中，彩色立體三維，在市場(chǎng)上推出的時(shí)間最長(zhǎng)，原理也最為簡(jiǎn)單，而成本最低的技術(shù)就要屬彩色立體三維技術(shù)。這種技術(shù)的原理比較簡(jiǎn)單，通過物理學(xué)原理，使用不同顏色的濾光片進(jìn)行畫面濾光，使得一個(gè)圖片能產(chǎn)生出兩個(gè)圖像，最常見的濾光片顏色通常是紅/藍(lán)，紅/綠,或者紅/青。

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

偏振光式和立體三維的優(yōu)缺點(diǎn)

主流3D顯示技術(shù)

    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(yīng)用。這些方式提供了商業(yè)影院中的高品質(zhì)3D體驗(yàn)，而數(shù)字投影機(jī)的流行使得3D效果更上一層樓。在一個(gè)偏振光系統(tǒng)中，來自一臺(tái)或者多臺(tái)投影的光線通過一個(gè)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(jīng)見過百葉窗，你就已經(jīng)明白了這個(gè)概念——從某個(gè)角度你能夠清楚地看出窗外，而從其它角度你的視線會(huì)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(chǎn)生深度感。

    目前在商用3D投影領(lǐng)域存在著兩種不同的基于偏振光的系統(tǒng)。一個(gè)版本使用了兩臺(tái)投影機(jī)，每臺(tái)機(jī)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(tái)投影機(jī)和一個(gè)快速切換的單個(gè)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(shí)針和逆時(shí)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(shì)

    色彩。與立體照片系統(tǒng)相比，使用偏振光系統(tǒng)時(shí)的色彩更為準(zhǔn)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(duì)用于偏振光系統(tǒng)的節(jié)目?jī)?nèi)容進(jìn)行色彩糾正也更為容易。尤其是膚色，在一個(gè)偏振光系統(tǒng)中，看上去更為真實(shí)可信。

    被動(dòng)眼鏡。和立體照片3D一樣，偏振光3D使用被動(dòng)式的眼鏡，廉價(jià)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(zhì)框架的3D眼鏡更耐用、更能重復(fù)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(gè)方向偏得太厲害，那么使用左右偏振光的系統(tǒng)例如IMAX會(huì)失去3D效果，但除非你睡到鄰座的肩膀上，這都不會(huì)成為問題。

    偏振光3D的劣勢(shì)

    亮度損失。與一個(gè)2D系統(tǒng)相比，所有的單投影機(jī)3D系統(tǒng)都有明顯的亮度縮減。對(duì)于不是物理學(xué)家的ProjectorCentral的讀者來說，亮度指的是從一個(gè)表面（在這個(gè)的例子里，即屏幕）以一個(gè)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(duì)到達(dá)一個(gè)表面的單位區(qū)域的光線的計(jì)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(jī)評(píng)測(cè)中。

    在除了立體照片3D的所有3D系統(tǒng)中，這個(gè)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(gè)給定的瞬間，一只眼睛看見一個(gè)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(dǎo)致至少50%的亮度縮減。我之所以說“至少”，是因?yàn)槠�振鏡和3D眼鏡都不具有完美通光效率。偏振鏡其本質(zhì)上只允許投影機(jī)的總光量的一部分到達(dá)屏幕。3D眼鏡還有一些進(jìn)一步的亮度損失。最終的結(jié)果是畫面的亮度顯得比來自同一臺(tái)投影機(jī)的2D電影低很多。

    這其實(shí)正是使用雙投影機(jī)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一。每只眼睛都從一臺(tái)投影機(jī)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(jié)果是一個(gè)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?yàn)樗�有其它方面很難做到相同。最為普遍的雙投影機(jī)系統(tǒng)的商用實(shí)現(xiàn)是IMAX，使用一個(gè)比大多數(shù)RealD影院都大得多的屏幕。使用的投影機(jī)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(gè)系統(tǒng)“更好”時(shí)有太多的變數(shù)，但兩種系統(tǒng)都各有其優(yōu)勢(shì)。

    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(gè)高端數(shù)字投影機(jī)以及與之配合的特殊處理設(shè)備來管理同步，至少一個(gè)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(jī)系統(tǒng)當(dāng)然需要兩臺(tái)投影機(jī)和兩組偏振鏡。

    立體三維

    立體三維技術(shù)主要采用了幀序列的形式產(chǎn)生立體圖像，立體三維技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要三個(gè)要素，首先投影畫面的刷新率需要達(dá)到每秒120幀，其次需要一個(gè)紅外信號(hào)發(fā)射器，另外就是需要一個(gè)可以接收紅外信號(hào)的3D立體眼鏡。

    當(dāng)3D信號(hào)通過電腦（或者其他設(shè)備）輸入到投影機(jī)中，圖像以幀序的格式實(shí)現(xiàn)左右?guī)�交替產(chǎn)生，通過紅外發(fā)射器將這些幀信號(hào)傳輸出去，負(fù)責(zé)接收的3D眼鏡在實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步的同時(shí)與左右?guī)瑘D像進(jìn)行同步交替開關(guān)。從而觀看到立體影像。

    優(yōu)缺點(diǎn)：立體三維技術(shù)的投影機(jī)通常分辨率在XGA以上，圖像質(zhì)量好，并且不需要太多的附加設(shè)備。但是由于此規(guī)格的片源較少，并且使用紅外傳輸信號(hào)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(huì)需要增加很多的紅外發(fā)射器來實(shí)現(xiàn)。

干擾濾波器與快門眼鏡方式優(yōu)劣勢(shì)

常見的3D應(yīng)用技術(shù)

    干擾濾波器3D

    另外一種用于商業(yè)影院的3D實(shí)現(xiàn)使用了一種稱之為干擾濾波器的技術(shù)，由一家德國(guó)公司Infitec制造。該系統(tǒng)使用一臺(tái)投影機(jī)并且不需要鍍銀屏幕。Infitec 3D兼容的投影機(jī)有一個(gè)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(lán)色，現(xiàn)在則是紅色1、紅色2、綠色1、綠色2、藍(lán)色1、藍(lán)色2。特殊的干擾濾波器眼鏡，允許左眼只看到標(biāo)記為“1”的片段而右眼只看到標(biāo)記為“2”的片段。3D眼鏡使用額外的濾波器來就糾正對(duì)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(jīng)看過了這種技術(shù)：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(yīng)用于影院投影，但在倫敦Leicester廣場(chǎng)的帝國(guó)影院舉行的《阿凡達(dá)》的全球首映式，就使用了Dolby 3D。

    干擾濾波器3D的優(yōu)勢(shì)

    被動(dòng)式眼鏡。被動(dòng)式眼鏡是為商業(yè)影院和其它大型場(chǎng)地而設(shè)計(jì)的3D系統(tǒng)的共同的要素，因?yàn)槠湟子谑褂靡约跋鄬?duì)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(jié)實(shí)的鏡框甚至還有一個(gè)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(dāng)投影機(jī)變得足夠明亮，能夠充分地點(diǎn)亮一張白幕的時(shí)候，鍍銀屏幕就退出了歷史舞臺(tái)。

    當(dāng)年鍍銀屏幕的缺點(diǎn)，現(xiàn)在仍然存在：對(duì)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(dāng)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(gè)觀眾的觀賞體驗(yàn)。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(shì)

    亮度損失。任何單投影機(jī)3D顯示方式相比在同一臺(tái)投影機(jī)上進(jìn)行的2D顯示，都會(huì)遭受顯著的亮度損失。這并不意味著單投影機(jī)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(jī)的實(shí)現(xiàn)總是比單投影機(jī)系統(tǒng)更為明亮。單投影機(jī)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(gè)共同的局限性。

    專門的設(shè)備。在一臺(tái)很多商業(yè)影院已經(jīng)在使用的DLP影院投影機(jī)上安裝一套類似于RealD的單投影機(jī)偏振光系統(tǒng)是可行的，這種改動(dòng)不需要對(duì)投影機(jī)本身進(jìn)行改裝。鑒于Infitec 3D的機(jī)制工作在投影機(jī)內(nèi)部，影院或者需要購(gòu)買預(yù)裝了Infitec色輪的影院投影機(jī)，或者需要讓一個(gè)培訓(xùn)過的工程師將色輪安裝到他們已有的DLP影院投影機(jī)的內(nèi)部。

    昂貴的眼鏡。被動(dòng)式眼鏡的最大的優(yōu)勢(shì)在于它們的價(jià)格不貴，因此人們可能會(huì)期待Infitec 3D眼鏡也不會(huì)太貴。錯(cuò)了。Infitec眼鏡的大多數(shù)制造成本在于透鏡本身——玻璃必須進(jìn)行多次鍍膜才能區(qū)分不同的波長(zhǎng)。Dolby最近關(guān)于3D眼鏡的新聞發(fā)布會(huì)，宣布了每副眼鏡27.50美元的批發(fā)價(jià)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(zhì)量3D實(shí)現(xiàn)。在使用這種眼鏡的系統(tǒng)中，視頻顯示以非常快的速度交替顯示左右眼的圖像——最高達(dá)120幀每秒。觀看者佩戴一幅主動(dòng)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(chǎn)生了單幅圖像的3D深度感。

    快門眼鏡的優(yōu)勢(shì)

    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(zhǔn)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?yàn)槲幢皇褂玫哪侵谎劬Ρ豢扉T機(jī)制主動(dòng)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(huì)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(shù)已經(jīng)完全消除了這種圖像錯(cuò)誤。

    相對(duì)較為便宜。3D投影機(jī)和電視機(jī)的價(jià)格已經(jīng)非常低了。今天，一臺(tái)能夠顯示3D的投影機(jī)只需要800美元就可以獲得。雖然有其它的費(fèi)用，例如配備了高端顯卡的電腦以及每個(gè)觀看者一副3D眼鏡，但對(duì)于只有很少觀眾的家庭應(yīng)用來說，還是能夠承受的。

    快門眼鏡的劣勢(shì)

    主動(dòng)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(nèi)容的機(jī)制是嵌入在眼鏡內(nèi)部的，而不是由節(jié)目?jī)?nèi)容或者投影機(jī)決定的。LCD快門眼鏡對(duì)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(gè)弱點(diǎn)。相比其它技術(shù)，其眼鏡的成本昂貴（在本文發(fā)布之時(shí)，每副眼鏡100到150美元）。眼鏡構(gòu)造復(fù)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(huì)破壞觀眾的3D體驗(yàn)。并且，如果你有一大群朋友想要到你家里欣賞3D的超級(jí)碗（注：美國(guó)職業(yè)橄欖球聯(lián)盟年度總決賽），為每個(gè)人都提供一副3D眼鏡太昂貴了。

    同步。主動(dòng)快門系統(tǒng)需要一種方式來對(duì)3D眼鏡的快門動(dòng)作和屏幕上顯示的內(nèi)容進(jìn)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(jī)和電視機(jī)的系統(tǒng)稱為DLP Link，它使用了包含在投影圖像內(nèi)部的同步脈沖。雖然兩種實(shí)現(xiàn)方式使用了不同的脈沖信息信號(hào)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(tái)特定電視機(jī)的3D眼鏡，相互之間也是同步的。但投影機(jī)無法知道哪一幀是屬于那只眼睛，從而帶來一個(gè)有趣的問題。這些脈沖有可能翻轉(zhuǎn)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(guān)聯(lián)在了一起。這被稱之為“偽立體效應(yīng)”并且這個(gè)現(xiàn)象會(huì)讓你在最初幾次體驗(yàn)到的時(shí)候感到相當(dāng)不安。其效果是圖像內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的奇怪的場(chǎng)景，仿佛你正在從錯(cuò)誤的一邊觀看著一個(gè)凹陷的3D圖像。這個(gè)現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，因此廠家有相應(yīng)的對(duì)策——可以通過切換顯示器、電腦顯卡或者軟件本身的的一個(gè)選項(xiàng)來加以補(bǔ)救。盡管如此，它還是沒有其它類型的系統(tǒng)那樣簡(jiǎn)單可靠。

    閃爍。一些人報(bào)告說在使用快門眼鏡時(shí)看到了閃爍。閃爍是刷新率不足時(shí)產(chǎn)生的一種動(dòng)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(jī)使用的快門眼鏡必須非�？�。為了這個(gè)目的，目前的實(shí)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(cè)試中，我們還未遇到任何閃爍的情況，因此我們無法對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的流行程度或者嚴(yán)重性作出評(píng)論。

    亮度損失�？扉T眼鏡系統(tǒng)使用了單臺(tái)投影機(jī)，快速切換顯示不同的左右眼圖像，因此和其它單投影機(jī)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(huì)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(cè)試過的型號(hào)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(duì)比度。