2010年新年伊始，电影《阿凡达》就在中国刮起了一阵“阿凡达”热，一度出现了一票难求的景象。到目前为止，其国内票房已经突破7亿元人民币，成为内地市场首部票房超过1亿美元的电影。而就全球票房来看，其打破《泰坦尼克号》18.4亿美元的票房记录，荣登史上最卖座电影称号没有悬念。毫无疑问，成就《阿凡达》票房神话的功臣首推3D显示技术。无独有偶，在刚刚落幕的CES（国际消费电子展）上，3D同样成为最大的热点。与此同时，3D内容的制作也进入了快车道，好莱坞正在谋划拍摄更多的3D电影，美国和欧洲今年将有3D电视频道开播。这一切预示着3D显示技术的新时代即将到来，2010年可能就是3D显示技术的元年。在这样一个时刻，你是否了解3D显示到底是如何实现的、这项技术现在发展到一个什么样的阶段、未来这项技术还会带给我们什么样的惊喜？
三种3D显示技术
3D显示（或称立体成像）技术有几百年的历史。从原理上大致可分为三大类：立体图像对技术(Stereo Pair)、体显示技术(Volumetric Displays)、全息技术(Holography)。
立体图像对是目前发展最成熟也是应用最广泛的3D显示技术，戴立体眼镜看3D电影和裸眼就能看到立体效果的显示屏都是基于这种技术实现的。它的基本原理是，先产生场景的两个视图或多个视图，然后用某种机制（如佩戴眼镜）将不同视图分别传送给左右眼，确保每只眼睛只看到对应的视图而看不到其他视图。如果观察者无需佩戴立体眼镜即可看到立体效果，则称为“裸眼立体显示”。
虽然立体图像对技术能够提供立体感，但它本质上只是空间中两张或多张平面图像，通过“欺骗”人眼视觉系统而立体成像。这类技术会使人眼产生矛盾的晶状体焦距调节和视线汇聚调节，长时间观看会产生视觉疲劳。而体显示技术与之不同，它物理上显示了三个维度，能在空间中产生真正的3D效果。成像物体就像在空间中真实存在，观察者能看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的3D透视图像。从数字图像处理技术来说，平面图像对应了二维数组，每个元素被称为像素；而三维图像对应三维数组，每个元素被称为体素。体显示技术正是在空间中表现了这个三维数组。
根据是否有机械结构，体显示可分为两种实现方式，扫描体显示(Swept Volume)和静态体显示(Static Volume)。扫描体显示技术利用高速旋转的平面反射光线，并通过视觉记忆而立体成像。一个成功的产品是Actuality系统公司的Perspecta 3D显示器。而静态体显示的典型产品是Felix3D公司的SolidFelix，它以含有稀土元素的晶体作为显示介质，使用两束相干激光照射晶体内部空间点发光。另一个静态体显示技术的产品是DepthCube系统，它使用20块液晶屏层叠而成，任何时刻只有一块屏工作，其他都是透明的，而图像也只投射到工作的显示屏上。DepthCube在这20块屏上快速切换显示3D物体截面从而产生纵深感。
全息技术是利用光波的干涉和衍射原理记录并再现物体的真实感的一种成像技术。全息照片记录了物体拍摄时的干涉条纹，重现时用相干光源照射全息照片，根据光的衍射而立体成像。全息技术再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。除用光波产生全息图外，现在已发展到可用计算机产生全息图，然而需要的计算量极其巨大。全息术应该是3D显示的终极解决方案，但目前还有很多技术问题有待解决，短期内难有成熟产品量产。
立体眼镜的作用
众所周知，看3D版的《阿凡达》需要戴一种眼镜。这种眼镜是起什么作用的？原来，观察立体图像对时，需要一种机制分离左右眼图像，使左眼只看到左图，右眼只看到右图。立体眼镜所起的就是这种作用。
曾经有一种外观很像望远镜的立体镜，左右镜头直接将相应视图送到左右眼，然而这种装置只能供单人观看。使用单一显示设备并允许多人观看的常用方法是帧切换技术。左右视图交替在屏幕上显示，一种遮挡机制使得播放左视图时遮住右眼，播放右视图时遮住左眼。早期人们使用机械装置在显示刷新时遮挡对应的眼睛。而新技术使用光电方法完成遮挡，立体眼镜也更轻便。
液晶屏可以用来制作高速切换的快门眼镜，这是利用了液晶分子加电时重新排列从而改变液晶屏透明性的原理。电子脉冲使镜片变得透明，允许光通过。没有电脉冲时，镜片不透明，眼睛就看不到图像。显示设备可以是电脑显示器也可以是投影仪。左右镜片的电脉冲随显示设备上的左右视图交替而交替，快门眼镜需要通过红外连接或电缆连接与显示设备同步。由于被左右两路视图轮流占用，显示设备要达到120Hz以上的刷新率才能避免画质闪烁。与下面介绍的偏振式立体眼镜相比，快门眼镜里因有光电控制设备因而造价较高。
偏振立体眼镜利用了光的偏振特性。显示设备表面附有一个偏振控制器，根据左右视图播放轮流产生偏振方向相互垂直的偏振光。观察者佩戴的偏振眼镜配合显示设备的偏振光，其效果相当于遮挡快门。当左视图显示时，显示设备发出的偏振光平行于左眼镜片的偏振方向，左眼能看到左视图，而右眼镜片偏振方向与之垂直不能看到左视图。右视图显示时，情况与之相反。
如果使用投影方法，可以安装两个投影仪避免左右视图切换，图像看上去也较亮。这就是我们所说的双机放映。一个投影仪播放左视图，另一个同步播放右视图。两个投影仪镜头使用方向互垂直的偏振片。然而，使用两个投影仪总会给调节图像带来很多困难，因为来自不同投影仪的左右视图需要对齐，亮度要一致，图像大小要一致。由于两个投影镜头位置不可能重合，投影图像的梯形畸变不能完全一致。为最小化两投影图像的差异，两个投影仪通常上下排列。
偏振图像看上去较暗，这是因为经过偏振后光不能有效地传播。如果使用投影设备，投影屏幕最好涂有一层不会消偏振的材料。影院里采用软金属屏放映的效果比白屏要好，就是因为金属屏幕几乎不破坏偏振光。但采用偏振方法的立体显示设备通常播放端造价较高，而偏振眼镜很便宜，对于大量观众也不会增加很多成本，所以对于电影院和商业展览是一个好的选择。
裸眼3D电视如何呈现立体效果
不用戴眼镜就能看到立体图像的技术被称为“裸眼立体显示技术”，裸眼3D电视就属于这一类。裸眼立体显示可以通过在普通平面显示器前放置狭缝光栅或柱镜光栅实现。图1以双视图为例示意性说明了其原理。显示器的像素沿水平方向被分为两组，比如一组为奇数列的像素，另一组为偶数列的像素。这两组像素被分别用来显示左右视图，或者说，左右视图以列交错的方式显示在屏幕上。
图a在显示器平面前放置狭缝光栅，狭缝方向竖直并与像素分组配合。狭缝光栅类似于生活中的栅栏，光只能从狭缝中通过。观察者前后调整与显示器的距离，在某个特定距离下，透过狭缝每只眼睛刚好能看到属于其中一个视图的那组像素，而不能看到属于另一个视图的像素。这种效果也可由柱镜光栅实现（如图b所示），柱镜光栅由细长的半圆柱形透镜排列而成，其焦点落在显示屏表面，柱镜将像素发出的光平行投射出去。柱镜位置要与像素位置严格配准，使不同视图像素发出的光到达不同的眼睛。
狭缝光栅制作成本较低，但狭缝光栅法挡住了一部分光，图像看上去较暗。柱镜光栅加工精度要求高，而且由于显示平面发热还要考虑柱镜材料的热胀冷缩系数，这个问题在制作大尺寸显示器时尤为突出。这两种光栅实现方法一般适用于液晶显示器或等离子显示器，而不适用于旧式的CRT显示器，因为CRT显示器的像素显示位置会有漂移从而影响立体成像。光栅也可以用于纸质印刷品上，这就是我们见到的立体相册和立体画。
虽然光栅法能实现裸眼立体显示，但不能保证在任意位置都能看到立体效果，它有一个最优观看距离。从附图可以看出，在最优距离下左右移动头部有50%的机会看到的是左右颠倒的图像，而不能立体成像。如果不在这个最优观看距离上，则会进一步减少看到立体效果的机会。增加视图的个数可以改善这种情况。现在产品化的裸眼立体显示器多采用8个视图，此时在最优距离下也有1/8的可能性看不到正确的立体匹配。然而，增加视图数量却是以牺牲清晰度为代价。不同视图的像素按特定交错方式显示在屏幕上，视图总数越多，属于每个视图的像素数就越少，立体成像的分辨率也就越低。
除光栅法外，还有很多其他方法实现裸眼立体显示，如前面提到的帧切换方法和多投影仪方法。帧序列方法用单一的显示设备高速切换显示多视图，每个视图在时间上是断续的，但其在空间分辨率上没有损失。为提高空间中的可视区域需要增加视图个数，而这对帧切换方法的显示设备刷新率要求很高，这种方法还只停留在实验室里。多投影仪方法的立体成像在空间分辨率上没有损失，时间上也是连续的。它的主要问题是设备成本太高，因为每增加一个视图就要增加一个投影仪。另外，多投影仪间的对齐校准也较为复杂。
3D显示技术前景看好
近年来，许多研究机构都在立体显示原理方面做了广泛深入的探索，如英国的剑桥大学、美国北卡罗来纳州立大学、日本早稻田大学、澳洲科廷理工大学都有实验室在进行相关的研究。而工业界则注重将技术产品化，如荷兰的飞利浦已经在裸眼立体显示器方面做出成熟产品。日本的夏普和日立则将三维屏幕应用到手机上。中国台湾厂商奇美电子、友达光电在提高立体显示性能方面积极展开研发。国内厂商天津三维、超多维和创图视维也推出多种自主知识产权的立体显示产品。
在今年国际电子消费展上，松下展示了一块152英寸四倍高清（4096×2160像素）的三维等离子显示屏。索尼发布了不同尺寸的最新3D高清电视系列。LG推出首个具有3D功能的超薄高清电视，刷新率达到480Hz。三星则展出不戴眼镜就能欣赏的3D电视。国内厂商海信也展出55英寸LED背光3D电视。
有了3D电视，还要有3D节目源。英国天空电视台已经宣布今年内将启动欧洲首个3D电视频道。美国娱乐和体育电视台(ESPN)将从今年6月起用3D方式转播南非世界杯。美国探索发现频道也将同索尼公司和IMAX公司合作，于2011年推出24小时不间断播出的3D频道。《阿凡达》等3D影片的成功上映将促使电影产业朝立体化方向迈进，好莱坞将推出越来越多的立体电影，梦工厂、迪士尼制作的动画片将全部使用立体格式，而一大批经典电影也将制作成立体电影重新上映。
然而，立体电视走入家庭恐怕不能像彩色电视取代黑白电视、高清画质取代标清画质那么顺利。首先是立体片源缺乏，立体视频的拍摄和制作比传统视频复杂不少，原有的二维视频转成三维视频仍需大量手工操作；其次是观看立体画面需要购置全新的立体显示设备，而立体电视机目前还较为昂贵；其三是目前主流的立体显示技术仍需要佩戴眼镜，这改变了人们通常看电视或电影的习惯。另外，立体图像对技术并不是物理空间中的真正的立体影像，它实际上欺骗了人眼视觉系统而产生的立体“错觉”，长时间观看这种图像会产生眼部不适。尽管有这些问题的存在，但是立体显示正在走入我们的生活，技术的日新月异正在给我们带来全新的视觉体验。
链 接：看3D电影为什么会头晕
不少看完《阿凡达》3D版电影的人都有头晕的感受。究其原因是因为如今的3D电影采用的是立体图像对的3D显示技术，可以说只要是采用这种技术，就会引起一定程度的头晕。
如正文所述，采用立体图像对形成3D影像时，需要两个视图。这两个视图通常由两个并排放置的相机同步拍摄得到，两个相机应该保持光轴平行，并具有相同的光学特性，如焦距、视角大小、感光度等。相机没有校准对齐就会引起头部疼痛、眼睛疲劳、恶心或其他不适症状。成像点与显示屏之间的距离大小也应有一定范围，因为人眼视觉系统要在左右视图中搜索匹配对应点。如果正视差（即成像点在显示屏之后）过大，会产生两眼视线分离，即左眼向左看，右眼向右看。负视差（即成像点在显示屏之前）过大则会导致对眼。另外，立体图像纵深变化过快也会引起人眼不适。
双视图立体成像还会使人眼视觉系统的晶状体聚焦调节和视线汇聚调节相互矛盾。为看到投影平面上的清晰图像，眼睛会调节焦距使之适合于这个平面的空间深度。而当左右眼视图中的对应成像点匹配之后，如果双眼视线交叉点不在投影平面上，也就是说人眼感知的空间点在投影平面的前方或后方，眼睛就要再次调节晶状体焦距适应于这个空间点的深度。而这反过来使投影平面上的图像不能在视网膜上清晰成像。人眼的这种反复调节容易引起不适。为减少这种情况的发生，立体电影在制作时，通常将过远和过近的景物模糊化，使人眼尽量聚焦在投影平面附近。
观察立体图像时引起不适的另一个常见原因是视图之间的交叉串扰。这是指应该被一只眼看到的图像却不同程度地被另一只眼看到。这时，看到的图像会显得模糊或重影。这种现象也被称为鬼影。交叉串扰会引起左右视图融合困难。当使用同一个显示平面显示双视图或多视图时，串扰就会或多或少地存在。以前立体电影使用红绿眼镜，左右两视图不能很好分离，串扰现象严重。现代的立体眼镜使用了新技术，这种情况会得到很大改善。
