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裸眼3D技术

裸眼3D技术

裸眼3D技术（Naked-eyeStereoscopic Display Technology），是对不借助偏振光眼镜等外部工具，实现立体视觉效果的技术的统称。裸眼3D技术的基本工作原理是通过各种光学技术将屏幕图像分离成不同的视角图像提供给双眼，并利用双眼视差原理产生立体观看效果。

裸眼3D技术的关键主要在于视图进行分离的光学原理、亚屏幕分区、独立视图的呈现、立体显示液晶屏、图形处理软件等。裸眼3D显示技术有许多种，可分为基于几何光学和基于微纳光学的3D显示。基于几何光学的3D显示主要有视差屏障、柱透镜阵列、微透镜阵列、时空复用等。基于微纳光学的3D显示是通过微纳结构调制单个像素的出光方向和发散角，利用带有方向的光束重构空间三维物体。

裸眼3D技术拥有美化电视影屏空间、营造城市氛围、拉动消费升级等强有力的内容形式作用。该技术曾入列2023世界计算大会专题成果展的十大黑科技榜单。

技术发展

历史背景

十八世纪初期研制的“立体镜”，使左右眼分别观看属于其独立通道的图像，从而产生强烈的立体感。十九世纪末期，科研人员又模拟人类双眼通过采用两部摄影机进行拍摄，再将偏振光滤光镜安装在放映机的镜头上，观看者通过配戴偏振光眼镜观察运动的立体图像。

发展现状

二十世纪中叶，随着电视技术的发明，研究人员幵始研制3D电视机。在二十世纪五十年代，在彩色电视机进入实用化的同时，“互补色立体显示技术”开始应用与立体电视，当观看者通过滤光镜观看屏幕时就能看到立体的电视图像。由于“互补色立体显示技术”具有良好的兼容性，曾广泛应用于立体电视显示技术领域。但其存在的缺陷也非常明显，通过滤光镜看到的立体图像会导致颜色的失真；另外，彩色电视本身会有“串色”现象容易引起千扰以及由于双眼接收的入射光谱不一致，会容易使观看者出现疲劳感。二十世纪七十年代，研究者研制了光幵关眼镜，开始出现了时分式的立体电视显示技术。该显示技术是通过彩色信号的奇、偶场来进行电视信号的编码从而实现立体显示效果。在1985年，松下电器首推时分式液晶眼镜立体电视机获得了成功。后来，采用双屏显示器头盗的观看设备具有极佳的立体显示效果。在中国，清华大学采用该显示技术也成功研制出高透光率新型液晶光阀眼镜盒和时分式液晶眼镜立体电视机。

二十世纪九十年代末期，液晶显示技术不断成熟，特别是液晶显示器、等离子显示器等影像设备得到了快速发展。其后，人们研究的热点主要集中在基于液晶平板显示器的裸眼3D显示技术上。2000年，中国开始出现实时立体显示系统的产品。该显示技术采用普通的VCD碟片播放重影画面，观看者只要佩戴无线红外眼镜观看，就可以体验到画面的强烈立体感。实时立体显示技术能够实时的将有信号源的二维图像转换成三维图像在显示器上显示出來。但是，从技术层面上来看，该立体影像效果只是停留在采用信号处理或者光学方法进行的画面转换层面之上。

发展前景

在中国，合肥工业大学、四川大学、清华大学与南京大学等多家高校和科研机构都在原理研究，芯片研究，视频播放研究取得了一定成果。虽然裸眼3D技术处于发展的阶段，还存在技术瓶颈、创意不足、成本过高等问题。但随着科技水平的提高，大众对于直观性和欣赏性的要求越来越高，寻常简单的二维视觉效果已经不能满足人们对于信息接收的视觉欣赏要求。因此区别于普通3D技术，不需要佩戴设备就可以欣赏到的裸眼3D视觉效果的产品一经出现，就引起大众的关注。截至2023年，裸眼3D技术已经应用于多个领域，例如医学领域、广告传媒领域、科研领域等，裸眼3D技术拥有独特的艺术效果备受大众喜爱，作为如今科技发展的重点之一，拥有广阔的发展前景。

随着支持裸眼3D技术的手机产品的出现，5G智能终端也会成为裸眼3D技术新兴应用的最大入口，并将带动屏幕、终端、内容、算力、音视频产业的规模化增长。

技术原理

人类获取信息最有效的渠道是通过视觉。由于人的双眼看到的是自然界中真实的三维景物，因此能够在屏幕上再现真实的三维景物一直是人类追求的目标。随着二维图像压缩、传输、显示技术的日益提高，人类追求再现真实自然景物的下一个目标就是再现景物的立体信息。立体信息再现技术一定会成为继语音、数据、平面图像业务之后信息技术发展的下一个热点。立体成像技术就是基于这样的需求逐步发展起来的，它可以记录、传输和显示立体彩色图像，使观众能够产生身临其境的感觉。

裸眼3D技术是利用计算机技术和人眼的双眼视差原理来实现显示的立体成像技术，主要通过光学系统上下左右转动来观察物体的上下、左右、前后，扫描获取多幅物体图像信息，让观众看到物体的宽度、高度和大小，还能感知自己与物体、物体和物体之间的距离，类似人的感知，最后呈现出立体图像。

技术分类

裸眼3D技术就是指不需要任何辅助设备观看就能够获得立体视觉效果的立体显示技术，其主要是通过使用光学器件在显示屏幕上改变双眼视图的走向，使人的双眼能分别看到相对应的立体视图。因为具有不固定的图像通道及图像分割装置，一般称这个实现立体显示的方法称之为空分法。立体显示技术的实现方法大致可以分为全息显示方法和非全息显示方法两大类，目前立体显示的非全息方法的技术主要有光屏障式（Barrier）技术、柱状透镜（Lenticular Lens）技术和指向光源（Directional Backlight）技术三种。

光屏障式技术

光屏障式（Barrier）技术又称为视差栅栏/障栏式立体显示技术，它利用视差挡板遮挡住部分显示进行分光，视差栅栏由具有挡光功能的屏障和有透光作用的裂缝两部分组成，它被放置在显示屏的前面或后面形成前置栅栏或后置栅栏。视差栅栏技术是使用一个偏振膜、一个开关液晶屏和一个有机高分子化合物液晶层来实现的，利用这些器件能产生出旋转方向为90°的垂直条纹，通过这些条纹形成的模式就是“视差障栅”。

显示屏上交替显示着左右眼图像的各个像素，左眼的像素通过裂缝投射到左眼，右眼的图像通过裂缝投射到右眼，从而使视差图像分别投射到左右眼，产生立体视觉，通过控制视觉栅栏来实现二维/三维模式的转换原理图。

柱状透镜技术

柱状透镜（Lenticular Lens）技术，包括双凸透镜和微柱透镜3D技术。它是使用一层柱状透镜安置在液晶显示屏前面，液晶屏的像素平面设置在透镜的焦点平面上，子像素通过透镜光线的折射使人的眼睛能看到对应的图像。根据人眼观看显示屏的角度不同，人眼就会看到不同的子像素。

指向光源技术

指向光源（Directional Backlight）3D技术需要搭配两组LED，通过配合快速响应的LCD面板和驱动电路，使左右眼画面的内容以顺序（sequential）方式分别进入到观看者的双眼，从而使人眼感受到3D效果。

多层显示技术

2009年，美国的PureDepth公司研究开发出来的多层显示技术（MLD）就是一种裸眼3D显示技术，这种技术的好处是不会让观众产生观看的不良反应，如恶心、眩晕等。同时这种技术还突破了视野以及角度的限制，使得观看场所可以进一步的扩大。最为个性化的一点是，使用这种3D显示技术还可以添加二维的字幕。

显示终端编码方式

欧洲的ATTEST系统框架在进行3D图像数据传输时所采用的是单通道视频数据传输，同时配合相应深度数据的3D立体视频格式。通过将深度视频数据进行超轻压缩，从而起到减少数据量的效果，同时视频数据主要使用单通道进行传输。Orbi以及Interview在进行深度编码是所使用的编码码率分别是各自进行单通道编码时码率的6.2%和3.5%。这种3D立体图像呈现终端的编码方式适合传统的裸眼3D显示技术，它们的成像原理基本都是左右眼分别接受传输过来的图像信息，然后在大脑中形成立体图形，所以只需要两个通道即可传输视频数据。然而要想实现裸眼3D视频显示，所需要出书的数据量更加庞大，传统的显示终端编码方式理论上根本不可能实现。但是目前在裸眼3D显示方面较为成功的就是基于视差的立体视频终端编码法。它的主要工作原理是：首先对左眼所要接收的图像信息进行H.264标准编码，然后将编码过得左眼接收图像和右眼接收图像进行比对，进行视觉估计得到相应的视觉差别信息，在对这些信息进行H.264编码；将最终产生的左眼数据码流和视差数据码流通过传输通道送至解码端，进行解码操作得出经过编码后的左眼视图以及编码后的视差视图，根据这些信息得出右眼视图数据以及其他的六个视点的数据信息，并最终整合所有数据在裸眼3D立体显示器上进行显示。

其他技术

除了以上几种常见的裸眼3D技术外，还有日本的景深融合型立体影像技术DFD（Depth-Fused3D）技术和美国的MLD（multi-layerdisplay多层显示）技术等。

技术特性

传播的新型媒介

二维技术成熟难以突破，很难吸引用户眼球，在视觉上人们不再对产品有积极有效的反应，更多成为了用户审美疲劳下的负担。作为新型媒介，裸眼3D技术加持下的视觉作品却能频频吸引流量成为话题引发热议，它营造出的视觉空间较平面视觉的优势使三维空间是可以无限延伸的，这也为设计提供了更多的可能性和发展空间，相同的设计可能会因为深度不同而产生不同的反响。

提高的视觉体验

第一部3D电影问世时，就引起人们关注，可见信息可交互对人们的吸引力。裸眼3D技术无疑创造了一种信息交互的新可能，当人们不用佩戴眼睛就可以看到真实的3D效果时，仿佛就置身在3D技术所塑造的现实场景中。交互的真实感会增加设计趣味性从而让人们产生剧烈的好奇心，同时加深对作品的理解。

让观者沉浸式体验

采用裸眼3D技术的电影与以往普通的3D电影不同，人们不单单是坐在观众席上，以旁观者的姿态去欣赏设计作品，而是更多的化身成故事中的一员，作为体验者去感受设计内涵，牢牢地抓住了人们的注意力，让真实的体验感带领观者的兴趣，引导人们视觉和思想主动自觉的跟随剧情，观者达到最佳程度体验状态。

技术局限

裸眼3D技术独特的优势也伴随着明显的局限性。人们往往需要在特定的观看位置才能获得最佳的观看效果，如果离得太近或者角度太偏，显示的内容就很可能发生畸变。因此，人们看到广为流传的裸眼3D视频时，大都是从单一角度进行拍摄的。但应用合理的裸眼3D技术项目都有两个共同的特点：一是屏幕都很高，抬高观看者的视角，自然产生一种距离感和空间感；二是利用现场环境迫使观看者走进最佳观看区域，如将屏幕设置在狭长的通道或路口交汇点，在不宜观看的区域种植花卉树木等。基于以上两种手段，裸眼3D技术就可以做到扬长避短。

技术应用

裸眼3D技术应用的产品有很多种，主要有裸眼3D液晶显示器、裸眼3D电视机、裸眼3D手机、裸眼3D数码播放器、裸眼3D游戏机等。另外，裸眼3D技术应用前景非常广泛，可以用于科研、军事、教育、工业、医疗等诸多领域。

工业领域

裸眼3D技术可以应用于工业检测、危险品生产、工业设计、工业作业及过程控制、远程机器人视觉显示等多方面。在工业设计中，可以利用裸眼3D技术进行建模。另外在产品宣传上，可以应用裸眼3D技术实现产品的展示。

军事领域

裸眼3D技术能根据实际模拟自然场景的情况，因此它在航空立体侦察、星际遥感测绘学、潜水艇水下作业、控制系统显示、飞行模拟训练及太空飞行等方面都有着极为广泛的应用，在国防事业中具有不可估量的作用。比如可以通过使用立体显示系统进行飞行模拟训练，以及建立虚拟战场进行作战分析和实战演习。

医疗卫生领域

医生进行远程诊断中可以利用裸眼3D技术从而获得比平面显示更多的测试实况和诊疗状况方面的视觉信息。比如，MRI和CT技术都是采用断层扫描的方式进行图像诊断，运用裸眼3D技术对数据建模实现对病理形状的精确把握。裸眼3D技术在虚拟医院、虚拟临场手术等方面也具有突出的实用价值。

数据可视化领域

数值计算结果以直观立体的方式表现出来，数据可视化能方便人们对数据的理解和利用。如空间数据的可视化、脱氧核糖核酸及其他高分子动态结构、风洞实验及数值模拟、空中摄影测绘学动态模拟等。

教学领域

可以利用裸眼3D技术建立立体空间模型，通过立体显示器进行播放更加真实形象，生动易懂，有助于中小学生学习和掌握几何或者物理知识。另外在人体解剖学、工程专业等高等教学中，通过再现具体的立体结构帮助学生理解和学习。在文化领域中，裸眼3D技术的应用范围也很多，包括文化作品的立体宣传、艺术品鉴别和欣赏、工艺品制作和加工等方面。

日常生活和娱乐

在人们的日常生活和娱乐方面，裸眼3D技术的应用范围最为广泛，包括3D游戏、立体照片、立体电脑、立体电影和家庭立体影院等等。随着裸眼3D技术的不断产品化，其在娱乐领域具有巨大的商机。

产业发展

在中国，中国信通院、TCL科技 TCL华星、宏碁、华为、荣耀、小米、中兴等3D领域产业链上下游，共同发布了裸眼3D产业推进倡议，通过聚合产业资源，着力解决裸眼3D技术和产业的共性问题。一是研究裸眼3D技术路线，引导形成主要技术方向及标准；二是验证裸眼3D端到端的系统能力，包括2D/3D内容转换技术、端到端3D云化业务验证等；三是构建裸眼3D用户体验标准和评测机制，进一步提升用户的视觉体验；四是梳理裸眼3D典型的应用案例，借助5G/5G-A能力，深化应用创新推广。