睜開雙眼玩立體游戲！3D顯示技術(shù)解析
[泡泡網(wǎng)顯卡頻道1月12日] 不知道您或您的朋友有沒有過這樣的經(jīng)歷：在剛開始玩CS類FPS游戲的時候，會不由自主的左右搖晃身體，用以觀察躲在屏幕邊緣和角落的敵人，經(jīng)過多次嘗試之后才會明白，原來側(cè)著身體并不能看到屏幕外的物體。之所以會產(chǎn)生如此可笑的舉動，是因為大家玩游戲太投入了，還真以為3D游戲就是三維立體的。
盡管我們玩的確實是3D游戲，但這個3D是針對電腦內(nèi)部顯卡渲染過程而言，對于玩家來說，我們看到的圖像是電腦內(nèi)部三維物體“投影”到顯示器上的一幀幀二維畫面，最終我們看到的圖像其實是2D的，顯示效果與電視/電影沒有本質(zhì)區(qū)別。
為了讓電腦游戲告別生硬的2D顯示效果，NVIDIA于2009年伊始在CES大展上隆重推出了GeForce 3D Vision技術(shù)，其組件包括：高科技無線眼鏡、高功率紅外發(fā)射器、120Hz高刷新率顯示器、配套驅(qū)動、軟件、游戲優(yōu)化等一整套完整的解決方案。為廣大游戲玩家獻上真正具有立體感、距離感的游戲，給人產(chǎn)生一種躍然紙上、栩栩如生般的立體3D游戲，本文就為大家詳細介紹該技術(shù)的工作原理和實現(xiàn)方法。
● 世界因雙眼而立體，平面圖像無法躍然紙上
人類觀察到的世界為什么是立體的？答案很簡單，因為人長著兩只眼睛。人雙眼大約相隔6.5厘米，觀察物體(如一排重疊的保齡球瓶)時，兩只眼睛從不同的位置和角度注視著物體，左眼看到左側(cè)，右眼看到右側(cè)。這排球瓶同時在視網(wǎng)膜上成像，左右兩面的印象合起來人就得到對它的立體感覺了。引起這種立體感覺的效應叫做“視覺位移”。用兩只眼睛同時觀察一個物體時物體上每一點對兩只眼睛都有一個張角。物體離雙眼越近，其上每一點對雙眼的張角越大，視差位移也越大。
正是這種視差位移，使我們能區(qū)別物體的遠近，并獲得有深度的立體感。對于遠離我們的物體，兩眼的視線幾乎是平行的，視差位移接近于零，所以我們很難判斷這個物體的距離，更不會對它產(chǎn)生立體感覺了，夜望星空你會感覺到天上所有的星星似乎都在同一球面上，分不清遠近，這就是視差位移為零造成的結(jié)果。
當然，只有一只眼的話，也就無所謂視差位移了，其結(jié)果也是無法產(chǎn)生立體感。例如，閉上一只眼睛去做穿針引線的細活，往往看上去好像線已經(jīng)穿過針孔了，其實是從邊上過去的，并沒有穿進去。而現(xiàn)在我們所看到的圖片、電影、玩的游戲都是平面景物，雖然圖像效果非常逼真，但由于雙眼看到的圖像完全相同，自然就沒有立體感可言。
● 立體電影拍攝并不神秘：模擬雙眼
雙鏡頭同步拍攝景物，立體電影并不神秘
立體攝像頭：按照人眼間距并排放置兩個攝像頭
既然通過雙眼觀察世界才能獲得立體感，那么想要獲得立體的圖像也需要兩臺照相機或攝像機，由此就誕生了“虛擬立體顯示”技術(shù)，最早引入該技術(shù)的是立體電影。立體電影從拍攝開始，就模擬人眼觀察景物的方法，用兩臺并列安置的攝影機，同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面，這樣影片所包含的信息就與人的雙眼親臨拍攝現(xiàn)場所看到的畫面毫無二致了。
通過前面的介紹就可以明白，立體電影/視頻的拍攝其實很簡單，并排放置兩個鏡頭同步拍攝就行了，雖然其中還涉及視頻幀合成方面的內(nèi)容，但理解起來并不困難。不過，想要把立體圖像顯示給人眼看可不容易，如何才能做到左眼只看左攝像頭的圖像、右眼只看右攝像頭的圖像呢？
● 立體電影放映：偏振分光技術(shù)
電影院放映采用的是偏振法，通過兩個放映機，把兩個攝影機拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是重影模糊不清的，要看到立體電影，就要在每架電影機前裝一塊偏振片。從兩架放映機射出的光，通過偏振片后，就成了偏振光。左右兩架放映機前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。
看立體電影需要帶上偏振眼鏡
偏振鏡分光原理示意圖
這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變。當觀眾帶上偏振眼鏡后，左右兩片偏振鏡的偏振軸互相垂直并與放映鏡頭前的偏振軸一致，所以每只眼睛只看到相應的偏振光圖象，即左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，這樣就會像直接觀看那樣產(chǎn)生立體感覺。
● 偏振光技術(shù)簡介：
為什么帶上偏振眼睛后能使左右眼看到完全不同的圖像？確實不太容易理解，關(guān)于偏振光和偏振眼鏡的原理，由于涉及內(nèi)容比較多，這里僅作簡要介紹。
光就是由互相垂直的電場和磁場形成的一種電磁波，自然光是很多電磁波的混合物，它在各個方向的振動是均勻的。當它以特定的角度(布儒斯特角)經(jīng)過非金屬表面后反射形成的眩光是偏振光。偏離了這個角度，就會有部分非偏振光混雜在偏振光里。部分偏振光是有程度的，偏離的角度越大，偏振光的成分越少，最終成為非偏振光。有了偏振光，有時會給我們照相帶來不利。玻璃表面的反射光，使我們拍攝不到玻璃櫥窗里面的東西，水面的反射光使我們拍攝不到水中的魚……
但利用偏振光的這種特性正好滿足立體電影的需求——讓左右眼看到完全不同的畫面。通過給兩個投影機加裝偏振片，讓投影機投射出互相垂直的完全偏振光波，然后觀眾通過特定的偏振眼鏡，就能讓左右眼看到各自不同的畫面而互不干涉。
當然，實際放映立體電影是用一個鏡頭，兩套圖象交替地印在同一電影膠片上，還需要一套復雜的裝置，這里就不做深究了。
利用偏振原理實現(xiàn)立體電影的效果是最好的，但要在家庭影院或者個人電腦上實現(xiàn)的難度很大，除非你使用2臺加裝了偏振光鏡頭的投影儀和2張不同角度拍攝的DVD和專業(yè)的播放設備和同步器，這樣復雜的裝備還有高昂的成本是大眾無法接收的。因此就誕生了比較廉價的實現(xiàn)方案——光譜分光技術(shù)，俗稱為紅綠濾光或紅藍濾光。
● 紅藍/紅綠濾光技術(shù)介紹：
紅藍3D眼鏡
使用濾光技術(shù)制作的立體電影，在拍攝時給左右攝影機鏡頭前分別加裝藍/紅濾光鏡，只允許藍/紅光通過，阻止大部分紅/藍光。當然現(xiàn)在的影片拍攝并不一定要用濾光鏡，事實上通過后期處理也能剔除一些色彩(如Photoshop的濾鏡)。
當觀眾看電影時需要帶一個紅藍濾光眼鏡，此時左放映機的畫面通過紅色鏡片(左眼)，拍攝時剔除掉的紅色像素自動還原，從而產(chǎn)生真實色彩的畫面，當它通過藍色鏡片(右眼)時大部分被過濾掉，只留下非常昏暗的畫面，這就很容易被人腦忽略掉；反之亦然，右放映機拍攝到的畫面通過藍色鏡片(右眼)，拍攝時剔除掉的藍色像素自動還原，產(chǎn)生另一角度的真實色彩畫面，當它通過紅色鏡片(左眼)時大部分被過濾掉，只留下昏暗畫面，人眼傳遞給大腦后被自動過濾。
然后，左右眼把看到的圖像傳遞給大腦后，大腦會自動接收比較真實的畫面，而放棄昏暗模糊不清的畫面，從而根據(jù)色差位移產(chǎn)生立體感和距離感。
《地心歷險記》3D版：直接看的效果是重影、偏色
使用濾光原理制作的電影完全可以兼容所有的顯示設備，我們只需要一副成本幾元錢的紅綠眼鏡就夠了。事實上早期的或者低端的立體電影院就使用了這種方案，雖然效果比較差，但也算是聊勝于無吧。
立體攝像頭使用的也是紅藍濾光技術(shù)
現(xiàn)在已經(jīng)有很多大片提供了紅綠或者紅藍濾光的3D版下載，很多朋友看了之后覺得頭暈目眩、眼睛疲勞、邊緣色彩不正常、重影等諸多問題，最大的原因就是濾光眼鏡和影片不配套所致，另外距離屏幕太近也不容易產(chǎn)生立體感，這個就需要大家自行研究調(diào)整了。
偏振分光技術(shù)效果優(yōu)秀、但實現(xiàn)難度太大，紅藍濾光技術(shù)成本最低、但效果不如人意，難道就沒有更好的立體顯示技術(shù)嗎？現(xiàn)在就給大家介紹一種歷史悠久、但卻沒能得到普及的技術(shù)——時分法遮光技術(shù)，又稱液晶分時技術(shù)。
● 液晶分時技術(shù)
這項技術(shù)根據(jù)字面意思就很容易理解其工作原理，它的主要技術(shù)在眼鏡上。它的眼鏡片是可以分別控制開閉的兩扇小窗戶，在同一臺放映機上交替播放左右眼畫面時，通過液晶眼鏡的同步開閉功能，在放映左畫面時，左眼鏡打開右眼鏡關(guān)閉，觀眾左眼看到左畫面，右眼什么都看不到。同樣翻轉(zhuǎn)過來時，右眼看右畫面，左眼看不到畫面，就這樣讓左右眼分別看到左右各自的畫面，從而產(chǎn)生立體效果。
眼鏡鏡片為黑白液晶屏，有透明和不透明兩種狀態(tài)
雖然眼鏡鏡片的切換很關(guān)鍵，但實際上原始顯示設備更關(guān)鍵，假如顯示器的刷新率是60Hz，那么通過遮光眼鏡后左右眼看到的畫面實際刷新率只有30Hz，這樣的刷新率下長時間很容易產(chǎn)生視覺疲勞，所以“時分法遮光技術(shù)”要求顯示器刷新率至少為100Hz，非常好的值是120Hz。
CRT時代的3D眼鏡只是玩物
CRT時代，高端顯示器很容易達到120Hz，因此10年前就出現(xiàn)過一些3D眼鏡，游戲玩家得以率先體驗立體顯示效果。但相信很多人都有切身感受，85Hz以下的刷新率對于CRT顯示器來說都是非常閃的，60Hz完全不夠看。CRT顯象管時時刻刻都處在閃爍狀態(tài)，因此CRT與遮光眼鏡的時鐘同步要求非常精確，否則就會產(chǎn)生視覺混亂。
120Hz顯示器成為新的時尚話題
到了LCD時代，由于刷新率很難突破60Hz，因此“時分法遮光技術(shù)”毫無用武之地，也漸漸的被大家所遺忘。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，如今120Hz液晶甚至等離子面板都不再是夢，塵封已久的“液晶分時技術(shù)”也得以重現(xiàn)天日，為大家呈現(xiàn)出最逼真的立體顯示畫面！
近日，NVIDIA在CES 2009上正式宣布推出業(yè)界第一套高清3D立體視覺方案，專為GeForce顯卡打造的“GeForce 3D Vision”。其核心配件就是一副采用液晶分時技術(shù)的3D眼鏡，附帶大功率USB紅外接收器，用來和3D眼鏡同步遮光頻率，當然還需要一臺刷新率達120Hz顯示器的支持，可以是液晶顯示器、等離子電視或者投影儀。
其中無線3D眼鏡的視距最大約6米，內(nèi)置電池供電，可以連續(xù)工作40小時以上，眼鏡空閑十分鐘后會自動關(guān)閉以節(jié)約電池電力，電池可通過mini USB口充電，使用非常簡單方便。紅外發(fā)射器通過USB接口與電腦鏈接，紅外接收半徑大約6米。
除了硬件部分之外，真正核心部分在于驅(qū)動支持和游戲優(yōu)化方面，據(jù)NVIDIA稱，GeForce 3D Vision無需修改游戲設置，只要搭配GeForce 8/9/200系列顯卡和最新版Forceware顯卡驅(qū)動及立體驅(qū)動程序，可以自動給350多款PC游戲帶來立體效果，諸如《Crysis》、《英雄連》、《虛幻競技場3》、《失落星球》、《鬼泣4》等等大作可立竿見影帶來立體效果。
GeForce 3D Vision已經(jīng)在美國地區(qū)上市，建議零售價199美元(合1360元人民幣)，本季度內(nèi)推向全球市場。在國內(nèi)，3D Stereo眼鏡由索泰獨家代理發(fā)售，目前價格未定。此外，120Hz顯示器也開始大量上市，三星/優(yōu)派22寸顯示器的價格大概是399美元（合2727元人名幣），想要第一時間體驗最新、最酷的顯示效果，自然需要付出一定的代價。
前文中已經(jīng)對液晶分時技術(shù)做了詳細的介紹，原理其實很簡單，但實現(xiàn)起來就需要眼鏡、紅外接收器、顯示器、驅(qū)動程序、顯卡和游戲的全方位配合，任何一個環(huán)節(jié)出問題，都會導致立體成像系統(tǒng)紊亂。
下面我們先來看看NVIDIA GeForce 3D Vision套裝實物：
包裝豪華精制
配件豐富齊全，核心組件是眼鏡和接收器
紅外接收器正面：帶Logo的按鈕可快速喚醒眼鏡
紅外接收器背面：Mini USB與電腦相連
旋鈕用來調(diào)節(jié)景深(奇偶幀視差位移)
紅外接收器背面：通過各方電磁認證，低耗電
眼鏡壁上有個按鈕，與紅外接收器快速同步，重置立體效果
GeForce 3D Vision自然只能用于NVIDIA自家的GeForce顯卡，還需要一臺刷新率達到120Hz顯示器的支持，除此之外就沒有別的需求了。對于顯卡的要求也不是很高，9800GT以上級別就能在22寸顯示器上展示出驚人的效果了，當然玩Crysis這種BT游戲還是需要更強顯卡的支持。
不管什么類型的立體顯示技術(shù)，歸根到底都要給人的雙眼輸出完全不同的兩幀圖像(具有一定視差)，立體照片需要兩部相機拍攝，立體電影需要兩部攝影機，立體視頻需要雙攝像頭，立體游戲也需要雙倍刷新率(120Hz)顯示器的支持，那么除此之外是否需要雙顯卡或雙倍性能顯卡的支持呢？相信這是很多玩家最關(guān)注的內(nèi)容。
同一幀畫面，通過不同的角度輸出兩幀
答案是肯定的，不需要！因為3D游戲在電腦內(nèi)部是完全按照真實的三維模型建立并渲染的，只是最終進行像素輸出時從某一個特定的角度投影出來。現(xiàn)在我們要讓它進行立體顯示，內(nèi)部渲染模式完全不用改動，只需要在像素輸出時，按照一定的角度偏移量輸出兩幀畫面就行了，因此顯卡的渲染壓力并沒有增加多少，最終游戲性能有一定的下降，但并不嚴重。
可通過驅(qū)動微調(diào)景深設置
普通游戲只要輸出一幀就夠了，立體顯示需要輸出兩幀，而兩幀之間的偏移量是可以通過驅(qū)動或者紅外接收器控制的，可以隨心所遇的增大或者縮短游戲場景與人眼之間的距離，具體多大顯示效果非常好的，這需要玩家自己不斷摸索確定。
120Hz顯示器的概念圖，雖然很夸張，但帶上立體眼鏡后的效果確實震撼
現(xiàn)在我們回過頭來看看本文開頭所提到的那種現(xiàn)象，玩家通過左右搖晃身體想要看到屏幕外的畫面，普通3D游戲是不可能的，除非是你移動鼠標挪動視窗。而帶上3D眼鏡之后，您確實可以看到一小部分“屏幕外”的畫面，而且屏幕內(nèi)的所有3D景物都不在顯示器表面，而是凹進去或者凸出來的，只有游戲控制欄一些窗口或按鈕“漂浮”在顯示器上。當然所有的這些東西都只可意會不可言傳，照片拍出來是重影的，只有帶上3D眼鏡才會有立體感！
其實在NVIDIA之前，已經(jīng)有部分顯卡廠商或者顯示器廠商推出過類似的立體顯示技術(shù)，但大多兼容性不好、性能損失嚴重、支持游戲數(shù)量有限、或者更新不夠及時，當然最主要的是受到了CRT刷新率、閃爍、屏幕尺寸的限制，導致立體效果一般、長時間使用頭暈目眩。
某雙層面板的3D液晶顯示器，需要顯卡雙頭輸入不同幀圖像，配置要求很高
而此次NVIDIA發(fā)布的GeForce 3D Vision，則是建立在成熟、穩(wěn)定的驅(qū)動基礎之上，通過對最新游戲大作全力優(yōu)化支持，使得視差位移立體顯示畫面更接近于真實。再加上120Hz液晶面板走向成熟，立體成像技術(shù)已今非昔比，相信老一輩CRT立體眼鏡玩家們已經(jīng)躍躍欲試了。
《半條命2》
《使命召喚4》
● 總結(jié)：PhysX+3D Stereo，電腦游戲質(zhì)的飛躍
2008年全年，NVIDIA除了按部就班的更新顯卡產(chǎn)品線之外，CUDA并行計算技術(shù)也日漸成熟，其中最受玩家矚目的就是完全免費的PhysX物理加速技術(shù)，以往花一千多元才能買到的物理加速卡，如今GF8以上N卡可以更新驅(qū)動免費獲得，而且性能更加強悍！通過支持PhysX的物理游戲，我們可以感受到什么叫做動態(tài)逼真，讓游戲中的場景交互更接近于現(xiàn)實。
2009年伊始，NVIDIA又為游戲玩家們帶來了另一大驚喜，3D Stereo讓3D游戲擺脫了2D顯示器的制約，在PhysX動態(tài)逼真的基礎上誕生了空間立體感，讓游戲玩家真正走進了虛擬游戲世界，享受身臨其境的感覺。雖然NVIDIA 3D眼鏡套裝并不是免費的，但定價還算合理，適合高端游戲玩家體驗。
GeForce 3D Vision想要走向普及，除了降低定位之外，120Hz顯示器是其普及之路最大的障礙，目前能達到120Hz刷新率的顯示器還不多，只有三星和優(yōu)派推出了22寸的相關(guān)產(chǎn)品，價格也高出普通22顯示器不少。此外已經(jīng)有很多廠家推出了120Hz的液晶電視，由此可見未來LCD市場120Hz也是一大趨勢，相信過不了多久就會平民化，主流玩家不妨多多關(guān)注，有機會一定要體驗一把立體3D游戲的威力！<
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