学技术 | 3D电视简介

 

3D电视
 

3D电视（3DTV）是通过采用诸如立体显示、多视图显示、2D加深度或任何其他形式的3D显示等技术向观看者传达深度感知的电视。大多数现代3D电视机使用主动快门3D系统或偏振3D系统，有些是自动立体的，无需眼镜。截至2017年，制造商不再提供大多数3D电视机和服务。

 

历史

立体镜由查尔斯惠斯通爵士于1838年首次发明。当以立体方式观看两张图片时，它们会被大脑组合以产生3D深度感知。立体镜由Louis Jules Duboscq改进，展示于1851年在世界博览会上一幅维多利亚女王的名画上。1855年发明了电影放映机。1890年代后期，英国电影先驱威廉弗里斯格林申请了一项3D电影制作专利。1915年6月10日，前爱迪生工作室首席导演Edwin S. Porter和William E. Waddell在纽约市的阿斯特剧院向观众展示了红绿色浮雕的测试，1922年，第一部公开的3D电影《爱的力量》上映。
 

 

1928年8月10日，John Logie Baird在其位于伦敦Long Acre 133号的公司所在地首次展示了立体3D电视。Baird开创了各种使用机电和阴极射线管技术的3D电视系统。1950年代，当电视开始流行时，许多3D电影在美国上映。第一部这样的电影是来自United Artists的Bwana Devil，它于1952年在美国各地上映。一年后，即1953年，出现了同样采用立体声的3D电影《House of Wax》。阿尔弗雷德·希区柯克（Alfred Hitchcock）以3D形式制作了他的电影Dial M for Murder，但为了最大化利润，这部电影以2D形式发行，因为并非所有电影院都能够放映3D电影。1946年，苏联也开发了3D电影，Robinzon Kruzo是其第一部全长3D电影。人们对观看3D电影很兴奋，但由于质量差而被推迟。正因为如此，他们的人气迅速下降。在1970年代和1980年代，随着第13部分星期五（1982年）和《大白鲨3-D》（1983年）的发行，还有一次尝试使3D电影更加主流化。

 

松下电器（现为松下）在1970年代后期开发了采用主动快门3D系统的3D电视。他们在1981年推出了电视，同时将该技术用于第一款立体视频游戏，世嘉的街机游戏SubRoc-3D（1982）。3D电影放映在整个2000年代变得越来越流行，最终在2009年12月和2010年1月以3D放映的成功实现了《阿凡达》。

 

尽管3D电影普遍受到公众的欢迎，但3D电视直到CES 2010贸易展之后才流行起来，当时主要制造商开始销售全系列的3D电视，继《阿凡达》的成功之后。此后不久，索尼和松下向公众发布了消费类和专业3D摄像机。这些使用了两个镜片，每只眼睛一个。根据DisplaySearch的数据，2012年3D电视出货量总计4145万台，而2011年为24.14台，2010年为2.26台。2013年末，3D电视观众的数量开始下降，到2016年，3D电视的发展仅限于少数高端机型。3D电视的生产于2016年结束。

 

技术

有几种技术可以制作和显示3D运动图像。以下是一些已开发的著名3D电影系统中采用的一些技术细节和方法。

 

随着时间的推移，3D电视的未来也在不断涌现。随着对3D电视需求的增加，诸如WindowWalls（壁挂式显示器）和可见光通信等新技术正在被应用到3D电视中。三星LCD业务副总裁斯科特·伯尔尼鲍姆（Scott Birnbaum）表示，在电视体育节目的推动下，未来几年对3D电视的需求将猛增（但这并没有发生）。由于可见光通信等新技术允许这种情况发生，人们可能能够直接在电视上获取信息，因为LED灯通过高频闪烁来传输信息。

 

展示技术

基本要求是显示分别对左眼和右眼进行过滤的偏移图像。已经使用了两种策略来实现这一点：让观看者戴上眼镜来过滤每只眼睛的单独偏移图像，或者让光源将图像定向分裂到观看者的眼睛中（不需要眼镜）。用于将立体图像对投影到观看者的常见3D显示技术包括：
 

（一）带滤镜/镜头：

（1）Anaglyph 3D–带有无源滤色器；

（2）偏振3D系统–带有无源偏振滤光片；
 

（3）主动式快门3D系统–带主动式快门；
 

（4）头戴式显示器–每只眼睛前面都有一个单独的显示器，镜片主要用于放松眼睛的焦点；
 

 

（二）无镜头：自动立体显示器，有时在商业上称为Auto 3D。
 

 

（三）其他

 

在CEATEC 2011展会上，日立发布了裸眼3D投影系统，该系统使用一组24个投影仪、镜头和半透明半反射镜来叠加3D图像，水平视角为60度，垂直视角为30度。除了日立，索尼也在研究类似的技术。
 

 

单视图显示器一次只能投影一对立体。多视图显示器要么使用头部跟踪来根据视角改变视图，要么为多个观看者同时投影场景的多个独立视图（自动多视角）。可以使用2D-plus-depth格式动态创建这样的多个视图。
 

 

已经描述了各种其他显示技术，例如全息术、体积显示和Pulfrich效应，这些技术在1993年的《时间维度医生》、1997年的《来自太阳的3rd Rock》以及在2000年探索频道的《鲨鱼周》中都使用过。
 

 

3D眼镜可能会降低图像亮度。
 

 

生产技术
 

立体镜是用于捕获和传送3D视频的最广泛接受的方法。它涉及在双视图设置中捕获立体对，相机并排安装，并以与人瞳孔之间相同的距离分开。如果我们想象在场景中沿着每只眼睛的视线依次投影一个物点；对于一个平面背景屏幕，我们可以使用简单的代数在数学上描述这个点的位置。在直角坐标中，屏幕位于Y-Z平面上，Z轴向上，Y轴向右，观察者沿X轴居中；我们发现屏幕坐标只是两项之和。一个用于透视，另一个用于双目移位。透视将物点的Z和Y坐标修改为D/（D-x）的因子，而双目移位贡献了s·x/（2·（D-x）的附加项（仅对Y坐标））），其中D是从标明系统原点到观察者的距离（两眼之间），s是眼睛间距（约7厘米），x是物点的真实x坐标。双目移位对于左眼视图是正的，而对于右眼视图是负的。对于非常远的物点，眼睛将沿着基本相同的视线看。对于非常近的物体，眼睛可能会过度“斜视”。然而，对于大部分视场中的场景，只要观看者不太靠近屏幕并且左右图像在屏幕上正确定位。数字技术在很大程度上消除了传统立体电影时代普遍存在的不准确叠加问题。
 

 

多视图捕获使用多个摄像头数组通过多个独立的视频流捕获3D场景。捕捉场景光场的全光相机也可用于通过单个主镜头捕捉多个视图。根据相机设置，生成的视图可以显示在多视图显示器上，也可以传递给进一步的图像处理。
 

 

捕获后，可以处理立体或多视图图像数据以提取每个视图的2D和深度信息，从而有效地创建原始3D场景的独立于设备的表示。这些数据可用于辅助视图间图像压缩或为多个不同视角和屏幕尺寸生成立体对。
 

 

2D加深度处理甚至可用于从单个视图重新创建3D场景，并将传统电影和视频材料转换为3D外观，但难以实现令人信服的效果，并且生成的图像可能看起来像纸板缩影。
 

 

3D制作
 

以3D形式制作体育赛事直播等活动不同于用于2D广播的方法。必须保持较高的技术标准，因为两个摄像头之间的任何颜色、对齐或焦点不匹配都可能破坏3D效果或使观看者感到不适。一对立体摄像机的变焦镜头必须在其整个焦距范围内进行跟踪。
 

 

向3D图片添加图形元素（例如记分牌、定时器或徽标）必须将合成元素放置在帧内的适当深度，以便观看者可以舒适地查看添加的元素以及主图片。这需要更强大的计算机来计算图形元素的正确外观。例如，在美式足球转播期间，在球场上显示为投影黄线的混战线需要大约一千倍于2D图像的3D处理能力。
 

 

由于3D图像实际上比2D广播更具沉浸感，因此需要更少的摄像机角度之间的快速切换。3D National Football League广播在摄像机之间切换的频率约为2D广播的五分之一。两个不同视点之间的快速切换可能会让观看者感到不舒服，因此导演可能会延长过渡时间或提供介于两个极端之间的中间深度的图像，以“休息”观看者的眼睛。如果摄像机处于低视角，则3D图像最有效，模拟观众在活动中的存在；这可能会出现阻碍事件视图的人员或结构的问题。虽然需要较少的摄像机位置，但摄像机的总数量类似于2D广播，因为每个位置需要两个摄像机。
 

 

其他现场体育赛事还有其他影响制作的因素；例如，溜冰场由于其统一的外观而几乎没有深度提示。