3D液晶显示及其应用Word文档格式.docx
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2005年已经有超过150个成员参与3D产业，包括所有重要生产商。
可以看出的是，此3D组织必将在3D市场的发展中发挥越来越重要的作用。
通过3D组织和3D产业公司的各自努力，大量的重要的学术活动和技术研讨开始出现，这将有利于技术整合，以期使终端的消费者能轻松地创造或修改图像或其他数据成为可能，让消费者体验到3D显示带来的乐趣。
在本文章中，视差屏障技术用来作为描述3D液晶显示器的一个参考，一些利用此种技术的3D显示器已经出现，因为其能很好地适应消费者产品。
文章组织如下：
第二部分，检查人类视觉系统（HVS），了解基本3D显示技术，明白它是如何工作以及如何让我们拥有3D感的；
第三部分，细数相关内容挑战，也就是必须发展的一些工具，以把真实的和人工的数据转换成有用的3D图像；
第四部分，列举3D显示器的应用；
第五部分，我们展望下3D显示技术的未来；
第六部分，做总结。
二、3D显示技术
3D图像可以实现对真实世界非常逼真的重现，实现对真实的或人工的画面的很好描述。
如果使用3D技术，一个人类观察者可以很容易很快地理解数据，这可以从液晶显示器的自然发展中看出来，先是黑白色，然后是多彩色，后是全彩色，现在3D。
在这部分中，我们将比较一些核心3D显示技术。
1、3D人类视觉系统
看到3D的主要机理源于两只眼睛观看图像时所依赖的观察点不同，然后图像经过大脑的处理产生深度感，此过程被成为立体视觉[1]。
一般认为，立体图像对被大脑处理成单一的观察点独立的图像加上一个深度图像，这被成为中心眼观察[2]。
深度感和动感是相互依赖的系统，用来判断距离和速度，这是人类的基本生存技能，比如，用来帮助发现隐蔽的捕食者。
从中可以看出，对人类观察者来说，需要同时考虑生物和心理两方面来呈现一幅人工3D图像。
HVS通过加工处理一系列线索来感知深度。
（1）单眼深度线索：
有一些以2D图像呈现的线索来让人感知深度。
·
遮蔽：
来自太阳或其他光源的光投射出影子，其随景物中物体的深度而变。
锁柱：
当景物中的一个物体和另一个物体重叠了，或一个物体移动到显露的背景里面甚至是自己的背景里面（自锁柱）
相对尺寸：
当同类的两个或更多物体在景物中可见时，前景中的物体看起来要比背景中的相同物体大；
HVS判定这些物体实际上是同一尺寸，小的物体必须在远的地方；
同样，HVS可以凭记忆判定一个物体的实际尺寸；
尺寸的改变被理解为观察者距物距离的远近。
雾化：
景物中一点离观察者越远，越多的大气颗粒——如灰尘和雨滴——使此点周围部分显得模糊。
焦距：
观察者将一个已知的深度和焦距联系起来，这也被称作自调节。
远景失真：
平行线在消失点看起来相交在一起。
纹理梯度：
纹理梯度随着离观察者越来越远看起来变紧凑，这与远景失真相似。
上面列举的深度线索可以理解为观察一幅图像所得。
运动视差是一种瞬间单眼线索，一些图像需要用来理解深度。
随着观察者移动，运动视差导致远处的静态物体看起来要比近处的静态物体相对运动得慢点。
（2）双眼深度线索：
这些线索一般是取向（有时称为角差异）和水平差异。
取向是眼睛为了聚焦物体必须转向的角度，如图1（a）。
水平差异指的是景物中两个点投射到眼睛背部的视网膜上后形成的图像中看起来的距离，如图1（b）。
图1取向（角度差异）和水平差异作为主要深度线索
（a）场景中不同点的取向（b）盒状物体最近边缘的水平差异
取向自调节竞争可以削减双眼深度线索效应。
在自然景物中，眼睛在某个物体上的聚焦和取向都始终和物体的远近保持一致。
对于这篇文章中介绍的一些立体显示器，显示单元总在同一显示平面上，但可以显示两个不同的图像。
观察者眼睛转向物体聚焦，从而实现正确取向，但焦点在显示器同一平面会导致不协调。
众多单眼和双眼线索的结合便可以产生3D效果。
结果，相比于一些线索比较多的图像，线索比较少的别的图像更容易看到深度。
这在某种程度上会掩盖看到的3D显示效果。
（3）立体人工痕迹。
在3D显示器上观看3D图像时可以看到一些人工痕迹，其中一些来源于3D显示器的制造过程，另一些则来源于没有较好处理产生的图像。
这些人工痕迹会削减深度效应。
复视：
当水平差异过大时，视觉系统不能融合两幅图像，景物中的物体看起来会变成两个。
画面消除：
当某个物体的3D图像拥有向前的深度，其不应该显示在显示器的边缘。
当显示器边缘堵塞物体向前的深度时会发生冲突。
相对于观察者来说，远处的物体不应该遮住近处的物体。
纸板箱效应：
是这么一种现象，对观察者来说，不同深度的3D物体像在纸上一样给人以平面感。
也就是说，每个物体仅有一个深度而不是一个详细的表面。
这种效应在有限深度分辨率的显示器上更为显著。
2、3D显示类型
大部分3D显示技术可以产生前后深度。
图2表示当3D物体在前后屏幕时，左右像素的水平差异是如何起作用的。
对屏幕表面的物体，左右像素重合。
景物从显示屏（这构成单一平面）一般被投射到空间中一些平行平面上，如图3所示。
图像应当因此由相互平行的摄影装置形成。
如果图像不平行，则将引进不舒服的失真。
常常存在这么一个错解，那就是由于眼睛趋向于聚焦在3D空间中的各点，一个前束照相系统是必需的，这将在第二部分第二节和第三部分第三节第一小节中有详尽讨论。
一个立体显示器投射出两幅图像，用户使用与显示器配套的特殊眼镜，可以将恰当的图像分配到正确的眼睛上。
图23D显示器产生的前深和后深
立体影片眼镜使用蓝红或绿红的彩色滤光器。
显示器上的每幅画面用彩色滤光片着色，一幅画面的红色通道和另一幅画面的蓝绿通道相结合成立体影片，实现3D色彩。
使用彩色滤光眼镜，眼睛获取深度和色彩的合理感知，尽管每只眼睛不见得能接收到正确的彩色信息。
偏振眼镜使用不同偏振方向的镜片，显示器发出的光线使用和画面对应的不同角度的偏振方向。
液晶立体眼镜（LCS）阻挡每只眼睛接收的与显示器同步的光线，显示器分别向左眼显示左边的画面，向右眼显示右边的画面。
为了减小闪烁，转换时间必须足够快。
现如今，只有CRT型显示器可以达到足够快的转换时间来减小闪烁到令人接受的水平，即使如此，也仍会有一点闪烁感。
还存在一些其他问题，如降低转换速度的CRT荧光物质和眼镜[3]。
基于眼镜的系统有很多缺点，如对于已经戴有眼镜的用户，同时戴第二个眼镜会感觉不舒服，也有用户担心先后共用眼镜的卫生问题，也不舒服和不方便再同时干其他事情，如阅读和在纸上书写。
一种自动立体显示器不需要特殊的眼镜，不同的光学元件被用来每幅画面到显示器前的空间。
当用户的眼睛位于被称为观看窗口的区域时，每只眼睛接收不同的图像，从而HVS看到3D图像（图3）。
对于这类显示器，用户应当以一个特殊的距离面向显示器来避免画面重叠。
自动立体显示器分为以下三类：
图3自动立体显示器的基本规律当用户位置正确时，
每只眼睛看到一幅图像，两幅图像在大脑中融合产生3D图像。
固定式观看窗口型：
显示器被设计成显示器前面固定位置的两个窗口，用户必须处在旁边正确的位置以使眼睛可以看到正确的图像，因此只适合一个用户使用。
观众跟踪型：
显示器使用带有摄像机的可调节光学器件，用户脑袋跟踪使用录像画面以使他们看到正确的3D图像。
总的来说，仅一个用户在同一时间可以观看显示器，但他们不被位置限制。
多画面型：
显示器产生固定位置的多幅画面，如图4所示。
相邻的画面形成立体对，多个用户可以分别从不同的画面对观看立体画面。
如果用户移动，很容易重新定位来使每只眼睛在不同的画面对里。
多画面显示器自然而然拥有可以到处观看的特性。
到处观看的意思是，用户可以在两幅画面间移动，从不同角度观看景物，而不是要从不同位置观看同一幅立体图像。
当正确地提供运动视差和闭塞区域时，这种效应尤其明显。
通过使用随用户移动改变视角的追踪技术，到处观看同样适用于二画面或2D显示器。
这种显示器通常会重复画面，不幸的是，当某个位置的观众观看画面n和1时存在一个转换。
另一个缺点是，多画面显示器通常每幅画面的分辨率较低。
图4一个四画面多画面显示器
临近画面（1和2、2和3、3和4）形成立体图像对。
为了减小观看时固定位置对使用的影响，一些显示器使用“最有效点指示器”来提醒处于正确位置的观众。
这种由夏普发明的指示器在屏幕底部装配有一个小红条，当用户处于正确位置时，红条不发光，不会从显示器吸引注意力。
当用户移动到过于靠左或靠右的位置，红条逐渐发光。
如果用户位置太远或太近，红条边缘也会变亮。
图5所示为显示器相关部分的视差障碍结构。
图5最有效点指示器帮助用户正确定位水平观看位置，
图中仅红色亚像素被点亮。
（1）LCD：
在这部分，我们介绍3D液晶显示器的主要类型。
任何种类的矩形显示器都可以被用作3D显示器，具体哪种显示技术会占据市场还不清楚。
最近液晶显示器成本的下降，为一些已有立体显示技术应用于3D显示器的量产提供了可行性。
总而言之，显示技术是液晶显示器量产的标准，但还必须附加一些别的光学器件。
视差屏障型显示器[4]使用一系列简单的垂线来阻挡从被选择的组成像素发出的光线到达用户的眼睛，如图6所示。
通过仔细选择屏障形状，可以调节观看窗口的位置和角度。
视差屏障的主要缺点是屏障减小了显示器亮度。
图6视差屏障式显示器
透镜型或整体型显示器[5]使用附着于显示器上的高精度微小透镜，如图7所示。
透镜通常是倾斜的，来改善多画面显示器观看区域的过渡。
同时分辨率损失可以在水平和垂直方向分担（而不是垂直方向无影响，水平方向很低）。
透镜型的主要优点是可以无损耗传输亮度，缺点是比较难从3D到完美2D转换。
同时，由于这种方法涉及像素到观看窗口平面的放大，像素中一些不协调的特点（包括像素间的黑色掩盖）也同样被放大，而成为观看窗口强度轮廓的一部分。
注意：
视差屏障型和透镜型都必须保证高精度来避免串扰。
时序显示器[6]后面使用一个方向可以改变的引导光源。
在第一个时间帧，光线被引导到左眼，因而左边的图像被显示；
在第二个时间帧，光线被引导到右眼，因而右边的图像被显示。
两幅画面都将拥有全分辨率，它有个缺点就是显示器刷新速率加倍了。
这导致倾向于用120Hz摄像速率图像，这是现行液晶显示器可以达到的极限速率。
图7透镜式显示器
头载式显示器是保护眼睛式显示器。
它给人身临其境的体验，常被用在虚拟显示系统中。
每只眼睛观看一个位于眼睛旁边的小型显示器（对角线长度小于1），提供一个真正的立体显示。
小型显示器的分辨率可以很高，但是成本也很高（高分辨率小型显示器主要由LCD投影仪市场发展）。
因为显示器重量施加在头上，长时间使用会产生疲劳。
当显示器离眼较近时，用户必须聚焦在远处的图像上，这让人感觉不自然。
而且，同一时间只能一个人使用显示器，如果不摘掉它，人们不能干诸如记笔记的其他工作。
其他基于LCD的显示器：
来自Vrex的基于镜片的系统（称为Micropol）依赖于一个成型的偏振片阵列。
不同的偏振方向依次和像素联系，对应的偏振片覆盖眼睛。
Israeli公司发明了一种二液晶显示器系统。
立体数据编码在偏振方向上，提供一个需要眼镜或无需眼镜的方法[7]。
对于多画面和二画面显示器，视差屏障法和透镜法读能使用。
多画面显示器由于需要高刷新率而不适合采用时序驱动。
举一个简单的例子，视差屏障法的屏障间距要是LCD图像像素间距的两倍。
实际上，必须做一个小小的修正，以使从显示器边缘和从显示器中心像素到观察者的光在观看窗口中占据相同的位置，这就是所谓的观察点修正。
对前置屏障系统，屏障间距b和LCD图像像素间距有关系式：
其中p是LCD图像像素间距，e是眼镜间距。
对后置屏障，方程式变为b=2p/（1+p/e）。
观看窗口的亮度轮廓和由此而来的图像串扰可以通过屏障和像素的衍射分析来计算，这在文献[8]中有详细介绍。
（2）其他类型的3D显示：
这部分我们将简要介绍一些其他类型的显示器以做参考。
体显示器将图像投射到一个真正的3D空间。
扫描式体显示器将图像投射到一个快速选择的面积上[9]，这个显示区域很小，但是拥有高立体像素。
另一种类型是多重或堆叠平板显示[10]。
它们使用多个平面来制作深度层，如图8所示。
这些深度层限制了深度方向上的分辨率。
由于光线穿过每一个平面或镜面时会引起损耗，因此这种方法亮度较低。
体显示器没有取向自调节问题，但是有一些其他缺点：
它们通常需要一个大的空间，很贵，图像是透明的。
图8两种类型的堆叠式3D显示器
全息显示器[11]是真正的3D显示。
它们记录景物中反射光的相位和幅度信息，它们是实现高质量3D显示的根本方法，因为没有取向调节竞争，且可以让多位观众从多角度观察。
主要缺点是实时全息摄影所需的带宽过高。
对于一个高质量的全彩台式机大小的显示器，数据速率在100Tb/s的数量级。
已经发展了诸如窗口配置分立图像后平行计算[12]的一些技术来解决驱动问题，但分辨率依然很低。
由于激光照明的本性，这类显示器通常是黑白色的。
其他一些研究团体已经提出利用全系光学元件来产生自动立体显示器。
尽管它们包括固定全息术，仍然像其他立体显示器一样存在观看位置限制的问题。
一段时间一来，已经提出和论证了很多种类的技术用于3D显示器，涉及材料获得的难易程度、元器件、成本、尺寸等等。
我们注意到很多有意思的现象，3D显示技术之间的竞争分歧很多，真可谓天壤之别。
最近几年，由于LCD成本下降，视差屏障型显示器开始越发引人注目，大量生产的CRT显示器也达到了一个像素位置可以足够精确定义以可以考虑使用屏障的水平。
LCD除了具有相应的像素位置精确度，还具有一些其他优点，那就是它们可以方便地按比例放大和缩小而不必引起技术原则的改变。
3、3D液晶显示器驱动问题
（1）隔行扫描：
所有的3D显示器都需要修正输入来依据对应图像驱动正确画面。
为了实现上述步骤，图像必须在亚像素级被组合，被称为隔行扫描，尽管它和传统的如用在CRT显示器的隔行扫描没有关系。
图9所示为用于3D视差屏障型LCD的亚像素隔行扫描的一个例子。
通常认为对于视差屏障型显示器，隔行扫描简单地表示为左像素-右像素-左像素……但从图表中可以看出，隔行扫描需要设定在亚像素级，这时亚像素按R-G-B排列。
如果显示器旋转，亚像素隔行扫描可以避免，但旋转图像不方便，且大部分用户喜欢风景导向型的显示格式。
隔行扫描工作在显示前的最后一步，如果隔行扫描的图像易于受到显示前有损压缩的影响，图像就会重合，产生串扰（见第二部分第四节第四小节）。
视差屏障型和透镜型自动立体液晶显示器通常需要高的驱动精度来获得亚像素精度，尤其存在像素和其他电噪声微小扰动时，否则，这将导致图像串扰。
在这种情形下，仅仅电源和显示器或类似结构间的数字视频接口（DVI）连接可行，它可以实现亚像素定位。
如果容限很低，传统的模拟驱动信号可以使用。
图9亚像素交互模式
（2）2D/3D转换方法：
可以在2D和3D之间转换，提供给那些需要两类显示器的用户很多方便。
大部分用户希望能在2D和3D模式之间转换，因为他们不想桌子上放有两台显示器。
如果一个3D自动立体显示器用来显示2D信息，将会看到一个常见的失真，尤其对于文档信息，这是因为每只眼仍只能观看像素的一个元，尽管数据不再提供一个立体图像对。
为了提高3D显示器的吸引力，可以关闭3D功能来用作2D显示器是大家期望的。
已知不少技术可以实现这个转换。
视差屏障的不透明条纹可以构成任何组件来隔光，从而为实现2D/3D转换提供了可能。
例如，一个简单的额外的LCD设备，它的电极形成视差屏障的形状。
断电时，整个区域可透光，设备不发挥3D功能（2D模式）；
通电时，屏障作用开启（3D模式）。
图10所示为一个后置视差屏障式可转换2D/3D显示器。
或者，可以用到一个固定的屏障加一个可转换扩散器。
关闭透镜功能一般比较困难，因为透镜的物理效应也将失去。
这可以通过控制与透镜相关的液晶取向实现，以使某个状态下无折射率对比，从而失去透镜功能。
也可以使用其他方法，如偏振敏感透镜[13]和可转换渐变折射率液晶透镜。
图10使用视差屏障的2D/3D转换
4、制造高质量3D显示器的挑战
（1）亮度：
光学元器件是遮光的，如视差屏障。
这减少了到达观众的光量，且减少了可感知的显示器亮度，当设备是手提式的或工作在室外时，这种问题尤其重要。
由于光在透镜边界的散射损失，甚至透镜也有亮度问题。
当显示器在3D和较亮的2D模式之间转换时，光损失尤其明显，理想的情形是2D模式和3D模式拥有相同的亮度。
为了显示高质量图像，好的对比度也是很重要的。
（2）分辨率：
立体显示器需要两幅图像，多画面显示器则需要更多的。
显示器潜在的分辨率是固定的，因此像素必须根据画面数量划分。
一个两画面自动立体液晶显示器同时播放两幅图像，用户同时看到这两幅画面（每只眼睛半分辨率），可以证明HVS插补每幅画面中失去的信息，然后将左右画面在大脑中融合在一起。
尽管每只眼睛看不到全分辨率图像，显示器分辨率也都要使用。
被n幅画面驱动的多画面显示器通常仅显示每幅画面水平分辨率的1/nth，在一个位置，用户只能看到整个显示器分辨率的2/n，屏幕上文字不适合阅读，图像中细节也丢失了。
依据某个特定的分辨率或者画面数设计的图像需要滤除防混乱信号来适合另一个显示器，这是过程中不受欢迎的一步。
未来3D显示器期望能显示水平方向全分辨率。
就有效立体像素分辨率而言，上述大部分显示器没有立方像素。
视差屏障型、透镜型、时序型显示器上深度分辨率的数量，直接由可产生的水平差异范围决定。
（3）障碍物可见度和观察者自由度：
视差屏障型显示器存在尖桩篱栅或牢房铁栅效应。
当屏障线间距大和/或隔光黑线宽大时，结构可见，这类似于CRT显示器的素模板问题。
可是，仔细设计屏障可以用来分解这个结构（例如，可以交错屏障线）。
结果一般是，眼睛观看的条纹频率要比每度20条线大，以使其在人眼的空间分辨率之上[14]。
自动立体显示器的观看窗口中心一般设置成62mm宽，等于人眼间距。
从一个典型的观看窗口的图示（图11）中可以看出对于一个给定的最大边缘观看窗口自由度，有一个最大的距屏距离（可以看出，一个较小的眼间距也能获得一个较小边缘自由度的3D效应）。
原则上，这个边缘自由度应该是62mm，但实际上通常小点。
像素和屏障上的衍射将影响这个，但给定一个已知的像素结构，可以优化屏障设计来使这个参数最大化。
图11自动立体显示器由最优观看距离决定的最好观看自由度
必须指出的是，随着用户往一边移动，62mm之后，她将移动进一个区域，这个区域中左眼看到右眼的图像，反之亦然。
自动立体两画面显示器通常存在额外的边缘观看区域，如图11所示。
当用户往任意方向移动进某个区域时，她发现自己处于一个幻视区域，这个区域中左边的图像在右眼的观看区域中，反之亦然。
随着虚拟系统接收到冲突信息她感觉不舒服，这将在第三部分第三节第一小节中详述。
移动到更远时，可能看到另一个立体观看区域。
以亮度为代价，有包括额外屏障的技术可以消除幻视区域。
（4）串扰：
在3D显示器的书籍中，串扰指的是左边图像泄漏进右边视野和右边图像泄漏进左边视野的量。
当串扰太大时，大脑就分辨不了两个不同的视角而感觉都一样。
这时候深度效应消失了，相反，两个不同的画面可见（看起来像CRT的重影）。
当串扰不显著时，3D效果仍然存在但会让人不舒服。
高质量显示的预期串扰水平要低于5%。
高于10%的话还能接收，尤其对于小尺寸显示器和低深度的图像。
串扰可以通过删除从右边图像扰进左边图像的部分纠正，反之亦然。
仅仅一小部分的补偿是可行的，如果要较大程度纠正，图像对比度就会降低。
纠正算法可由适当的硬件即使实现，如文献[3]。
串扰是显示器制造商面临的最大挑战之一。
制造一个视差屏障和透镜的精确度和制造一个LCD的精确度拥有同样的量级。
装配过程中两个部件的校准同样需要精确度。
生产大体积低串扰3D显示器需要在能够提供所需容限的生产设备上的高昂投资。
（5）3D的公众认知：
社会上大部分人还没有见过一个现代的3D显示器，甚至一个自动立体显示器，他们认为需要佩戴某些类型的眼镜或者眼罩，他们通常熟悉能够产生“眼镜凸出式”3D显示的极端深度类型，这让他们感到厌恶，因此对于持续的眼睛疲劳效应会有很多担心。
从历史上来看，这归因于二十世纪五十至六十年代3D和电影的综合。
此时，3D显示已经非常成功，但是很多导演仅仅使用3D制造新奇因素，而常常使用过度深度。
最终，由于缺乏设置摄影机时所需的细心和协调一致的投影系统，3D已经过时。
更详尽的信息请参考[15,p.37ff.]。
5、3D产品
现今市场被自动立体液晶显示器充满。
夏普已经上市五种消费产品：
两种移动电话，两种笔记本电脑，一种台式机监视器，如图12所示。
这些全是可转换的视差屏障型自动立体显示器。
夏普已经卖出了几百万3D移动手机，特点是软件可以把相机拍摄的2D图像转换成3D。
新3D图像可以从在线服务器下载，只需要花很少一部分钱，还有3D游戏。
图12夏普3D消费产品笔记本和监视器装有软件，用户可以设计自己的立体图像和用于游戏的驱动程序。
（a）SH251iS和SH505i电话
（b）LL-151-3-D监视器（c）RD-3-D笔记本（d）AL-3-D笔记本
其他公司出售基于LCD的技术，包括DTI（自动立体2D/3D可转换
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