技术分析：细说3D投影机技术原理

3D技术的发展

    虽然3D技术早就为大众耳熟能详了，3D技术在市场上也有了多年的发展，包括3D电视、3D显示器以及3D投影机。但是到底什么是3D技术？3D技术可以获得什么样的显示效果？

    3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。而3D技术就是虚拟三维的技术，通过利用计算机的运算达到视觉、听觉等方面立体效果的一种技术。在电影中实现3D技效果就是利用双眼立体视觉原理，使观众能从银幕上获得三维空间感视觉影像的电影。

    简而言之，3D技术使用两个互相重叠的图像来增加观看者的深度感。一幅图像作用用于右眼，另一幅图像用于左眼。节目以一种专门的摄像机拍摄，这种摄像机有左右分开的两个镜头，很像你的眼睛看到两副具有些区别的图像的那种方式。这就产生了深度感，使得图像仿佛由屏幕表面向后方延伸，有时又仿佛从屏幕往观众方向伸出去。

    目前，市场上已经有了四种比较成熟的3D显示技术，包括彩色立体三维、偏振三维、立体三维以及最新的DLP Link技术。这四类技术是当前被广泛采用的3D投影技术。由于各自原理的不同，成本上也不同，效果同样也是不一样，各自独占一片市场。

    其中，彩色立体三维，在市场上推出的时间最长，原理也最为简单，而成本最低的技术就要属彩色立体三维技术。这种技术的原理比较简单，通过物理学原理，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两个图像，最常见的滤光片颜色通常是红/蓝，红/绿,或者红/青。

    DLP Link技术，它是美国德州仪器在09年上半年发布的最新3D投影技术。它主要是在立体三维技术的基础上进行完善实现的。DLP Link技术的原理与立体三维技术大致相同，唯一的区别是3D信号的传输不是由红外装置，而是通过DLP投影机中的DMD芯片的闭合来控制3D信号的传输。

偏振光式和立体三维的优缺点

主流3D显示技术

    偏振光方式

    光线偏振系统被用于商业影院和其它高端应用。这些方式提供了商业影院中的高品质3D体验，而数字投影机的流行使得3D效果更上一层楼。在一个偏振光系统中，来自一台或者多台投影的光线通过一个偏振滤波器，使得所有的光波在同一方向上振荡。观众佩戴的眼镜上的特殊滤镜，仅允许属于某只眼镜的光线通过。如果你曾经见过百叶窗，你就已经明白了这个概念——从某个角度你能够清楚地看出窗外，而从其它角度你的视线会被遮掩。为两只眼睛使用不同的偏振方向，使得两幅分离的图像可以被投射，一幅图像用于一只眼睛，从而产生深度感。

    目前在商用3D投影领域存在着两种不同的基于偏振光的系统。一个版本使用了两台投影机，每台机器拥有自己的偏振滤波器，分别投射左眼和右眼图像。该系统用于IMAX 3D播放。另外一种系统，被称为RealD，使用一台投影机和一个快速切换的单个偏振器来完成同样的事情。该系统在左眼图像和右眼图像之间非常迅速地切换，偏振滤镜同样也在顺时针和逆时针偏振方向中配合左右眼图像的改变而切换。再一次，偏振眼镜让观看者的眼睛只看见属于每只眼睛自己的信息。

    偏振光3D的优势

    色彩。与立体照片系统相比，使用偏振光系统时的色彩更为准确。虽然有一些源于眼镜的光线损失，但色彩更接近其原始值。鉴于眼镜的透镜本身几乎没有任何颜色，对用于偏振光系统的节目内容进行色彩纠正也更为容易。尤其是肤色，在一个偏振光系统中，看上去更为真实可信。

    被动眼镜。和立体照片3D一样，偏振光3D使用被动式的眼镜，廉价并且不包含电器元件。和立体照片3D不同的是，偏振光眼镜的框架通常是用塑料制作的，使其相比纸质框架的3D眼镜更耐用、更能重复使用。

    串线。偏振光3D系统相比立体照片3D系统具有更低的串线发生率。由于偏振光线的特性，左眼图像被右眼看到的情况几乎不可能发生（反过来也一样）。如果你的头向两个方向偏得太厉害，那么使用左右偏振光的系统例如IMAX会失去3D效果，但除非你睡到邻座的肩膀上，这都不会成为问题。

    偏振光3D的劣势

    亮度损失。与一个2D系统相比，所有的单投影机3D系统都有明显的亮度缩减。对于不是物理学家的ProjectorCentral的读者来说，亮度指的是从一个表面（在这个的例子里，即屏幕）以一个指定的角度（即朝向观众眼镜的角度）反射的光线。这和照明度不同，后者是对到达一个表面的单位区域的光线的计量，一般以每平方米的流明为单位，通常发布在我们的投影机评测中。

    在除了立体照片3D的所有3D系统中，这个损失是由于为左眼和右眼显示不同的图像而必需的快速切换。在观看一部3D电影的任何一个给定的瞬间，一只眼睛看见一个投射图像而另一只眼镜什么都看不到。这样，每只眼睛都只看到了屏幕反射的一半光线，立即导致至少50%的亮度缩减。我之所以说“至少”，是因为偏振镜和3D眼镜都不具有完美通光效率。偏振镜其本质上只允许投影机的总光量的一部分到达屏幕。3D眼镜还有一些进一步的亮度损失。最终的结果是画面的亮度显得比来自同一台投影机的2D电影低很多。

    这其实正是使用双投影机系统的主要优势之一。每只眼睛都从一台投影机的全部亮度输出中获益，虽然偏振镜和3D眼镜带来的亮度损失仍然存在。最终结果是一个明亮得多的画面，所有其它方面则是相同的。最后这句话是很重要的，因为所有其它方面很难做到相同。最为普遍的双投影机系统的商用实现是IMAX，使用一个比大多数RealD影院都大得多的屏幕。使用的投影机在流明输出范围上变化很大。偏振片和3D眼镜的效率也有很大不同。在判断哪个系统“更好”时有太多的变数，但两种系统都各有其优势。

    虽然3D眼镜本身不贵，但系统的其它部分却不是这样。要求至少一个高端数字投影机以及与之配合的特殊处理设备来管理同步，至少一个偏振光滤波器，以及一张镀银屏幕（传统的白幕不能保持光线的偏振性）。双投影机系统当然需要两台投影机和两组偏振镜。

    立体三维

    立体三维技术主要采用了帧序列的形式产生立体图像，立体三维技术的实现需要三个要素，首先投影画面的刷新率需要达到每秒120帧，其次需要一个红外信号发射器，另外就是需要一个可以接收红外信号的3D立体眼镜。

    当3D信号通过电脑（或者其他设备）输入到投影机中，图像以帧序的格式实现左右帧交替产生，通过红外发射器将这些帧信号传输出去，负责接收的3D眼镜在实现信号同步的同时与左右帧图像进行同步交替开关。从而观看到立体影像。

    优缺点：立体三维技术的投影机通常分辨率在XGA以上，图像质量好，并且不需要太多的附加设备。但是由于此规格的片源较少，并且使用红外传输信号容易受到视角的限制，因此影院里为了让不同位置的观众看到稳定的3D影像，会需要增加很多的红外发射器来实现。

干扰滤波器与快门眼镜方式优劣势

常见的3D应用技术

    干扰滤波器3D

    另外一种用于商业影院的3D实现使用了一种称之为干扰滤波器的技术，由一家德国公司Infitec制造。该系统使用一台投影机并且不需要镀银屏幕。Infitec 3D兼容的投影机有一个特殊的色轮被插入到灯泡和成像器件之间，将主色分离成不同的片段。想像一下：之前是红色、绿色、蓝色，现在则是红色1、红色2、绿色1、绿色2、蓝色1、蓝色2。特殊的干扰滤波器眼镜，允许左眼只看到标记为“1”的片段而右眼只看到标记为“2”的片段。3D眼镜使用额外的滤波器来就纠正对色彩的感知，因此眼睛所看到的东西是尽可能地接近原始电影的。你可能已经看过了这种技术：在商业影院中它被称为Dolby 3D（杜比3D）。

    Dolby 3D不如偏振光3D系统那样普遍应用于影院投影，但在伦敦Leicester广场的帝国影院举行的《阿凡达》的全球首映式，就使用了Dolby 3D。

    干扰滤波器3D的优势

    被动式眼镜。被动式眼镜是为商业影院和其它大型场地而设计的3D系统的共同的要素，因为其易于使用以及相对较低的成本。干扰滤波器3D眼镜相比偏振光眼镜，其制造更为困难。因此，它们被制造成具有较高的耐用性。透镜由玻璃制作，而结实的镜框甚至还有一个用于防盗装置的挂绳孔。与脆弱的偏振光透镜相比，它们更能抵抗擦挂和磨损。

    不需要镀银屏幕。数十年前，镀银屏幕被用于所有的电影，但它们逐渐失宠。镀银屏幕相比白幕，观看角度的限制更大一些，因此当投影机变得足够明亮，能够充分地点亮一张白幕的时候，镀银屏幕就退出了历史舞台。

    当年镀银屏幕的缺点，现在仍然存在：对于坐在偏离中间的观众来说，亮度下降明显。在一间商用影院中，这包括了相当一部分观众。鉴于干扰滤波器3D不需要使用偏振光，就不需要镀银屏幕，从而改善了每一个观众的观赏体验。坐在影院两边的人能够获得更为一致的屏幕照明度，而所有的观众都能获得和非3D电影一样的色彩保真度。

    干扰滤波器3D的劣势

    亮度损失。任何单投影机3D显示方式相比在同一台投影机上进行的2D显示，都会遭受显著的亮度损失。这并不意味着单投影机的干扰滤波器3D和偏振光3D系统总是具有相同的亮度，或者说双投影机的实现总是比单投影机系统更为明亮。单投影机的偏振光系统，干扰滤波器系统以及快门眼镜系统都有这个共同的局限性。

    专门的设备。在一台很多商业影院已经在使用的DLP影院投影机上安装一套类似于RealD的单投影机偏振光系统是可行的，这种改动不需要对投影机本身进行改装。鉴于Infitec 3D的机制工作在投影机内部，影院或者需要购买预装了Infitec色轮的影院投影机，或者需要让一个培训过的工程师将色轮安装到他们已有的DLP影院投影机的内部。

    昂贵的眼镜。被动式眼镜的最大的优势在于它们的价格不贵，因此人们可能会期待Infitec 3D眼镜也不会太贵。错了。Infitec眼镜的大多数制造成本在于透镜本身——玻璃必须进行多次镀膜才能区分不同的波长。Dolby最近关于3D眼镜的新闻发布会，宣布了每副眼镜27.50美元的批发价格。这明显是院线的一大笔开销，因此有很多手续被用来保证影院观众归还3D眼镜。我去过的一家Dolby 3D影院要求提供一张带有照片的身份证明才能换取眼镜。

    LCD快门眼镜方式

    LCD快门眼镜是第一种适合家庭使用的高质量3D实现。在使用这种眼镜的系统中，视频显示以非常快的速度交替显示左右眼的图像——最高达120帧每秒。观看者佩戴一幅主动式LCD快门眼镜，交替地阻碍左眼和右眼。就像DLP色轮的效果一样，这种左右交替发生得如此之快，以至于你的大脑将两幅图像融合成一体，从而产生了单幅图像的3D深度感。

    快门眼镜的优势

    色彩。虽然快门3D眼镜各式各样，但大多数都有不带明显染色的透镜，这就使得它们具有和偏振光方式一样的色彩准确性。我们一直在使用的快门3D眼镜有呈绿色的染色，但我们见过的其它品牌的眼镜没有染色。

    串线。就串线而言，LCD眼镜可能是所有3D方式中最好的一种，因为未被使用的那只眼睛被快门机制主动的屏蔽了。早期的版本有重影的问题，即之前图像的一部分会在新的图像出现之后仍然保留在屏幕上。更新、更快的显示技术已经完全消除了这种图像错误。

    相对较为便宜。3D投影机和电视机的价格已经非常低了。今天，一台能够显示3D的投影机只需要800美元就可以获得。虽然有其它的费用，例如配备了高端显卡的电脑以及每个观看者一副3D眼镜，但对于只有很少观众的家庭应用来说，还是能够承受的。

    快门眼镜的劣势

    主动式眼镜。这是LCD快门眼镜和其它类型的系统的最主要的区别：控制哪只眼睛看到什么内容的机制是嵌入在眼镜内部的，而不是由节目内容或者投影机决定的。LCD快门眼镜对于人数较少的可信赖的成年观众来说是很好的，但它也有几个弱点。相比其它技术，其眼镜的成本昂贵（在本文发布之时，每副眼镜100到150美元）。眼镜构造复杂，带有电池、电器元件以及脆弱的LCD透镜。如果落在地上、被踩踏、或者电池用尽，都会破坏观众的3D体验。并且，如果你有一大群朋友想要到你家里欣赏3D的超级碗（注：美国职业橄榄球联盟年度总决赛），为每个人都提供一副3D眼镜太昂贵了。

    同步。主动快门系统需要一种方式来对3D眼镜的快门动作和屏幕上显示的内容进行同步。一些系统使用红外发射器。德州仪器用于投影机和电视机的系统称为DLP Link，它使用了包含在投影图像内部的同步脉冲。虽然两种实现方式使用了不同的脉冲信息信号源，但脉冲本身是相同的。

    左眼脉冲和右眼脉冲有所不同，这就是为什么所有同步到一台特定电视机的3D眼镜，相互之间也是同步的。但投影机无法知道哪一帧是属于那只眼睛，从而带来一个有趣的问题。这些脉冲有可能翻转了，使得一只眼睛看到了属于另一支眼镜的画面。换句话说，左眼脉冲和右眼图像关联在了一起。这被称之为“伪立体效应”并且这个现象会让你在最初几次体验到的时候感到相当不安。其效果是图像内外翻转的奇怪的场景，仿佛你正在从错误的一边观看着一个凹陷的3D图像。这个现象经常出现，因此厂家有相应的对策——可以通过切换显示器、电脑显卡或者软件本身的的一个选项来加以补救。尽管如此，它还是没有其它类型的系统那样简单可靠。

    闪烁。一些人报告说在使用快门眼镜时看到了闪烁。闪烁是刷新率不足时产生的一种动作停止的效果。的确，鉴于每只眼睛只接受了一半的刷新率，投影机使用的快门眼镜必须非常快。为了这个目的，目前的实现使用了至少120Hz的刷新率来为每只眼睛呈现每秒钟60帧的图像。在ProjectorCentral的测试中，我们还未遇到任何闪烁的情况，因此我们无法对这个现象的流行程度或者严重性作出评论。

    亮度损失。快门眼镜系统使用了单台投影机，快速切换显示不同的左右眼图像，因此和其它单投影机系统一样，相比2D有至少50%的亮度输出的减少。眼镜同样也会降低可视亮度。虽然不是所有的眼镜都一样，但不论显示器还是节目本身,我们测试过的型号都使可视亮度降低了大约60%。好处在于，眼镜也降低了黑色电平，从而显著增加了对比度。