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3D电视技术产业跨出第一步!
戴不戴眼镜都很立体!

【作者: 鍾榮峯】2010年04月06日 星期二

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3D TV元年鸣枪启动!


说今年是3D TV元年,一点也不为过。包括Panasonic、Sony、Samsung、LG等电视品牌大厂,已经或即将推出各尺寸3D TV产品。3D TV已是今年电子产业最热门的焦点之一。



市调研究机构iSuppli便预估,今年全球3D电视出货量可达420万台,到2015年将巨幅成长到7800万台,年复合成长率可达80%。预计今年全球3D电视的营收规模有74亿美元,2015年此一规模将达到643亿美元,成长幅度近8倍之多。



业界的评估更是远远超过此一预期。Sony计划目标是在2011年3月前,达到250万台3D TV的销售量,6月中旬则会陆续推出46吋和40吋的3D电视,7月中旬则会继续推出6款3D机种。Samsung则是计划在今年达阵200万台销售量,LG则是预估今年在全球的3D电视出货量可达40万台,明年则可增加至340万台。




《图一 3D电视影像内容来源示意图》




3D电视大厂纷纷起跑冲刺!


电视大厂早已纷纷就定位起跑冲刺。Panasonic则已3月10日开始进攻美国市场,3D TV产品已经销售一空;Samsung也已在3月14日于美国市场推出55吋3D电视,并瞄准欧洲、加拿大和南韩本土市场,计划推出3D LED电视、LCD系列和电浆电视系列;Sony选择固守日本本土市场,6月10日将推出首款3D电视;LG则计划与印度本土媒体娱乐公司合作,在印度市场推出47吋3D电视。



台湾瑞轩科技(AmTRAN)也不甘示弱,计划推出首款本土品牌3D TV。由创维集团打造的中国首款家用3D LED液晶电视,也将在五一假期期间在中国市场问世,尺寸涵盖42~55吋。其他TCL集团、四川长虹和海信电器等中国电视厂商也开始布局3D电视。



3D电视价格战已烟硝四起


各电视品牌大厂将在今年下半年将推出更多的3D电视产品。iSuppli就指出,这些产品价格将比LED液晶电视高出600~700美元。不过由于品牌大厂积极投入此一领域,3D市场的竞争将非常激烈,最后3D电视价格会迅速下降。iSuppli预估到2015年,全球3D电视的平均销售价格将降到825美元,而今年3D电视价格还可维持在平均1768美元的水平。虽然今年和明年将只有初期少数消费者愿意购买3D电视,但到2012年以后,当3D内容不断增加和产品价格陆续下降,将吸引更多的消费族群购买。



电视大厂因3D技术重拾舞台


市调机构DisplaySearch就特别指出,3D显示技术可说是电视品牌大厂重新掌握显示关键技术的契机,可摆脱面板大厂以LED背光与240Hz双倍频扫描技术来进一步控制未来电视技术发展的束缚。再加上,平面液晶电视与传统映像管电视的换机潮持续不断,今年全球电视的平均销售价格将首次出现下滑的趋势,因此电视品牌大厂莫不以3D TV作为明显区隔市场差异化的关键利器,来缓和电视价格下滑的幅度。可以这么说,电视品牌大厂因为3D技术应用而重拾失去已久的舞台。




《图二 3D电视成长预估图》




3D应用让电浆电视找到第二春


另一方面,电浆电视市场也因为3D立体显示应用的出现而重获市场青睐。因为搭配快门式眼镜的3D显示器,必须打出每秒120Hz帧幅画面的反应速度,以供左右眼切换观赏,一般LCD屏幕并无法达到如此快速的影像反应速度。而电浆电视的影像反应更新速度较快,比LCD液晶电视更适合呈现3D影像,因此3D电浆电视正成为电视大厂首波的最爱,包括Panasonic、Samsung和LG等,也都推出3D电浆电视先在市场试试水温。



不过一般LCD面板也可藉由技术革新呈现良好的3D效果。除液晶反应速度要跟上3D显示应用要求外,影像数据进入面板的时间也是革新重点,这些技术便攸关液晶面板能否有效反应超高画质和3D显示质量的重要指针,也具体代表液晶面板厂商研发能力的指针和完整性。



3D电视显示技术各有一把罩


3D显示技术其实并不是件新奇的事,19世纪初就有所谓红蓝滤光眼镜(Anaglyph)的应用了,用3D立体眼镜看电影也行之有年。不过使用3D眼镜或是裸眼观看3D立体影像,在技术上则是不断面临许多创新的突破与挑战。3D技术最起码单眼必须达到高解析视讯效果,以及满足单眼每秒60张图帧频率(60Hz)、两眼每秒共120Hz的反应速度。



目前主流的3D电视显示技术,便可分为配戴眼镜式和裸眼式两种,前者是藉由左右镜片的轮流开关,创造出三维效果,包含主动式的电子快门眼镜(Shutter Glasses)以及被动式的偏振(Polarization)技术;后者则是用户不需配戴眼镜即可观赏立体画面,主要以光屏障式(Barrier)和柱状透镜(Lenticular)技术为核心。一般而言,主动电子快门式3D眼镜大部分搭配的是帧幅序列方式的显示面板,被动偏振式3D眼镜则搭配的是贴上偏光片的显示面板。



配戴眼镜式3D显示仍具主流影响力


配戴眼镜式的3D显示技术发展相对成熟,所呈现的3D影像效果也比较好,若从制造、结构、内容等观点来看,配戴眼镜式3D显示也比较容易制造,格式标准也较易实现统一。同时,配戴眼镜式的3D内容制作,比较能够控制3D影像质量,可控制观看者没有看到的角度,3D内容亦无须考虑太多视角问题。在3D电影剧院、以及数字家庭领域,特别是在电玩游戏应用,配戴眼镜式3D显示技术应用依旧稳占影响力。



裸眼式3D显示未来发展潜力无穷


一般的柱状透镜或光屏障式裸眼式3D显示,以是两视域(Two-view)或多视域(Multi-view)的设计为基础,利用柱状透镜凹凸光曲折或利用光屏障遮掩交错影像方式,在不同空间不同角度来传递左右眼不同的影像讯号,在视觉上产生3D影像效果。目前光屏障式技术已可应用在3D电视面板,而柱状透镜式技术首先则以公共空间的数字广告牌应用为核心。



裸眼式虽然可突破戴眼镜的限制,但裸眼式3D影像内容的各种偏角度都需要顾及3D视觉效果,因此需要多视角设计,相关3D内容控制变量就会变多,需要进行复杂的后制才能呈现多角度3D视觉效果,显示芯片的算法设计也就比较繁复。同时,3D面板的画面分辨率要随之提高。用光屏障式作为3D显示面板的技术基础,需要提供更高分辨率的面板并革新画素排列设计,让观看者所感受的分辨率降低幅度不会那么明显。



这些3D电视技术应用的标准定义都尚未统一,电视大厂和眼镜制造商的3D规格仍处于各自为政的局面。不过哪种规格会胜出还不一定,配戴眼镜式和裸眼式3D技术的优缺点兼具,市场普遍认为这两种技术彼此竞争激烈,但短期内仍会共存,长期来看两者会渐渐朝向统一规格方向发展。




《图三 3D显示技术分类树形图》




面板3D三维效果更要高画质搭配


3D电视的三维效果要好,首先3D面板显示技术就是关键之一。面板厂商开发3D技术最重要的核心,便是利用光学设计将3D显示光源分别准确地投射至左右眼,彼此不能有干扰,避免crosstalk问题,藉此进一步使人眼接收3D讯号时,不会突兀而舒畅,降低人眼接收3D影像在视觉上的不适与疲劳感,而让3D感觉更为贴近自然。而裸眼式的3D面板画面分辨率也要随之提高,因为光屏障式技术除了有多视角分辨率下降的问题外,由于采取光屏障遮掩交错影像的方式,透旋光性也会相对不足。



以友达光电为例,就具备了包含裸眼式的光屏障式(barrier)技术和柱状透镜(lenticular)技术,以及需配戴特殊眼镜观看的偏光式(Pattern Retarder)Full HD 3D面板技术。在提高光屏障式亮度部分,友达光电已开发出独家专利设计,藉由把光屏障式组件做到背光后面的方式,能更有效地回收光源,回收率多出60%,可明显提高光屏障显示的亮度。这款革新专利已应用在65吋的3D显示屏幕样品上。友达预计今年下半年量产的65吋偏光式Full HD 3D面板,是目前商品化阶段最大尺寸的3D电视面板,偏光式3D眼镜价格不贵,重量也仅10公克,颇具市场竞争力。



另一方面,Samsung生产40、46、55吋LCD与LED全屏幕高画质(Full HD)3D电视兼容性面板,则是搭配主动式电子快门眼镜,以及Samsung的true 240Hz技术。此技术缩短加快20%原有LCD跟LED面板的反应时间,亦即不到4毫秒,可有效减少左右眼之间的crosstalk干扰。



Toshiba也推出CELL TV新技术,采用由IBM、Sony和Toshiba共同合作的驱动引擎设计Cell Broadband Engine,可增强高画质数字影像的清晰度。CELL TV的3D图像使用接口设计Spatial Motion Interface,则采用红外线感测组件,搭配使用算法辨识原始动作,可让用户藉由手势动作传递讯息给电视,进一步搜寻或找寻高画质电视的各类3D影像内容。



3D眼镜技术各有千秋 电子快门式主导电视领域


3D电视三维效果要好的另一关键,3D眼镜不可或缺。过去消费者用3D眼镜观看3D影像时,大部分是以偏振式(Polarization)技术为主,现在电子快门式(Shutter)眼镜,可以利用内建电池发电并自动关闭左右镜片的方式,也能呈现更立体逼真的视觉效果。以3D眼镜大厂RealD为例,RealD在电影界使用偏振式3D技术,在3D电视领域则采用电子快门式眼镜。



RealD成为3D电视大厂的最爱


目前在3D电视领域,可说是由主动电子快门式眼镜技术所主导。大部分3D电视品牌大厂,包括Sony、Samsung和Toshiba等,都采用RealD的主动电子快门式眼镜格式,Samsung也和RealD进一步合作裸视3D显示技术;至于Panasonic和台湾瑞轩则是与另一3D眼镜大厂XpanD合作。



RealD的3D眼镜技术为何能成为大部分3D电视大厂的最爱?究其原因,RealD的3D技术均可支持偏光3D眼镜或是主动快门式眼镜,并适用于所有种类显示技术,且RealD拥有3D显示并排(side-by-side)格式技术的基本专利权。更重要的是,目前大部分的好莱坞3D电影显示格式,都需要经过RealD的验证,也



XpanD强化电子快门技术优势


另一方面,XpanD在电子式快门眼镜技术上也不遑多让,强调可无缝与具备3D显示功能的LCD面板、电浆面板和数字光源处理技术DLP(Digital Light Processing)显示屏幕结合。XpanD并开发出所谓 pi-cell的液晶胞(liquid crystal cell)技术。当电子快门遮蔽左右眼时,可更加快速转换,也能够更加宽视域,更可强化镜面穿透率的消光比(extinction ratios)。



支持3D眼镜产品纷纷参一脚


德州仪器(TI)的DLP-link双向同步(synchronize)技术也应用在XpanD的3D眼镜,不采用红外线发射器(emitter),改采无须外部独立的发射器,利用数字微型反射镜组件DMD快速切换的特点,在图帧之间插入灰阶画面;3D眼镜侦测到灰阶画面时便切换左右眼快门,以这种方式进行左右眼切换同步,因此不需要外部接收器。



德国光学镜片大厂卡尔蔡司(Carl Zeiss)也预计推出3D行动影音眼镜,可让观看者藉由投射出的虚空间感,去感受前方2公尺距离观看45吋3D视觉影像的仿真效果。看好3D电视的发展前景,绘图芯片大厂nVIDIA也推出3D TV Play软件技术,用户可将内建绘图处理器的PC或NB,连接到配备HDMI 1.4规格的3D TV上,便可享受大屏幕3D游戏体验。



不能没有你!3D电视还需各路人马牵成


除了3D面板和3D眼镜之外,显示格式、讯号传输、压缩机制与档案单元格式更是攸关3D电视的质量。光靠3D电视并不能一劳永逸,3D电视产业链还有许多课题尚待克服,产业界目前正拉大视野,从显示、传递与格式等各层面关照3D电视全局。



3D传递和单元格式各行其道 标准化势在必行


像是3D数据单元格式目前仍处于百家争鸣的状态,规格尚未统一。简单来说,投射至左右眼的两张3D影片,单元格式究竟为左右还是上下摆放,数据单元格式就不尽相同;3D内容的画素排列方式,规格也各有殊异,支持与辨识各种3D影像内容和单元格式的软硬件设计就非常重要。



3D内容影像的传递格式就有许多种,包括以棋盘格、交叉线或是字段方式、并排或交错两道影像讯号传递方式,来提供优化的3D视讯效果。例如卫星电视业者DirecTV与BskyB打算采用并排(side-by-side)格式,有线电视方案供货商CableLabs正在规划上/下(over/under format)格式。



为了让3D影片内容顺利导入3D TV,各方也正思考内容标准化的可行性。除了好莱坞的技术组织SMPTE正在定义管理3D数据形式与3D内容种类的标准化之外,欧洲由政府赞助的3-D4YOU组织,也正在定义3D TV的撷取、编码和标准格式。



IPTV:解决3D广播带宽与分辨率治本良方


要实现3D电视影像,从拍摄画面起的录像设备就要支持3D功能,从电视台传输信号、译码然后终端接收,至少也有5~6个环节。若是3D电视直接接收广播电视讯号,广播网络缺乏支持左右两眼Full 1080p影像分辨率的带宽,也无法传送高画质电视的Full HD视讯,同时广播3D电视内容也会因为传输产生分辨率下降的问题。



若把3D图像分割显示更高的分辨率效果也是一种方式。德国Saarland大学的研究团队便在此次CeBIT展会上展示新的3D影像显示和编辑技术,是藉由快速的计算机运算数组方法,把过大的3D影像容量分割成多个容易管里的小单元,不仅让一般计算机得以运算处理,同时更能显示出比以往3D影像更为仔细的内容,能让用户处理高度专业的卫星侦测和医学扫瞄3D图像。



拓展带宽并采用新的编译码格式,则是试图解决广播3D视讯内容分辨率下降的方式之一,不过能够从根本上解决3D广播视讯问题的,应该会是IPTV网络。



2D转3D画龙点睛


由于2D文字和3D影像同时并存的应用情境常常出现,因此在特定局部范围内显示3D立体影像效果非常重要;此外,2D和3D显示应用也需要并存,才可让消费者可随时切换观看,因此2D和3D全局显示切换技术也非常关键。2D转3D切换技术对于3D电视应用的普及化来说,更是不可或缺。



制作3D内容最直接的做法就是将为数众多的2D影像转成3D影像,这个技术的困难度甚高。基本上要产生视觉上可见的3D影像,必须要有左右眼视差的两个影像,2D影像内容不具备各景物深度位置的数据,所以如何将2D转3D,最关键技术就是如何分析及判别景物的相对深度关系,找出2D影像的正确深度图(Depth Map)。目前台湾工研院电光所立体影像系统组在这方面有显著的突破,In-Three和Passmore Labs也是2D转3D技术重要的研发单位。针对3D TV,DDD和Sensio则是在2D转3D以及编译码技术上有相当重要的影响力。



规格底定 3D蓝光敲边鼓壮声势


3D蓝光播放器的加入,也为3D电视产业敲边鼓壮声势。蓝光光盘协会(Blu-ray Disc Association;BDA)已确立高画质蓝光3D规格最终版,未来3D内容光盘片可以与3D电视一起销售。3D蓝光格式标准是针对利用蓝光播放器所播放于左右眼分辨率各为1080p的影像所制订,是藉由MPEG-4 Multiview Video Codec(MVC)中的H.264 Advanced Video Coding(AVC)去进一步扩展标准。



3D蓝光播放器和家庭剧院系统的出现,有助于全球3D电视市场的茁壮。例如美国三星与梦工厂动画(DreamWorks Animation SKG)和Technicolor便合组策略联盟,预计在今年底前推出完整的3D蓝光光盘家庭娱乐解决方案。3D蓝光光盘的设计与制造则交由Technicolor负责;三星电子则提供相关3D显示处理器、2D/3D转换技术以及电子式快门眼镜技术。今年更多系统厂商将会随着3D电视问世,推出新一代支持3D的蓝光光驱,这些设备将符合自有格式与最新的HDMI 1.4版接口,能以Full HD分辨率传递3D内容。



3D频道通通站出来!


有线或无线3D电视频道的经营步伐也是大幅迈进,各大广播公司及频道供货商正跃跃欲试。包括British Sky Broadcasting(BSkyB)、DirecTv、Discovery Channel与ESPN都规划在今年提供3D视讯服务。ESPN今年将以3D格式转播85场比赛,将透过光纤传送720p 60-fps内容给有线电视业者,也不排除以卫星传送的方式转播分辨率1080p的3D内容。DirecTV HD 3D频道将于6月开播,Panasonic是独家展示赞助商。电视大厂LG也在3月16日宣布将与英国最大付费电视业者欧洲天空电视台(Sky TV)合作,供应1.5万台3D电视安装在英国各地公共场所,用3D转播英超足球赛事;4月Sky 3D频道也将确定成立,成为欧洲第一个3D专属电视频道。



此外,Discovery、Sony和IMAX正合作在美国投资成立首个全天无休的专用3D电视网,将播放自然、太空、探索、冒险、机械、科学、其他新兴技术、儿童动画等3D内容。Discovery则将管理负责3D电视网相关内容服务及在美国13个电视网的营销作业;Sony则会负责3D电视网的广告和厂商赞助;IMAX则专注在3D电视网内容授权和提升3D显示技术的工作上。



3D电视产业跨出第一步!


现在,3D电视产业已经跨出重要的第一步。3D电视的面板设计渐趋成熟,3D TV产品在市场上的反应比预期来得更为热烈,配戴眼镜式3D应用已成为主流,2D转3D技术和3D蓝光设备的加持,更有助于3D电视的普及,未来裸视3D应用发展更是潜力无穷。除了硬件之外,3D内容与频道也需一并成长,才能整体带动3D电视产业,而3D显示格式、讯号传输、压缩机制与档案单元格式相关规格的制定与开发,正攸关整体3D电视供应链能否提升更多附加价值的关键。



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