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不闪式3D有多神奇?偏振显示方案解析

时间:2011-07-18  资料来源:泡泡网 阅读次数: 6483

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立体3D愈来愈热,两大技术针锋相对


  泡泡网显卡频道5月7日 3D立体显示是当前最热门的话题,是未来图像技术的主要发展方向。目前3D立体显示技术已经广泛应用到民用产品中来,为我们日常的娱乐带来新的体验,相信很多用户都很关注。

  3D显示技术的原理是“欺骗”人的双眼,让左右眼分别看到不同的画面,之后在大脑中接受到的画面由于视觉差而产生凹凸感,从而体验到立体的画面。

打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析

  而这个“欺骗”方案,主要有“红蓝式”、“快门式”和“偏振式”三种,“偏振式”又被称为“不闪式”,最近被炒得很火。“红蓝式”因为显示效果太差,被用户慢慢的唾弃。因此市面上主流的3D显示设备基本就是“快门式”与“偏振式”的天下。

打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析

无论哪种3D技术,其原理都是让左右眼看到有一定位移差的图像

  在家用领域,3D显示技术目前争的火热,目前两大主流技术是快门式和偏振式。快门式3D主要由NVIDIASAMSUNG等厂商主推,偏振式则以LG为首。偏振式由于其画面不闪烁的特点,又被起了个新名字:不闪式。那么不闪式相比“有闪”的“快门式”有何优缺点呢?

3D显示原理解析:快门式 (时分法)


  首先我们来看看比较普及的3D显示技术:快门式。这并不是最近才发明的技术,其实早在CRT显示器时代就出现了,它曾经被称为“液晶分时技术”。

快门式(液晶分时)3D显示技术

  这项技术根据字面意思就很容易理解其工作原理,它的主要技术在眼镜上。它的眼镜片是可以分别控制开闭的两扇小窗户,在同一台放映机上交替播放左右眼画面时,通过液晶眼镜的同步开闭功能,在放映左画面时,左眼镜打开右眼镜关闭,观众左眼看到左画面,右眼什么都看不到(眼镜片处于黑屏状态)。同样翻转过来时,右眼看右画面,左眼看不到画面,就这样让左右眼分别看到左右各自的画面,从而产生立体效果。

眼镜镜片为黑白液晶屏,有透明和不透明两种状态

  虽然眼镜镜片的切换很关键,但实际上原始显示设备更关键,假如显示器的刷新率是60Hz,那么通过遮光眼镜后左右眼看到的画面实际刷新率只有30Hz,这样的刷新率下长时间很容易产生视觉疲劳,所以“时分法遮光技术”要求显示器刷新率至少为120Hz,才能保证3D模式下左右眼分别看到60Hz的画面。

CRT时代的3D眼镜只是玩物

  CRT时代,高端显示器很容易达到120Hz,因此10几年前就出现过一些3D眼镜,游戏玩家得以率先体验立体显示效果。但相信很多人都有切身感受,85Hz以下的刷新率对于CRT显示器来说都是非常闪的,60Hz完全不够看。CRT显象管时时刻刻都处在闪烁状态,因此CRT与遮光眼镜的时钟同步要求非常精确,否则就会产生视觉混乱。

彻底摆脱液晶拖尾
120Hz显示器成为新的时尚话题

  到了LCD时代,由于刷新率很难突破60Hz,因此“时分法遮光技术”毫无用武之地,也渐渐的被大家所遗忘。随着技术的不断发展,如今120Hz液晶甚至等离子面板都不再是梦,尘封已久的“液晶分时技术”也得以重现天日,为大家呈现出最逼真的立体显示画面!

快门式3D的优点:

1. 显示器无需任何特殊的设计,只需达到120Hz的刷新率即可
2. 显示分辨率没有任何损失,3D立体效果非常出色

快门式3D的缺点:

1. 120Hz刷新率的液晶面板和驱动会导致成本提高
2. 快门式眼镜需要充电,而且眼镜比较厚重,长时间佩戴并不轻松
3. 虽然每只眼睛都能保证看到60Hz刷新率的画面,而且LCD本身不会闪烁,但由于眼镜时时刻刻都处在开/关切换状态,所以人看到时仍然会有轻微的闪烁感觉(因人而异)
4. 眼镜片有一半时间处于黑屏状态,会阻止显示器光线进入,因此会造成图像亮度下降

3D显示原理解析:偏振式 (不闪式)


  偏振式3D显示技术其实也有年头了,只不过之前一直都应用在立体电影院里面,而近年来才被引入到民用显示器/电视机上面。首先我们来看看偏振式3D技术的显示原理,然后再来看看具体显示设备是如何实现的。

偏振式(不闪式)3D显示技术

  很多电影院放映采用的是偏振法,通过两个放映机,把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。这时如果用眼睛直接观看,看到的画面是重影模糊不清的,要看到立体电影,就要在每架电影机前装一块偏振片。从两架放映机射出的光,通过偏振片后,就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。

偏振镜分光原理示意图

  这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处,偏振光方向不改变。当观众带上偏振眼镜后,左右两片偏振镜的偏振轴互相垂直并与放映镜头前的偏振轴一致,所以每只眼睛只看到相应的偏振光图象,即左眼只能看到左机映出的画面,右眼只能看到右机映出的画面,这样就会像直接观看那样产生立体感觉。

偏振光技术简介:

  为什么带上偏振眼睛后能使左右眼看到完全不同的图像?确实不太容易理解,关于偏振光和偏振眼镜的原理,由于涉及内容比较多,这里仅作简要介绍。

  光就是由互相垂直的电场和磁场形成的一种电磁波,自然光是很多电磁波的混合物,它在各个方向的振动是均匀的。当它以特定的角度(布儒斯特角)经过非金属表面后反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度,就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。部分偏振光是有程度的,偏离的角度越大,偏振光的成分越少,最终成为非偏振光。有了偏振光,有时会给我们照相带来不利。玻璃表面的反射光,使我们拍摄不到玻璃橱窗里面的东西,水面的反射光使我们拍摄不到水中的鱼……

  但利用偏振光的这种特性正好满足立体电影的需求——让左右眼看到完全不同的画面。通过给两个投影机加装偏振片,让投影机投射出互相垂直的完全偏振光波,然后观众通过特定的偏振眼镜,就能让左右眼看到各自不同的画面而互不干涉。

  当然,实际放映立体电影是用一个镜头,两套图象交替地印在同一电影胶片上,还需要一套复杂的装置,这里就不做深究了。

第一种偏振式3D显示器:双液晶面板


  120Hz 3D显示器的原理都完全相同,不管经过NVIDIA 3D Vision认证的,还是AMD HD3D或者第三方甚至山寨,都要搭配相应的快门式眼镜就可以了。而偏振式显示器则有好几种解决方案,最完美的当然是上页提到的电影院双投影机方案,很显然这种方案无法普及到千家万户。

第一种偏振式3D显示器:双液晶面板

  按照双投影机的原理,有厂商制造了双液晶面板的3D显示器,为两层液晶面板分别加装互相垂直的偏振片,然后用户带上配套的偏振眼镜,就能实现与电影院相媲美的3D立体显示效果。

梦幻液晶登场!全国首台3D显示器美图

首款3D液晶显示器:iZ3D H220Z1

立体影像成现实!全国首款3D液晶试玩

双液晶面板,两个液晶面板有各自的接口,需要单独连接显卡

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系统会识别两个显示器,一前一后

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面板加装了偏振片,上层是半透明状态,下层在特殊角度才能拍摄到

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用偏振眼镜就可以看到下层面板的内容

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  基本上,其原理与电影院的双投影机没什么区别。这种双液晶面板的显示器,在玩3D游戏的时候,用裸眼观看,上下两层面板的图像完全重叠在一起,而带上偏振眼镜之后,则就是非常完美的3D立体影像。

双液晶面板偏振式3D的优点:

1. 图像毫无闪烁感
2. 显示分辨率没有任何损失,刷新率没有任何损失,3D立体效果接近完美

双液晶面板偏振式3D的缺点:

1. 双液晶面板,再加上特殊的偏振滤光片的设计,成本非常高
2. 需要显卡双头输出,性能损失很大
3. 已经没有其它厂商采用这种代价高昂的设计

第二种偏振式3D显示器:隔行交错显示


  双液晶面板的3D显示器由于成本太高、设置复杂、要求较高,目前各大显示器厂商都已经放弃了这种方案。但偏振式毫无闪烁的特性,依然吸引着厂商们投入精力去研发。终于,一种成本比快门式更低的偏振式3D方案问世了:

第二种偏振式3D显示器:隔行交错显示

  1080i是曾经非常流行的高清视频分辨率,它以720p的文件体积实现了媲美1080p的显示效果,性价比非常高。1080i的原理就是隔行交错显示,视频文件的实际水平分辨率保持1920不变,但垂直分辨率只有1080的一半。其中奇数帧和偶数帧都只有540线,然后通过播放器合成,再辅以各种插值算法和图形渲染技术,最后呈现在读者面前的就是媲美1080p的高清图像。

打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析

1080i视频的显示原理,图像直接合成会有交错,需要经过复杂的后期处理

  而今天要介绍的3D显示技术,就是参考了1080i的原理。将液晶显示器完整1080p像素,拆分为奇数行与偶数行两组画面,奇数行与偶数行像素上方分别镀上了偏振薄膜(偏振方向垂直),这样人眼带上偏振眼镜后,左眼将只能看到奇数行的像素,右眼将只能看到偶数行的像素。

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隔行交错偏振式3D显示技术示意图

  由于奇数行与偶数行的画面有一定的位移差,大脑看到合成后的图像就会产生立体感。这样人脑通过左右眼合成的虚拟图像将会接近与1080p的水平,但当图像高速运动时,会不可避免的产生交错感,这种感觉不可能通过软件后期处理来消除。

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“拉丝”现象显著

  换句话说,1080i视频可以通过改进算法(即反交错技术)来提高画面品质,但隔行交错偏振式3D最终的显示效果,始终会有交错感。

隔行交错偏振式3D的优点:

1. 显示器采用普通60Hz液晶面板,附加一层特殊的偏振薄膜。成本要比双面板、120Hz方案低很多,略高于普通LCD
2. 图像毫无闪烁感
3. 偏振眼镜轻巧、成本低

隔行交错偏振式3D的缺点:

1. 偏振眼镜有特定的可视角度
2. 3D模式下所有图像以1080i模式输出,分辨率减半,有细黑色横条

深度对比:不闪式与快门式的优劣


  既然快门式与偏振式是目前两大热门3D解决方案,下面我们就做一个详细对比:

3D液晶显示器的售价:快门式比偏振式贵近一倍

打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析   打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析

HANNS.G HS233H3B(快门式)价格约2700元,AOC E2352PZ价格约1500元

  先从成本上来看,快门式3D需要120Hz液晶显示器或液晶电视,显示设备的成本较高,通常最高分辨率为1680x1050的22寸120Hz液晶显示器价格也要2000元以上,达到1920x1080全高清分辨率的23寸产品则要2500元以上。

  而偏振式3D液晶显示器只比普通液晶显示器贵一点点,性价比很高。虽然它的显示效果因为隔行的关系可能会差一些,但当作2D显示器用的时候,显示效果没有任何问题。

3D眼镜的售价:快门式近千元,偏振眼镜随显示器附送

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一套NVIDIA 3D Vision套装价格在千元以上

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偏振眼镜看上去和普通眼镜没区别,售价只有十几元到几十元

  除了面板,快门式眼镜的成本也不低,因为眼镜本身就是两片液晶屏,需要电池、充电设备、红外同步设备、各种相关认证费用……通常搭配显示器一同销售的快门式眼镜价格在300~800元不等,而如果是NVIDIA的3D Vision快门式眼镜,价格则要更贵一些,通常都在1000元以上。相比之下,不闪式3D的专用设备价格要平民不少,一台1920x1080高清分辨率的不闪式23寸液晶显示器已经可达1500元的价位,并附送眼镜,这个价格比起普通液晶示器来也不算贵了。而当有额外的眼镜需求时,不闪式眼镜的价格优势将更加明显。

免费的红蓝3D方案太山寨

  当然,对于用户来说,价格并非唯一的取舍标准,如果仅考虑价格,那么色分法的红蓝3D成本则仅有十几元,加一只红蓝3D眼镜即可,但是它的效果就太差了,成像也并不稳定, 因此成像质量和效果则是人们另一个要考虑的问题。从图像品质上来说,快门式可以提供分辨率、画质无损的立体图像,但是存在刷新率下降的问题,因此会产生闪烁感,同时画面亮度也会出现降低。而目前不闪式3D采取的技术为在显示面板上增加一层偏振层,是由原画面中抽离出一半并加以处理,产生不同方向的偏振光从而形成立体图像,而它的问题就是分辨率降低一半。

  除了成本和画面效果之外,其他方面的差异还有很多,比如眼镜的重量、软件设置、兼容性、性能等等。不过这都不是判断两者孰优孰劣的标准。在此之前,快门式3D我们已经进行过不少介绍和测试,这次我们来看看不闪式3D的实际使用方法和效果。

平台搭建:仅需一台不闪式显示器


  前面已经提到不闪式3D技术的基本原理,它的关键设备在于显示器。本次测试中我们选择了这项技术的主推者-LG所设计制造的D2341显示器。它的分辨率达到了1920x1080的全高清分辨率,60Hz刷新率,随机带有采用偏振分光技术的眼镜。

打破不闪3D式神话!偏振显示方案解析

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标准的DVI-D+D-Sub接口

  其他配置则是上次进行AMD HD3D测试时的配置,并无其他变化,配置单如下:

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  需要说明的是,不闪式3D目前是显示器厂商主推的一项技术,对PC端硬件没有特殊要求,因此任何平台只要性能达到要求即可。

不闪式3D实际测试:3D电影


  首先进行的是3D电影播放测试,使用了PowerDVD 11 Ultra这款软件。片源为蓝光3D影片《HUBBLE》。

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3D播放相关设置

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在现实设备设置中选择隔行式3D显示设备

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蓝光3D影片播放效果实拍

  播放设置很简单,完全没有障碍,效果也相当理想,画面没有闪烁感是其最大特色,不过画面分辨率会降低。能明显看到画面中垂直分辨率降低了一半。

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  除此之外,LG这款显示器也附送了一款TriDef 3D软件,可以观看3D影片、图片、进行DVD 3D效果转换、3D游戏。效果也相当不错,使用方法也很简单。

不闪式3D实际测试:游戏


  接下来是游戏测试。TriDef 3D软件中有3D游戏组件,可以自动扫描电脑中已经安装的游戏,也可以手动添加,列表中包含数百款近几年的主流3D游戏,对于列表中没有显示的游戏,可以选用通用配置选项,不过无法保证所有游戏的兼容性。

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简单明了的设置画面。

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  除此之外,第三方软件iZ3D的驱动也有隔行的选项,同样可以支持不闪式3D显示技术。

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  游戏实际测试效果,街头霸王4和F1 2010。立体效果都很好,但是画面垂直分辨率的降低会造成体验效果的下降。

测试总结:有得必有失


  “不闪式3D”从名字来看,是强调自己的立体显示效果不会降低刷新率,从而对人眼不会产生不良影响,这原本确实是偏振式3D显示技术的优势,不过之前电影院中采取的偏振式技术采用的是两台放映机放出两个完整画面,iZ3D也推出过拥有双面板的液晶显示器,其播放成本并不低,两块显示面板的价格要高于一块120Hz面板。而现在主推的“不闪式3D”则是增加了一层分离膜,这样成本确实大大降低,甚至比普通液晶显示器也贵不了多少,眼镜价格也很平易近人。但是在原来的画面上分割出两个部分,导致分辨率会直接降低一半。

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  以笔者的实际测试感受,3D效果理想,但是画面垂直分辨率直接降低一倍的效果是直接的,显而易见的。必定会带来视觉体验的直接下降,这就是低成本不可避免的带来的问题。但这里笔者可以告诉大家一个技巧,如果距离显示器稍微远一点的话,隔行所产生的分辨率降低效果就不太明显了。

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快门式和不闪式3D技术的比较

  和快门式3D一样,这种需要通过软件处理的3D技术同样对硬件性能有所消耗,实际游戏测试中,无论使用哪款软件来实现,开启3D立体后效能下降了一半之多。这令笔者大为吃惊,以此看来,如果想流畅玩平时所玩的游戏,显卡性能需要有2倍以上的性能富裕量,如果平时都是刚刚达到流畅或者勉强达到流畅的游戏,在开启3D后根本无法满足同样效果下的流畅进行,而且分辨率还下降了一半!

  当然,对于不同的用户来说,各自的需求也是不同的,价格是一个直接影响用户选择的因素,除此之外,有些用户对分辨率并不很看重,却对闪烁难以忍受。相反,也有人对画面分辨率的要求是最高的,闪烁和画面变暗则无足轻重。3D显示技术还在不断发展中,将来也许还会有更完美的技术出现,而目前现存的技术之中,依然是各有优劣,并不能断言哪一种更好。■

 

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