想像一下，无需立体眼镜，你就看到栩栩如生、跃然屏幕之外的3D画面？没错！如今这一切已经不是梦想，美国DTI、韩国三星、日本三洋等厂商的3D显示器早已推向市场。现在，3D显示器还停留在商用领域，而随着3D软件和3D内容的丰富与发展，3D显示离我们是越来越近了。

　　在科幻电影《记忆裂痕》中，计算机天才迈克·简宁斯成功地破解了某公司的3D显示器技术，并设计出更为惊人的激光3D显示器。这一幕现在不再是科幻，3D显示器即将真实地到来，并且这些未来即将投入商用化的3D显示技术比科幻电影来得更惊人，它甚至可以让空气分子成为像素，让用户被显示的内容所包围，而这将极大程度地提升用户与计算机的交互体验。

从2D显示到3D显示
　　今天我们所见的CRT、LCD、投影、等离子体之类的显示技术都属于2D显示体系，即它们都只是将影像投射在一个平面的屏幕上，无法真正显示出深度信息。即便是我们所见的3D图形渲染，其实是借助显卡生成三维立体图像，然后利用透视法将图像投射到二维的屏幕中，让人眼“认为”看到的场景就是三维的。
　　之所以会产生这样的错觉，是因为计算机三维技术巧妙地利用了色彩原理，例如三维物体凸出的部分一般高亮着色，凹下去的部分由于受光线遮挡而显暗色；当影像投射到显示器屏幕上时，因灰度的不同会让人眼产生错觉，即在2D屏幕上感知到三维的图像。
　　这种视觉三维技术在计算机世界中被广泛地应用，但尽管看起来逼真，它们都不可能给人以真实的立体视觉，例如你无论如何都看不到立方体会凸出屏幕外或者相对于屏幕凹陷，也就是无法营造出空间的纵深感。
　　电影工业率先向这个问题发起冲击，早在上个世纪，立体电影就曾一度流行，只要观众戴上专用眼镜，就能够看到真正立体的电影画面；但如果摘掉眼镜，荧幕上的画面则模糊不清。其实，立体电影利用了人眼三维视觉的产生原理：当我们观察物体时，物体会在人的双眼中分别形成两幅图像，由于两只眼睛的观察角度不同，所形成的图像也就会有差异，接下来，大脑便会根据这些差异信息来判断出物体的远近位置，进而产生三维的立体图像，这也就是所谓的“视差照明”（parallax illumination）。
　　利用视差照明原理，立体电影的创建就很简单：利用不同位置的两部摄像机（对应人的双眼）同时拍摄电影，得出两组稍微不同的影像，然后将两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使略有差别的两幅图像重叠在银幕上。观众只要佩戴专用眼镜，就可以让两个胶片对应的影像分别进入左眼和右眼，人眼就能够根据影像视角的不同形成立体的视觉效果。
  
DTI：3D显示的先行者
　　基于LCD的3D显示器同样是利用了视差照明原理，美国DTI（Dimension Technologies Inc.）公司可以说是该领域的先驱者之一。早在2001年，DTI就推出针对民用市场的15英寸“Virtual Window”系列3D LCD显示器，开启了3D显示时代的序幕。在当时，这款产品的推出引起科技界的轰动，它可以提供真正意义上的三维视觉效果，令屏幕上显示的物体给人以一种跃然屏幕之外的感觉，极大程度提升用户与计算机交互的真实感！或许好莱坞电影工业也是从DTI的成果中获得足够多的灵感，这才有我们在电影《记忆裂痕》中所看到的那一幕。
　　与立体电影相似，DTI的3D显示器同样基于以下原理：每个场景都由两幅稍有差异的画面组成，一幅给左眼看，另一幅则给右眼看，这两幅画面称作“立体对”（stereo pair），而人脑就根据这两幅图像的微小差异来获得三维视觉感受。但对LCD显示器来说，要做到画面精确控制并不容易，因为立体电影可采用红蓝眼镜或偏光眼镜等专用的眼镜来过滤不需要的图像，而LCD显示器就做不到这一点。
　　DTI通过“自动双重拷贝”技术成功地解决了这一问题：“自动双重拷贝”将LCD的像素矩阵分成奇数列和偶数列，奇数列上只显示左眼可以看到的图像，偶数列则显示专门针对右眼的图像。为了做到这一点，DTI公司还开发出“视差发光格栅”（Illumination Pattern）技术：在LCD背光板与LCD液晶板之间添加了一个额外的光学仪器TN控制板，该TN板上的垂直区块会根据显示任务的情况来照亮奇数或偶数的区块，并以每秒60幅的速度高速刷新。此外，在TN控制板与LCD面板之间还有一个特殊的透镜单元，通过透镜的折射可以让指定的图像进入到左眼或者右眼，这样，如果显示的内容是3D场景，那么人眼就能够看到真正的三维物体了。

图1：DTI公司“Virtual Window”3D显示技术原理示意。

　　由于像素矩阵被一分为二，立体对中的每幅画面只用到显示器的一半像素，因此画面实际分辨率要比显示器固有的分辨率低一半。在标准模式下，DTI的15英寸3D显示器的分辨率为1024×768，但切换到3D显示模式后，它的画面分辨率降为512×768。而且要看到立体效果，用户就必须用双眼观看，倘若只用一只眼睛，你所看到的只是两幅错开的图像。另外，由于TN板的背光遮挡效应，DTI 3D显示器的背光效率只有常规LCD显示器的50%，导致屏幕的亮度值偏低。还有一点不足的是，3D模式下该显示器的视野极小，用户必须将头放在3D视区内，一旦超出3D视区，透镜折射的图像将无法被送入人眼，这将导致三维视觉无法实现。
　　目前，DTI公司最新的3D LCD产品是“Virtual Window 19”，它的尺寸为19英寸，2D模式下的分辨率为1280X1024，它的售价达到3695美元，所针对的领域是专业图像设计市场。
　　
飞利浦-夏普：透镜式3D显示技术
　　尽管DTI是3D显示领域的先行者，但直到现在它并没有将自己的技术推向商用化，其中一大原因就是DTI无法获得LCD厂商的支持，市场的需求也不迫切。商用化进度较快的当属飞利浦和夏普公司，两家实力派LCD企业携手共同研发透镜式3D LCD技术，以期能够在新领域中占据领先。与DTI的技术方案类似，飞利浦-夏普方案同样采用TN板液晶开关来控制背光的通断，但它的内部结构和工作机理都与DTI的方案迥然不同。
　　飞利浦-夏普没有将LCD显示器的像素阵列分成奇数列和偶数列，但却引入了特殊的透镜设计，我们知道，常规LCD显示器的一个彩色像素包含R、G、B三个子像素，通过R、G、B的不同组合显示出不同的色彩。而飞利浦-夏普的方案就是在液晶的最表层添加了数组凸透镜，每个透镜对应7个液晶子像素，并以一个小角度放置。由于透镜的存在，人眼的聚焦点就会落在由7个子像素构成的“立体像素”上，加上特殊的算法，每个子像素都可以形成不同的颜色，最终在人的双眼中形成两幅不同的图像，这样用户就可以看到非常真实的立体效果。

图2：透镜式3D显示技术利用透镜来分隔左右眼的图像。

　　透镜式3D显示技术的优点非常明显，例如可提供较广的可视范围、使用灵活性大，而且由于整块面板都是受光区域，可以保持理想的亮度输出。但它的缺点同样非常突出：立体像素占用7个子像素导致分辨率大幅压缩，例如1024×768的面板，在3D模式下分辨率将降低到438×256，同时在2D模式下也无法以最高分辨率显示，另外多焦点的影像也很容易造成眼睛疲劳。

图3：飞利浦-夏普透镜式3D显示器的结构剖面。

　　飞利浦和夏普在2004年就实现透镜3D显示技术的商用化，在当年的6月份，夏普推出一款型号为“LL-151D”的15英寸3D LCD显示器，当时的售价约为7000人民币，对于一款新概念的3D显示器而言并不昂贵。而飞利浦则相继推出20英寸的3D显示器和42英寸的3D电视，同样受制于内容支持，这些显示器都无用武之地。
 隶属于透镜3D显示技术体系的还有三星公司，但它与飞利浦-夏普的方案又有区别。三星为每个像素列上都设计了一排垂直排列的半圆形柱面透镜，这些透镜可以将图像分别聚焦于观察者的左眼和右眼，由此形成立体视觉效果。这套方案的优点是图像质量一流，同时透镜的截面尺寸可以控制到微米级，能够支持高分辨率的LCD面板。三星公司在2004年4月推出一款21英寸的3D LCD显示器，但基于相同的缺乏内容支持的原因，这款产品的市场反响颇为有限。

三洋电机：“图像分割棒”解除视野限制
　　在3D显示技术领域，日本三洋电机也非常活跃，该公司曾于2002年就完成样品的试制。在具体实现方面，三洋与DTI、飞利浦-夏普的方案又有不同，三洋电机通过在画面上设计多个条状遮光的“图像分割棒”（Image Splitter），令用户的右眼和左眼分别只能看到指定的图像。为了解决3D显示视野范围小的问题，三洋还在自己的3D显示技术中引入“头部跟踪系统”，即通过一个传感器实时侦测用户头部所处的位置，然后根据反馈信息对“图像分割棒”的状态进行调整，使得用户即使将头部移到3D视野区域之外，显示器也能够及时进行调整。另外，为了解决前后可视范围有限的问题，液晶面板被纵向分成16个区域，依据用户所处位置的不同，各个区域的图像分割棒也会进行相应的调整。
　　早在2003年，三洋便将该技术导入50英寸的等离子电视上，但与前面所说的方案有所不同，该等离子电视并不是只显示分别针对左眼和右眼的两组图像，而是能够同时显示四个视点，这样做的好处就是无论用户处于哪一个位置，总会有两个最佳视点的图像分别进入左右眼。但它的缺点也非常明显：较多的视点导致有效分辨率严重压缩，影响了画面清晰度。而且这种3D电视还对播放的内容提出要求：配套节目必须用四个摄像机同时设置，然后再借助计算机合成为每四个一组的像素阵列，在缺乏业界标准的情况下，这样做显然是不现实的，这也导致三洋的3D显示技术难以获得进一步的发展。
　　
软件支持：3D显示商用化的最后障碍
   尽管存在这样那样的不足，但上述3D显示技术都成功地在平板显示器上构建出真实的3D视觉，而经过进一步的技术改进，3D显示器投入大规模商业化完全可行。然而，在商用化方面，3D显示器必须面对内容支持的障碍。由于3D显示器以左右眼图像形成立体视觉，这就要求3D场景必须支持双图像的格式，例如在3D游戏中，显示卡必须分别为左右眼各渲染出一帧图像并将其混合，如果缺乏统一的标准，那么软件工业和电影工业都将无从着手。
   为解决这一问题，夏普、三洋电机、索尼、NTT数据以及一大批厂商在2003年3月共同发起了“3D联盟”（3D Consortium），由于硬件开发工作基本定型，3D联盟的主要任务就集中在内容格式标准的制定，主要包括3D图像格式标准、内容制作指南及开发工具，只有这一系列设施都配套到位，有足够多的内容可支持3D模式，3D显示技术才可望真正进入普及。
   在3D联盟的努力下，3D图像标准陆续出台，并获得3ds Max、Amira、BioMedCAChe WorkSystem、GOCAD等专业软件的支持，但消费软件尚未跟上。因此在目前阶段，3D显示器还只是局限在专业应用上，进入消费市场尚需时日。但无论如何，3D显示都将带来一场视觉上的革命，并拉近虚拟世界与真实世界的距离，同时它也将改变人与计算机的交互方式，科幻电影中展现的场景将会成为现实。

Box之一
国内专家谈3D产业的未来
作为国内自由立体显示领域的开拓者及领导者，欧亚宝龙国际科技（北京）有限公司董事长兼创始人毛泽平认为，三维或者叫立体显示毋庸置疑是未来发展的趋势，因为世界本来就是立体的，我们的使命就是还原世界的真实，所以我坚信这个产业会有很光明的未来。从技术发展来看，现有的观看视角、制作源等问题未来都会得到解决。宝龙国际已经在开始探索未来的技术发展问题，像交互式视频、电视节目的立体即时转播、手机立体屏等等都是我们在做的事情。

Box之二
真实的三维显示器：在空气中显示图像
   无论是DTI、飞利浦-夏普、三星还是三洋电机，它们所提出的3D显示技术都是利用人眼的光错觉来产生3D图像，内容的载体依然是平面的LCD或等离子显示屏。不过，IO2公司、Actuality Systems公司和日本国家高级工业科技研究所（AIST）所拿出的则是真正意义的三维显示。
　　IO2公司的技术称为“Heliodisplay”，它是一套气体投影系统，这款产品借助了海市蜃楼的成像原理：首先利用一个空气屏幕系统制造出由水蒸气形成的雾墙，然后用一个专用的投影机将画面投射在上面，由于空气与雾墙的分子震动并不均衡，可以形成层次感和立体感很强的图像。如果显示对象是3D物体，那么X、Y、Z轴都可以得到显示，虚拟的物体看起来与真实物体一样触手可及。目前，IO2的这套系统已经发展到第三代，新系统的显示分辨率为1024×768，支持4:3和16:9视频格式，对比度则为2000:1，另外降噪表现也比之前有很大提升。

插图2：IO2的气体投影系统，可以在空气中投影出三维画面。

　　Actuality Systems公司开发的“Volumetric”显示器原型则是一个10英寸直径的玻璃半球，半球内封闭的空气空间就是显示区域，用户可以从任何角度观看显示的内容。Volumetric利用一套特殊的光学机械系统实现立体显示，它可以提供768×768×198（高度）的三维分辨率，不过在此模式下它只能显示出8种颜色，如果将分辨率降低，显示颜色数则可以超过100种。Volumetric专为医学领域设计，应用场合包括医药开发、MCAD或者医学影像。

插图3：Actuality Systems的3D显示器，10英寸半球内可显示出三维物体，并允许360度观察。

　　日本AIST研究所的三维显示器则利用了光电子技术，该技术利用红外激光脉冲在空气中生成一定数量的等离子，这些发光的等离子就成为一个个像素，目前，AIST可以做到在1秒钟内生成100个这样的发光点。在图片中我们可以看到，这些发光点漂浮在发光器上方的空气中，构建出完全真实的3D图像。

插图4：AIST的激光等离子显示技术，同样可以在空气中显示三维物体。

　　上述技术均处于雏形阶段，分辨率、色彩和图像品质都难如人意，但它们的出现标志着三维显示器不再是科幻设想，伴随着科学家的努力，三维显示器在本世纪某个时候必将进入我们的生活。