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2010年,3D电视可谓平板电视产业中的主要技术热点,在韩国和日本彩电厂商的带动下,全球掀起一股3D电视热潮。目前,一线彩电企业推出3D电视产品已半年有余,DisplaySearch更是将全球3D电视的需求预测从之前的250万台提高到340万台左右,并预测到2014年全球3D电视需求将达到4300万台左右,在40英寸以上的电视中,3D机型的比例在2010年为5%,到2014年将达到37%。其中,基于“帧顺序”技术的快门式3D技术和Xpol偏光式3D技术为主要类别。
作为主要推动者的一线彩电企业,均对3D电视销量报有乐观预期,并制订了2010年3D电视的销售目标,如三星200万台、索尼250万台、松下和LG分别为100万台;此外,全球二线品牌,如日本的东芝、日立、中国一线彩电企业以及新兴彩电企业VIZIO等也都纷纷推出3D电视,加入竞争行列。
虽然终端产业对3D电视寄予厚望,但仍旧存在“昙花一现”的隐忧,内容短缺是首要的限制因素,这又是一个典型的“先有鸡还是先有蛋”的问题。其次是技术因素,不同的3D显示技术面临着不同的技术挑战,距离完善成熟都还有相当的路程要走。
内容短缺成瓶颈
彩电厂商对3D内容的缓慢发展颇为不满,内容的短缺已大大限制了3D电视终端的推广与普及速度。
虽然DisplaySearch对2010年3D电视机的销量抱有良好预期,但美国消费电子协会(CEA)却提出不同看法,认为其实际销售量可能不到160万台,主要原因就在于内容缺乏导致需求不振。
无论是以美国好莱坞为核心的电影业,还是广播电视业,都面临着发行更多3D内容以刺激终端市场销量的压力。但就目前来看,除了少量的3D蓝光电影外,3D内容寥寥无几。尽管好莱坞制片商已经意识到蓝光3D内容的市场潜力,但在3D播放器与电视机市场变得“足够大”之前,仍对发行3D版本电影有所顾虑。例如,好莱坞制片商Dmamworks的产品开发与技术部门主管Jim Maimtrd认为,目前尚未达到大量发行3D内容光盘的关键临界值,但他也表示,预计2011年市面上将会出现更多的3D电影光盘,届时内容市场将会有所起色。
虽然在3D电视内容的制作与播出方面,体育类3D频道走在了最前端,但3D电视内容的发展面临着更大的挑战。据悉,要直播一场3D运动赛事,至少需要200名工作人员,以及从摄影机到后期制作等几乎整套完全不同的制作流程,所花费成本是2D版高画质转播的两倍以上。
在3D体育赛事转播方面颇为领先的ESPN公司的业务策略暨开发副总裁Bryan Burns表示,转播3D运动赛事需要有雄厚的资金实力。ESPN目前每周转播一场3D赛事,需要花费巨大的人力物力,鉴于此,3D电视的普及还得需要3～5年时间。快门式3D技术短板:
串扰与亮度问题
目前,3D电视主要是采用了基于“帧顺序”技术的快门眼镜式(见图1)。具体而言,是将3D视频文件进行解析,然后将两组画面进行分割,形成对应左眼和右眼的两组画面,连续交错显示出来,同时红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关,使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面,经过大脑合成3D立体图像。这种技术要求显示器的刷新频率要达到120Hz以上,而且要配备液晶快门的眼镜以及信号同步用的红外线传感器。
但采用“帧顺序”技术容易造成“串扰”和亮度和色彩度降低等问题(见附表)。
所谓串扰(Crosstalk),是指有眼用影像和左眼用影像有所重叠的现象,这种问题不但会降低3D影像的画质,还会使观看者出现眼睛疲劳及眩晕等生理上的不适状况。
所谓亮度问题,是指与2D显示设备相比,3D显示设备的亮度往往会降至前者1/10的水平。这是因为专用的快门式眼镜所使用的偏光板会导致光的透射率下降,而且为应对串扰问题而采用的很多技术也会在一定程度上导致光的损耗,因此和2D显示器相比,3D显示设备的亮度大为降低。在绿色节能的消费需求下如何既节能又确保显示亮度,成为电视机厂商们发展3D技术的另一个技术课题。
1.串扰问题应对之道
和PDP电视相比,液晶电视的串扰问题更为明显,为此,液晶电视厂商主要是将液晶面板刷新频率由原来的120Hz提高至240Hz,通过提高显示器响应速度来减轻串扰问题,此外,还可以通过改进LED背光的方法来缓解该问题。但具体厂家所采用的方法也有所不同。
在240Hz刷新频率的实现方面,目前主要有插画(插入两张相同帧频画面)及插黑两种方式(见图2)。例如,索尼针对右跟用和左眼用影像内容,分别连续显示两张相同帧的影像,在两张相同帧的影像中,只在没有混合有眼和左眼影像的领域点亮LED背光、打开眼镜的液晶快门。采用这种技术的还有夏普公司。三星则针对右眼用和左眼用影像。采用插入了“黑画面”方式,再根据影像顺序显示的时机点亮LED背光。除了三星之外,东芝、LG等企业也采用了这种技术。
有业内人士表示,对于串扰问题的控制,插黑要比插画方式更为有效,但前者会使原本就存在的亮度问题进一步加剧。
此外,3D电视的背光方案也是抗串扰技术的重要组成部分,由于3D电视几乎都采用LED背光,有效的背光技术方案可以进一步减轻串扰问题。
除了整机厂商外,芯片以及零组件厂商也在各寻办法。例如,日本电气硝子在“CEATEC JAPAN 2010”上展出了厚度为0.3mm的第8代(2200mm×2500mm)玻璃底板,主要面向3D显示。电视用液晶面板使用的玻璃底板厚度通常为0.7mm,而日本电气硝子的这款产品可缩短面板内部的液晶层与偏光板及相位差板等光学部材之间的距离,由此可减小玻璃底板的折射率对显示图像时造成的影响,用于3D电视时则可控制串扰问题。
2.亮度问题的应对之道
在亮度的提升方面,各家企业也采用了不同技术方案。例如,索尼着眼于提高LED背光源的发光效率,此外,还将快门眼镜用的偏光板数量由2张减至1张,以此来提高眼镜的光渗透率,从而提高显示亮度。
夏普公司高调公布了提高3D电视亮度的技术方案,并宣称其3D电视产品的亮度已达到业界最高的100cd/m2。目前,2D液晶显示设备的亮度最高为500cd/m2,而快门式3D液晶显示设备的亮度通常仅为50cd/m2,为前者的1/10。夏普公布的亮度解决方案包括4部分,即UV2A(Ultraviolet Induced Multi-domainvertical Alignment)、四原色、FRED(Frame ate Enhanced Driving)以及LED区域调光技术,通过结合使用这4项技术,在应对串扰问题的同时,其亮度也大幅提高。
此外,在液晶面板这一核心层面,厂商们也在努力发展新的技术,从根本上进一步提高液晶面板的透光率和响应速度。在液晶分子配向技术方面,VA、IPS是目前的主流技术,进一步发展的技术还有PSA(Polymer Sustained Alignment,聚合物稳定配向)和OA(OpticalAlignment,光配向)技术。
PSA已经由友达光电和三星量产,奇美电子也正考虑量产该类面板。PSA是利用UV光线控制液晶分子的配向,将UV硬化性单体(Monomer)与液晶分子一起注入面板后,在给面板加电压的状态下照射UV光,从而控制液晶分子的配向。据友达光电介绍,采用这种技术的液晶面板响应速度为4ms。开口率比原来提高了20%等,实现了与OA技术相同的显示性能,但这种技术面临的问题是,残留单体会导致可靠性降低,单体硬化不充分时,液晶面板会出现显示斑点。
OA技术主要由夏普主导开发,其在3D电视中采用的UV2A技术便是光配向技术。目前,夏普已在其10代线工厂全面导入该技术,未来还将覆盖至所有面板生产线。光配向技术可使液晶面板的响应速度降低到4ms以下,开口率提高20%以上。且具有成本低廉的优势。
据日本媒体报道,索尼还在开发一种名为“FPA(Field-induced Photo-reactive Alignment)”配向技术。其技术原理与PSA相似,因此可采用与PSA相同的工艺制造,且实现了PSA同等以上的性能,并减小了因残留单体导致可靠性降低的可能性。
除了显示器外,相关企业还在致力于提高快门式3D眼镜的性能,即响应速度和光透射率。目前,快门式3D电视眼镜的液晶面板,与手机等终端采用的液晶面板相同,其驱动技术为STN(Super Twisted Nematic,超级扭曲向列)方式。这种技术的液晶面板价格便宜,但要想实现数ms级别的响应速度,需要20V左右的驱动电压,且其光透射率不高。为此,东芝移动显示器(TMD)开发出了3D眼镜专用液晶面板,采用响应速度较高的OCB(Optically Compensated Bend,光学补偿弯曲)技术。在响应速度方面,从液晶快门打开状态到关闭状态为0.1ms,从关闭状态到打开状态为1.8ms,可抑制串扰现象的发生,且面板透射率也高达33%,从而提高3D显示时的亮度。东芝移动显示器从2004年开始量产OCB方式的液晶面板,不过,由于价格过高,目前以行业应用为主。因此,采用STN技术的3D快门眼镜仍是业内主流。
偏光式3D技术短板:全高清显示
除快门式3D技术外,偏光式3D也是平板电视厂商们比较看好的一种技术。偏光式3D技术是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像,然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片,这样人的左右眼就能接收两组画面,再经过大脑合成立体影像。
和快门式3D技术相比,偏光式3D技术具有造价低(特别是眼镜)、亮度高、低串扰等优势。其缺点在于,由于将一幅画面进行了分割,使得分辨率降低,画质较快门式差,难以实现全高清显示。
目前,偏光式3D技术的核心是“Xpol”技术,该技术由日本有泽研究所开发,其显示原理是,在液晶面板表面采用了特殊偏光膜“Xpol”,在显示画面垂直方向的奇数列进行顺时针圆偏光处理。在偶数列进行逆时针圆偏光处理,利用将右眼用影像分配给奇数列,左眼用影像分配给偶数列,对右眼用和左眼用影像进行同一旋转方向偏光处理的专用眼镜观看,即可实现3D显示。韩国的LG、现代,日本的JVC、松下和索尼以及我国台湾的友达光电等均已推出采用Xpol技术的偏光式3D显示产品。
在Xpol技术中,由于右眼用和左眼用影像存在于同一帧上,因此很少发生串扰现象。不像帧顺序方式那样对右眼用和左眼用影像进行时间分割,因此在大脑中合成3D影像时的负担较轻。此外。其专用的偏光眼镜的重量约为20g,比快门式眼镜轻一半左右。但如何突破分辨率问题,是Xpol技术的发展要点。由于垂直方向的精细度降至1/2,可以采用“4K×2K”(4000×2000像素级)显示器来抑制画质降低,但考虑到4K×2K面板的制造成本以及良品率问题,广泛推广还不现实。
据日本媒体报道,为了全高清显示问题,日有泽研究所和JVC共同开发出了HR-Xpol技术,不再依赖4K×2K面板便可实现1080i高清3D影像显示,该技术于2010年5月发布(见图3)。
HR-Xpol利用液晶快门以每帧为单位切换右眼用和左眼用眼镜的偏光实现的全高清显示。在HR-Xpol技术中,第一帧影像与原来一样,将右眼用影像分配给奇数列,左眼用影像分配给偶数列。第二帧影像则将右眼用影像分配给偶数列,左眼用影像分配给奇数列。以与其同步的形式,切换眼镜的偏光状态,通过合成两帧的影像,可观看1080i的全高清3D影像。
结束语
总之,无论是快门式还是偏光式3D电视,都在沿着自身的技术路径快速演进,随着业内技术厂商的努力,其各自所面临的技术瓶颈终将被突破。而3D内容一旦上量,3D电视产业的快速发展将成为现实。
作为主要推动者的一线彩电企业,均对3D电视销量报有乐观预期,并制订了2010年3D电视的销售目标,如三星200万台、索尼250万台、松下和LG分别为100万台;此外,全球二线品牌,如日本的东芝、日立、中国一线彩电企业以及新兴彩电企业VIZIO等也都纷纷推出3D电视,加入竞争行列。
虽然终端产业对3D电视寄予厚望,但仍旧存在“昙花一现”的隐忧,内容短缺是首要的限制因素,这又是一个典型的“先有鸡还是先有蛋”的问题。其次是技术因素,不同的3D显示技术面临着不同的技术挑战,距离完善成熟都还有相当的路程要走。
内容短缺成瓶颈
彩电厂商对3D内容的缓慢发展颇为不满,内容的短缺已大大限制了3D电视终端的推广与普及速度。
虽然DisplaySearch对2010年3D电视机的销量抱有良好预期,但美国消费电子协会(CEA)却提出不同看法,认为其实际销售量可能不到160万台,主要原因就在于内容缺乏导致需求不振。
无论是以美国好莱坞为核心的电影业,还是广播电视业,都面临着发行更多3D内容以刺激终端市场销量的压力。但就目前来看,除了少量的3D蓝光电影外,3D内容寥寥无几。尽管好莱坞制片商已经意识到蓝光3D内容的市场潜力,但在3D播放器与电视机市场变得“足够大”之前,仍对发行3D版本电影有所顾虑。例如,好莱坞制片商Dmamworks的产品开发与技术部门主管Jim Maimtrd认为,目前尚未达到大量发行3D内容光盘的关键临界值,但他也表示,预计2011年市面上将会出现更多的3D电影光盘,届时内容市场将会有所起色。
虽然在3D电视内容的制作与播出方面,体育类3D频道走在了最前端,但3D电视内容的发展面临着更大的挑战。据悉,要直播一场3D运动赛事,至少需要200名工作人员,以及从摄影机到后期制作等几乎整套完全不同的制作流程,所花费成本是2D版高画质转播的两倍以上。
在3D体育赛事转播方面颇为领先的ESPN公司的业务策略暨开发副总裁Bryan Burns表示,转播3D运动赛事需要有雄厚的资金实力。ESPN目前每周转播一场3D赛事,需要花费巨大的人力物力,鉴于此,3D电视的普及还得需要3～5年时间。快门式3D技术短板:
串扰与亮度问题
目前,3D电视主要是采用了基于“帧顺序”技术的快门眼镜式(见图1)。具体而言,是将3D视频文件进行解析,然后将两组画面进行分割,形成对应左眼和右眼的两组画面,连续交错显示出来,同时红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关,使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面,经过大脑合成3D立体图像。这种技术要求显示器的刷新频率要达到120Hz以上,而且要配备液晶快门的眼镜以及信号同步用的红外线传感器。
但采用“帧顺序”技术容易造成“串扰”和亮度和色彩度降低等问题(见附表)。
所谓串扰(Crosstalk),是指有眼用影像和左眼用影像有所重叠的现象,这种问题不但会降低3D影像的画质,还会使观看者出现眼睛疲劳及眩晕等生理上的不适状况。
所谓亮度问题,是指与2D显示设备相比,3D显示设备的亮度往往会降至前者1/10的水平。这是因为专用的快门式眼镜所使用的偏光板会导致光的透射率下降,而且为应对串扰问题而采用的很多技术也会在一定程度上导致光的损耗,因此和2D显示器相比,3D显示设备的亮度大为降低。在绿色节能的消费需求下如何既节能又确保显示亮度,成为电视机厂商们发展3D技术的另一个技术课题。
1.串扰问题应对之道
和PDP电视相比,液晶电视的串扰问题更为明显,为此,液晶电视厂商主要是将液晶面板刷新频率由原来的120Hz提高至240Hz,通过提高显示器响应速度来减轻串扰问题,此外,还可以通过改进LED背光的方法来缓解该问题。但具体厂家所采用的方法也有所不同。
在240Hz刷新频率的实现方面,目前主要有插画(插入两张相同帧频画面)及插黑两种方式(见图2)。例如,索尼针对右跟用和左眼用影像内容,分别连续显示两张相同帧的影像,在两张相同帧的影像中,只在没有混合有眼和左眼影像的领域点亮LED背光、打开眼镜的液晶快门。采用这种技术的还有夏普公司。三星则针对右眼用和左眼用影像。采用插入了“黑画面”方式,再根据影像顺序显示的时机点亮LED背光。除了三星之外,东芝、LG等企业也采用了这种技术。
有业内人士表示,对于串扰问题的控制,插黑要比插画方式更为有效,但前者会使原本就存在的亮度问题进一步加剧。
此外,3D电视的背光方案也是抗串扰技术的重要组成部分,由于3D电视几乎都采用LED背光,有效的背光技术方案可以进一步减轻串扰问题。
除了整机厂商外,芯片以及零组件厂商也在各寻办法。例如,日本电气硝子在“CEATEC JAPAN 2010”上展出了厚度为0.3mm的第8代(2200mm×2500mm)玻璃底板,主要面向3D显示。电视用液晶面板使用的玻璃底板厚度通常为0.7mm,而日本电气硝子的这款产品可缩短面板内部的液晶层与偏光板及相位差板等光学部材之间的距离,由此可减小玻璃底板的折射率对显示图像时造成的影响,用于3D电视时则可控制串扰问题。
2.亮度问题的应对之道
在亮度的提升方面,各家企业也采用了不同技术方案。例如,索尼着眼于提高LED背光源的发光效率,此外,还将快门眼镜用的偏光板数量由2张减至1张,以此来提高眼镜的光渗透率,从而提高显示亮度。
夏普公司高调公布了提高3D电视亮度的技术方案,并宣称其3D电视产品的亮度已达到业界最高的100cd/m2。目前,2D液晶显示设备的亮度最高为500cd/m2,而快门式3D液晶显示设备的亮度通常仅为50cd/m2,为前者的1/10。夏普公布的亮度解决方案包括4部分,即UV2A(Ultraviolet Induced Multi-domainvertical Alignment)、四原色、FRED(Frame ate Enhanced Driving)以及LED区域调光技术,通过结合使用这4项技术,在应对串扰问题的同时,其亮度也大幅提高。
此外,在液晶面板这一核心层面,厂商们也在努力发展新的技术,从根本上进一步提高液晶面板的透光率和响应速度。在液晶分子配向技术方面,VA、IPS是目前的主流技术,进一步发展的技术还有PSA(Polymer Sustained Alignment,聚合物稳定配向)和OA(OpticalAlignment,光配向)技术。
PSA已经由友达光电和三星量产,奇美电子也正考虑量产该类面板。PSA是利用UV光线控制液晶分子的配向,将UV硬化性单体(Monomer)与液晶分子一起注入面板后,在给面板加电压的状态下照射UV光,从而控制液晶分子的配向。据友达光电介绍,采用这种技术的液晶面板响应速度为4ms。开口率比原来提高了20%等,实现了与OA技术相同的显示性能,但这种技术面临的问题是,残留单体会导致可靠性降低,单体硬化不充分时,液晶面板会出现显示斑点。
OA技术主要由夏普主导开发,其在3D电视中采用的UV2A技术便是光配向技术。目前,夏普已在其10代线工厂全面导入该技术,未来还将覆盖至所有面板生产线。光配向技术可使液晶面板的响应速度降低到4ms以下,开口率提高20%以上。且具有成本低廉的优势。
据日本媒体报道,索尼还在开发一种名为“FPA(Field-induced Photo-reactive Alignment)”配向技术。其技术原理与PSA相似,因此可采用与PSA相同的工艺制造,且实现了PSA同等以上的性能,并减小了因残留单体导致可靠性降低的可能性。
除了显示器外,相关企业还在致力于提高快门式3D眼镜的性能,即响应速度和光透射率。目前,快门式3D电视眼镜的液晶面板,与手机等终端采用的液晶面板相同,其驱动技术为STN(Super Twisted Nematic,超级扭曲向列)方式。这种技术的液晶面板价格便宜,但要想实现数ms级别的响应速度,需要20V左右的驱动电压,且其光透射率不高。为此,东芝移动显示器(TMD)开发出了3D眼镜专用液晶面板,采用响应速度较高的OCB(Optically Compensated Bend,光学补偿弯曲)技术。在响应速度方面,从液晶快门打开状态到关闭状态为0.1ms,从关闭状态到打开状态为1.8ms,可抑制串扰现象的发生,且面板透射率也高达33%,从而提高3D显示时的亮度。东芝移动显示器从2004年开始量产OCB方式的液晶面板,不过,由于价格过高,目前以行业应用为主。因此,采用STN技术的3D快门眼镜仍是业内主流。
偏光式3D技术短板:全高清显示
除快门式3D技术外,偏光式3D也是平板电视厂商们比较看好的一种技术。偏光式3D技术是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像,然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片,这样人的左右眼就能接收两组画面,再经过大脑合成立体影像。
和快门式3D技术相比,偏光式3D技术具有造价低(特别是眼镜)、亮度高、低串扰等优势。其缺点在于,由于将一幅画面进行了分割,使得分辨率降低,画质较快门式差,难以实现全高清显示。
目前,偏光式3D技术的核心是“Xpol”技术,该技术由日本有泽研究所开发,其显示原理是,在液晶面板表面采用了特殊偏光膜“Xpol”,在显示画面垂直方向的奇数列进行顺时针圆偏光处理。在偶数列进行逆时针圆偏光处理,利用将右眼用影像分配给奇数列,左眼用影像分配给偶数列,对右眼用和左眼用影像进行同一旋转方向偏光处理的专用眼镜观看,即可实现3D显示。韩国的LG、现代,日本的JVC、松下和索尼以及我国台湾的友达光电等均已推出采用Xpol技术的偏光式3D显示产品。
在Xpol技术中,由于右眼用和左眼用影像存在于同一帧上,因此很少发生串扰现象。不像帧顺序方式那样对右眼用和左眼用影像进行时间分割,因此在大脑中合成3D影像时的负担较轻。此外。其专用的偏光眼镜的重量约为20g,比快门式眼镜轻一半左右。但如何突破分辨率问题,是Xpol技术的发展要点。由于垂直方向的精细度降至1/2,可以采用“4K×2K”(4000×2000像素级)显示器来抑制画质降低,但考虑到4K×2K面板的制造成本以及良品率问题,广泛推广还不现实。
据日本媒体报道,为了全高清显示问题,日有泽研究所和JVC共同开发出了HR-Xpol技术,不再依赖4K×2K面板便可实现1080i高清3D影像显示,该技术于2010年5月发布(见图3)。
HR-Xpol利用液晶快门以每帧为单位切换右眼用和左眼用眼镜的偏光实现的全高清显示。在HR-Xpol技术中,第一帧影像与原来一样,将右眼用影像分配给奇数列,左眼用影像分配给偶数列。第二帧影像则将右眼用影像分配给偶数列,左眼用影像分配给奇数列。以与其同步的形式,切换眼镜的偏光状态,通过合成两帧的影像,可观看1080i的全高清3D影像。
结束语
总之,无论是快门式还是偏光式3D电视,都在沿着自身的技术路径快速演进,随着业内技术厂商的努力,其各自所面临的技术瓶颈终将被突破。而3D内容一旦上量,3D电视产业的快速发展将成为现实。