上世纪50和80年代，3D技术曾经历过两次发展浪潮，而从2005年开始一直持续至今的3D技术的迅猛发展则是3D发 展史上的“第三次”浪潮，在此期间，电影《阿凡达》的热映更 是使得人们对3D的关注进一步升温，以至于2010年被许多媒 体称为3D元年。 目前3D的应用领域主要集中在影院、家庭娱乐和电视直播。影院的3D发展主要是由好莱坞推动的，近年来，好莱坞发行的3D数字电影越来越多，吸引了大量观众走入影院，创造了很高的票房收入；家庭娱乐的3D应用则是由好莱坞发行的3D 高清光盘和电子游戏厂家发行的3D高清游戏共同推动的；3D 的高清电视直播由商业电视台推动，用于直播体育比赛、大型 现场演出活动等。
一、3D显示原理 1.1 3D显示基础技术 3D显示从基础技术的角度看，可以分为以下三种类型： 立体图像对技术(Stereo Pair) ：是发展最成熟、应用最广泛的技术。这种技术的基本原理是：先产生场景的两个视 图，然后用某种机制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，本质上是空间中存 在两张或多张平面图像，通过“欺骗”人眼视觉系统而立体成 像，长时间观看易造成视觉系统疲劳。 体显示技术(Volumetric Displays) ：用三维像素描术显示的3D场景，物理上显示三个维度，能在空间中产生真正的3D 效果，目前运用该技术只产生了一些实验产品，如Actuality系 统公司的Perspecta 3D显示器、Felix3D公司的SolidFelix。 全息技术(Holography) ：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成像技术，也是3D显示的终极解决方案，目前还存在很多技术难题，短期内难有产品面市。 1.2 立体图像对3D技术 对于目前实用的立体图像对3D显示技术又可以分为三种类型：色差式3D技术、快门式3D技术、偏光式3D技术。 色差式3D技术：是最早出现的3D显示技术，从技术层面上来看也是最为初级的，需要一付红青（红淡蓝）色差眼镜，成本低廉；技术实现上，该技术是将两个不同视角上拍摄的影 像分别以两种不同的颜色印制在同一副画面中，用肉眼观看的 话会呈现模糊的重影图像，只有通过对应的红蓝等立体眼镜才 可以看到立体效果，其原理就是对色彩进行红色和蓝色的过 滤，红色的影像通过红色镜片、蓝色的通过蓝色镜片，使两只 眼睛看到的不同影像在大脑中重叠呈现出3D立体效果；其缺点是显示效果有限，3D效果体验不足。 
图1.1 色差式3D红蓝眼镜 图1.2 快门式3D显示原理 图1.3 偏光式3D偏光眼镜 快门式3D技术：主要是通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)来实现3D效果，属于主动式3D技术，观看时需要一副LCD快门眼镜；利用该技术，当3D 信号输入到显示设 备(诸如显示器、投影机等)后，以120Hz频率刷新的显示器上将 逐帧交替出现左右眼的图像，并通过红外发射器将这些帧信号传输出去，负责接收的3D眼镜在帧同步信号的控制下使得左右眼的图像分别通过，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画 面，并且在大脑中产生错觉，也就观看到了立体影像 。 偏光式3D技术：观看时需要一副偏光眼镜，成本较低，但对输出设备的要求较高，非常适合商业影院等拥有众多观众的场所使用。在IMAX 3D电影播放时需使用两台投影设备，两台投影机分别拥有自己的偏振滤波器，分别投射左眼和右眼图像，通过眼镜对光线的过滤形成3D影像。 1.3 3D显示设备 3D影院系统的主要产品有RealD 3D系统、MasterImage3D、IMAX 3D系统、obly 3D系统、XPAND 3D系统等。
NVIDIA显卡的3D stereo、德州仪器的DLP Link均基于主动快门式3D技术。得益于NVIDIA在显卡市场中的领先地位和德州仪器DLP在投影机市场占据半壁江山优势，快门式3D技术在电脑和投影机行业已经成了3D技术的代名词。在CES 2010展会上，各大电视厂商主打3D概念，展出了各自的3D电视产品，从显示屏类型看：有液晶电视、等离子电视； 从3D显示实现方式看，有“主动快门方式眼镜+场序方式显示器”，也有“偏光方式眼镜+贴附偏光滤光片的显示器”。在没有广播信号而只有3D电影光盘、3D游戏内容的状况下，电视厂商使用3D-ready的概念推广产品。 二、《阿凡达》与3D电影制作 2.1 摄影机 《阿凡达》在拍摄阶段使用的是PACE FUSION 3D系统。为了创造拍摄 《阿凡达》的技术条件，导演卡梅隆和摄像师文森特• 佩斯合作，共同研制新型3D摄像机，他们专门从美国飞往日本索尼公司研发总部，说服索尼将自家专业级高清摄影机的镜头和图像传感器从处理芯片中分离出来，佩斯与研发工程师耗时3个月对拍摄所需的16台摄像机完成了改装，这16台摄 像机分别为8台Sony HDC-F950和8台Sony CineAlta F23， 两两组合成8套双机的3D拍摄系统。 
图2.1 PACE FUSION 3D摄影系统 2.2 录影存储 拍摄中，Pace Fusion摄影系统和SONY的HDCAM -SR便携式录影机SRW-1以及ONY SRW-58 0 0超高码流高清演 播室录像机连接，共同进行双路RGB 4:4:4的3D数字母版录制，每路码率达440Mbps（双路共880Mbps），画面分辨率为1920×1080 24p HD。 2.3 现场制作 《阿凡达》在拍摄现场采用AV I D剪辑2 D 影片，并用全3D的放映系统“Po d”进行监看，同时还采用了另一台现代（Hyundai） 46寸被动式眼镜的监视器。 其后期编辑工作采用的是Avid Media Composer 2.8.4和NitrisDS，剪辑组将每日拍摄的左右眼两路视频分开剪 辑，并使用AVI DIsis作为媒资存储系统，全部离线素材采用 DNx36高清编码方式。 2.4 后期制作 《阿凡达》的整个后期制作流程主要应用了三台Quantel Pablo 3D立体影像制作系统，运用Pablo系统完成了3D DI母版制作和立体影像效果的矫正、调节与修饰，以及影片的立体 影像对白唱词制作。 Quantel的立体影像系统采用了双路画面实时操作方式，可以实时看到左右眼画面，也可以戴上眼睛实时观看最终放映的效果，便于对两个画面的同步、色彩、曝光、景深等进行匹配，便于修饰闪烁、畸变等各种立体瑕疵，便于调整两个画面 之间的视觉夹角（夹角决定纵深感和立体感）等。 三、蓝光3D之路 3.1 蓝光标准
蓝光3D规格由蓝光光盘协会(BDA)于2009年12月17日正式制订完成，并已对外公布蓝光3D规格书，内容针对3D影片的影像数据储存、影像解码播放、影像数据传输与影像显示接口制订了细部规范。 
图3.1 Side-by-Side Horizontal格式3D视频结构 图3.2 Top-and-Bottom格式3D视频结构 蓝光3D节目的立体视频采用多视角视频编码，正式名称 “MPEG4 - MVC”，是ITU -T H.26 4 AVC编码的一个扩展分支。MPEG4 -MVC使用典型的50%重叠法对左右眼视角范围的2D内容进行压缩组合，支持1080p分辨率，并向下兼容现有 的普通2D蓝光播放机，它在不支持3D的设备上播放仍能正常 显示，只是没有立体效果。新规范还引入了一些3D增强画面技术，比如能够使用3D菜单进行导航，可在3D视频中显示3D字幕。 AMD、NVIDIA都已经在年初的CES 2010国际消费电子 展上展示了蓝光3D技术，博通(Broadcom)也在日前推出了支 持3D电影的真正单内核蓝光芯片。索尼、松下、三星等厂商支持3 D的蓝光播放机也已正式 发售。 3.2 HDMI1.4a标准 蓝光播放机上的显示接口符合HDMI 1.4a规范的要求。2010年3月，HDMI 1.4a的3D立体补充规范文档公布，文档 中描述的对于设备厂商的强制性格式标准包括——影视内容：1080p23.98/24Hz；游戏内容：720p50/59.94/60Hz；广 播内容：Side-by-Side Hor izontal —1080i50/59.94/60 Hz 或 者 Top-and-Bottom—720p50/59.94/60Hz，1080p23.97/24Hz。 下面两图分别描述了左右眼的2D视频 如何映射成为Side-by-Side Horizontal格式和Top-and-Bottom格式的3D视频。 四、3D电视广播 4.1 3D电视频道进展 2010年1月31日，英超强队曼联做客酋长球场挑战宿敌阿森纳，天空电视台(Sky TV)在英国和爱尔兰境内的9间酒吧通 过3D电视进行了全球首场3D直播。 美国最大的卫星电视服务提供商DirectTV与松下合作，计划在2010年6月开设两个3D频道和一个3D点播频道。 迪士尼旗下的体育频道ESPN则宣布将在今年开设3D体育 频道，在南非世界杯时转播开幕赛和其它24场比赛，第一年至 少转播85场体育比赛。索尼与Discovery Communications和IMAX成立了合资公司，将在2011年开设整合其众多电影和电视节目内容的全天候3D频道。但是由于缺乏统一的传输、编码等方面的标准，各3D电视频道都按自己的技术规范选定设备。 4.2 BSKYB的3D电视技术规范 内容采集方面，要求使用完全相同的摄像机组成的摄像机对拍摄，要求原始的视频制式为1080i50隔行视频或1080p25 逐行视频。记录格式可以使用HDCamSR 录机用4:2:2 dual link 同步记录，或者使用HDCAM、DVCProHD/DVC录机以时间码 同步的左眼磁带记录和右眼磁带记录。 后期制作方面，要求保持最高的视频图像质量，可以使用双视频流的后期制作工具分别处理左眼和右眼视频，只允许 简单的剪切编辑，不能使用非线性特技。 立体图像编码方面使用HDMI 1.4标准中规定的Side BySide 格式，使用线性或者水平方向抽样结构将左右眼视频合成 一路Side By Side格式的3D视频。
内容传输方面，使用现有的SKY TV 高清频道传输3D视频内容，用户通过现有的高清机顶盒接收，观看时要求的显示设备屏幕尺寸为46" to 70"。 4.3 摄像设备 目前3D摄像机存在两条技术路线，一种方式是在设计好的3D摄像机架上使用现有的摄像机，如SONY的3D Ready摄 像机都是用现有的高清摄像机产品与专门生产3D辅助拍摄设 备的公司合作，实现3D拍摄。为了精确控制摄像机，Sony还 开发了相应的控制系统，利用该系统，可以通过双控指令链接 功能实现双摄像机同步控制，使拍摄3D图像的两台摄像机同 步操作，左/右眼摄像机各项设置参数始终保持一致。
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图4.1 BSkyB的Side By Side格式3D视频抽样结构 | 图4.2 3ality Digital的3Flex摄像系统 | 图4.3 Sony的3D Ready摄像机同步控制 | 图4.4 Sony的3D Ready摄像机双控链接 |
目前索尼在3 D 领域的主要合作伙伴有美国的PACE 和3Ality，以及德国的P+S TECHNIK，在日本还与PCL以及NHK Media Technology合作；3D辅助拍摄设备的主要作用是使 两台摄像机镜头的中心距离与人眼瞳距保持一致，聚焦、变焦操作同步，以及预防变焦时出现的视点冲突等。 索尼的HDCAM-SR录像机：3D Ready的索尼HDCAM- SR录像机支持双码流记录/重放，可以同时记录两路440Mbps 码率的高质量高清电视信号，并可加装3D监视功能的选件，用 场顺序或分裂模式监看3D制作的图像。 3D摄像机的的第二条技术路线，是设计真正的双镜头一体化摄像机，比较有代表性的是Panasonic的 AG-3DA1，这 是一款全集成专业3D摄像机，具有双镜头，可拍摄1920*1080 图像；采用双SD卡分别记录左右眼，输出接口包括HD -SDI、 HDMI1.4、模拟音频。 4.4 制作设备 索尼的MVS8000G系列切换台：具备3D Ready功能，加装3D软件后MVS-8000G可以把左/右眼双码流作为一个信号源同时处理，并具有3D键深度控制功能以及数字特技划像转化时防止视点冲突的处理能力。 
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| 图4.5 Panasonic的双镜头3D摄像机AG-3GA1 | 图4.6 Sony的HDCAM-SR录像机双流模式 | 图4.7 使用SR录像机的3D制作流程 | 图4.8 使用MVS-8000G的3D制作流程 |
Miranda在NAB上推出多款支持3D立体电视的产品，如3DX-3901立体电视处理模块，可实现3D视频处理和转换； Keleido多画面，提供立体电视信号的监看；频道包装产品 Imagestore 750，可以支持4个立体视频层的包装。 Ross Video Xpressiion：支持立体电视模板创建和3D图像的输出渲染，能实现3D立体字幕，实现6个维度的调节，为 实现良好的立体感需要与屏幕保持距离。 在今年的NAB展会上，Sony和Panasonic还分别展出了具有SDI接口和DVI接口的专业的3D高清监视器。 泰克公司还展出了3D视频测试方案，通过TG700发射左 右眼测试信号；通过WFM8300显示并测量两路信号，测量左 眼和右眼的视差；通过VQS1000 视频质量软件的3D 功能，能 够给出重叠的左、右眼边缘3 D版的图像显示，以及能够指示 该路视频流深度信息的感知深度分布直方图等信息。 五、3D产业面临的一些问题 价格几何？ 3D电视比目前高端的高清平板电视贵很多，国内销售的三星46 LED 3D电视售价在2万元左右，而主动式快门眼镜需要充电且售价昂贵，其单副成本从50美元到100美元以上不等，一般3D电视会配送2副眼镜，但如果还需要更多，就需要额外掏钱。 必须戴那些可笑的眼镜？ 无论使用主动快门眼镜还是偏光眼镜，面临的问题都一 样：“观众们是不是全程都得带着它？”，这种不适因素造成的 影响很严重，因为现在大多数人习惯在看电视时做些其它事， 比如吃饭或看报纸。 3D内容在哪里？ 3D电视面临内容瓶颈，包括相应的录制设备缺乏，拍摄成本过高等因素。对于将2D图像转换成3D的方案，很多大公司等都声称自己的产品采用具备独特算法的专利处理器，但存在某些场景没有立体感、而且在画面移动过快时会出现重影等缺陷。 3D内容的字幕显示难题 对3D电视而言，字幕问题尤其是在美国强制显示的CC信息问题仍旧无法解决。字幕可以被放进3D视频，但每当图像跃 出屏幕时，字母也跟着跳了出来，这完全取决于屏幕景深，目前没有一套万全的解决方案。 未知的3D艺术与科学 在立体3D领域，内容制作公司与广播业者各自面临挑战， 所有的摄像师和制片人在3D实况拍摄和制作方面都缺乏经验。“3D摄影机的使用技巧需要经验累积，需要有新一代的3D摄 影师学习如何进行立体影像的拍摄 ”。 编码、传输等标准缺失 3D电视产业链各环节的标准都有所缺失，不同广播业者可能会采用不同的方案，这让准备推广3D电视产品的整个供应链 无所适从，各家标准团体都在积极追赶3D的疯狂脚步。 欧洲Digital Video Broadcasting Project刚刚展开，准备为立体3D电视制订标准。消费性电子产业协会(CE A)已经着手为主动式快门3D眼镜制订红外线信令标准。自去年六月，美国电影电视工程师协会(SMPTE)开始推动3D视频格式的标准化。 3D会伤害你的眼睛么？ 最大的问题，也是最有可能让3D技术搁浅的因素是光学安全性。目前没有足够证据证明长时间观看3D画面是否对人 眼有害，不少人类感知专家对目前的3D电视表示忧虑，因为该产品可能导致眼睛疲劳等相关的健康问题，尤其对于经常接触3D电视的儿童，问题更为严重。 针对这一问题，我们需要研究眼睛移动与3D显示器之间的关系，探讨目前的3D显示器对于人眼生理的不利影响，研究所有3D电视可能造成眼睛疲劳的因素，然后找出测量各种不良效果程度 的方法，最终开发出能解决相关问题的工具，并为3D内容建立分级制度。
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