睜開雙眼玩立體遊戲 3D顯示技術解析
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3D遊戲的渲染原理以及立體化需求
[泡泡網顯示卡頻道1月12日] 不知道您或您的朋友有沒有過這樣的經歷：在剛開始玩CS類FPS遊戲的時候，會不由自主的左右搖晃身體，用以觀察躲在螢幕邊緣和角落的敵人，經過多次嘗試之後才會明白，原來側著身體並不能看到螢幕外的物體。之所以會產生如此可笑的舉動，是因為大家玩遊戲太投入了，還真以為3D遊戲就是三維立體的。
儘管我們玩的確實是3D遊戲，但這個3D是針對電腦內部顯示卡渲染過程而言，對於玩家來說，我們看到的影象是電腦內部三維物體“投影”到顯示器上的一幀幀二維畫面，最終我們看到的影象其實是2D的，顯示效果與電視/電影沒有本質區別。
為了讓電腦遊戲告別生硬的2D顯示效果，NVIDIA於2009年伊始在CES大展上隆重推出了GeForce 3D Vision技術，其元件包括：高科技無線眼鏡、高功率紅外發射器、120Hz高重新整理率顯示器、配套驅動、軟體、遊戲優化等一整套完整的解決方案。為廣大遊戲玩家獻上真正具有立體感、距離感的遊戲，給人產生一種躍然紙上、栩栩如生般的立體3D遊戲，本文就為大家詳細介紹該技術的工作原理和實現方法。
● 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麼是立體的？答案很簡單，因為人長著兩隻眼睛。人雙眼大約相隔6.5釐米，觀察物體(如一排重疊的保齡球瓶)時，兩隻眼睛從不同的位置和角度注視著物體，左眼看到左側，右眼看到右側。這排球瓶同時在視網膜上成像，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”。用兩隻眼睛同時觀察一個物體時物體上每一點對兩隻眼睛都有一個張角。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，使我們能區別物體的遠近，並獲得有深度的立體感。對於遠離我們的物體，兩眼的視線幾乎是平行的，視差位移接近於零，所以我們很難判斷這個物體的距離，更不會對它產生立體感覺了，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果。
當然，只有一隻眼的話，也就無所謂視差位移了，其結果也是無法產生立體感。例如，閉上一隻眼睛去做穿針引線的細活，往往看上去好像線已經穿過針孔了，其實是從邊上過去的，並沒有穿進去。而現在我們所看到的圖片、電影、玩的遊戲都是平面景物，雖然影象效果非常逼真，但由於雙眼看到的影象完全相同，自然就沒有立體感可言。
● 立體電影拍攝並不神祕：模擬雙眼
雙鏡頭同步拍攝景物，立體電影並不神祕
既然通過雙眼觀察世界才能獲得立體感，那麼想要獲得立體的影象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，最早引入該技術的是立體電影。立體電影從拍攝開始，就模擬人眼觀察景物的方法，用兩臺並列安置的攝影機，同步拍攝出兩條略帶水平視差的電影畫面，這樣影片所包含的資訊就與人的雙眼親臨拍攝現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/視訊的拍攝其實很簡單，並排放置兩個鏡頭同步拍攝就行了，雖然其中還涉及視訊幀合成方面的內容，但理解起來並不困難。不過，想要把立體影象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影象、右眼只看右攝像頭的影象呢？
● 立體電影放映：偏振分光技術
電影院放映採用的是偏振法，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影象重疊在銀幕上。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，通過偏振片後，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後，左右兩片偏振鏡的偏振軸互相垂直並與放映鏡頭前的偏振軸一致，所以每隻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生立體感覺。
● 偏振光技術簡介：
為什麼帶上偏振眼睛後能使左右眼看到完全不同的影象？確實不太容易理解，關於偏振光和偏振眼鏡的原理，由於涉及內容比較多，這裡僅作簡要介紹。
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)經過非金屬表面後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裡。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裡面的東西，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，然後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，還需要一套複雜的裝置，這裡就不做深究了。
利用偏振原理實現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和專業的播放裝置和同步器，這樣複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方案——光譜分光技術，俗稱為紅綠濾光或紅藍濾光。
● 紅藍/紅綠濾光技術介紹：
紅藍3D眼鏡
使用濾光技術製作的立體電影，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。當然現在的影片拍攝並不一定要用濾光鏡，事實上通過後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畫素自動還原，從而產生真實色彩的畫面，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畫素自動還原，產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，人眼傳遞給大腦後被自動過濾。
然後，左右眼把看到的影象傳遞給大腦後，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，從而根據色差位移產生立體感和距離感。
《地心歷險記》3D版：直接看的效果是重影、偏色
使用濾光原理製作的電影完全可以相容所有的顯示裝置，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，但也算是聊勝於無吧。
立體攝像頭使用的也是紅藍濾光技術
現在已經有很多大片提供了紅綠或者紅藍濾光的3D版下載，很多朋友看了之後覺得頭暈目眩、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，另外距離螢幕太近也不容易產生立體感，這個就需要大家自行研究調整了。
偏振分光技術效果最好、但實現難度太大，紅藍濾光技術成本最低、但效果不如人意，難道就沒有更好的立體顯示技術嗎？現在就給大家介紹一種歷史悠久、但卻沒能得到普及的技術——時分法遮光技術，又稱液晶分時技術。
● 液晶分時技術
這項技術根據字面意思就很容易理解其工作原理，它的主要技術在眼鏡上。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，左眼鏡開啟右眼鏡關閉，觀眾左眼看到左畫面，右眼什麼都看不到。同樣翻轉過來時，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
雖然眼鏡鏡片的切換很關鍵，但實際上原始顯示裝置更關鍵，假如顯示器的重新整理率是60Hz，那麼通過遮光眼鏡後左右眼看到的畫面實際重新整理率只有30Hz，這樣的重新整理率下長時間很容易產生視覺疲勞，所以“時分法遮光技術”要求顯示器重新整理率至少為100Hz，最佳值是120Hz。
CRT時代的3D眼鏡只是玩物
CRT時代，高階顯示器很容易達到120Hz，因此10年前就出現過一些3D眼鏡，遊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以下的重新整理率對於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，因此CRT與遮光眼鏡的時鐘同步要求非常精確，否則就會產生視覺混亂。
120Hz顯示器成為新的時尚話題
到了LCD時代，由於重新整理率很難突破60Hz，因此“時分法遮光技術”毫無用武之地，也漸漸的被大家所遺忘。隨著技術的不斷髮展，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”也得以重現天日，為大家呈現出最逼真的立體顯示畫面！
NVIDIA釋出GeForce 3D Vision，遊戲立體化
近日，NVIDIA在CES 2009上正式宣佈推出業界第一套高清3D立體視覺方案，專為GeForce顯示卡打造的“GeForce 3D Vision”。其核心配件就是一副採用液晶分時技術的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，當然還需要一臺重新整理率達120Hz顯示器的支援，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，內建電池供電，可以連續工作40小時以上，眼鏡空閒十分鐘後會自動關閉以節約電池電力，電池可通過mini USB口充電，使用非常簡單方便。紅外發射器通過USB介面與電腦連結，紅外接收半徑大約6米。
除了硬體部分之外，真正核心部分在於驅動支援和遊戲優化方面，據NVIDIA稱，GeForce 3D Vision無需修改遊戲設定，只要搭配GeForce 8/9/200系列顯示卡和最新版Forceware顯示卡驅動及立體驅動程式，可以自動給350多款PC遊戲帶來立體效果，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已經在美國地區上市，建議零售價199美元(合1360元人民幣)，本季度內推向全球市場。在國內，3D Stereo眼鏡由索泰獨家代理髮售，目前價格未定。此外，120Hz顯示器也開始大量上市，三星/優派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。
前文中已經對液晶分時技術做了詳細的介紹，原理其實很簡單，但實現起來就需要眼鏡、紅外接收器、顯示器、驅動程式、顯示卡和遊戲的全方位配合，任何一個環節出問題，都會導致立體成像系統紊亂。
下面我們先來看看NVIDIA GeForce 3D Vision套裝實物：
包裝豪華精製
配件豐富齊全，核心元件是眼鏡和接收器
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
旋鈕用來調節景深(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自然只能用於NVIDIA自家的GeForce顯示卡，還需要一臺重新整理率達到120Hz顯示器的支援，除此之外就沒有別的需求了。對於顯示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遊戲還是需要更強顯示卡的支援。
不管什麼型別的立體顯示技術，歸根到底都要給人的雙眼輸出完全不同的兩幀影象(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，立體視訊需要雙攝像頭，立體遊戲也需要雙倍重新整理率(120Hz)顯示器的支援，那麼除此之外是否需要雙顯示卡或雙倍效能顯示卡的支援呢？相信這是很多玩家最關注的內容。
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遊戲在電腦內部是完全按照真實的三維模型建立並渲染的，只是最終進行畫素輸出時從某一個特定的角度投影出來。現在我們要讓它進行立體顯示，內部渲染模式完全不用改動，只需要在畫素輸出時，按照一定的角度偏移量輸出兩幀畫面就行了，因此顯示卡的渲染壓力並沒有增加多少，最終遊戲效能有一定的下降，但並不嚴重。
可通過驅動微調景深設定
普通遊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動或者紅外接收器控制的，可以隨心所遇的增大或者縮短遊戲場景與人眼之間的距離，具體多大顯示效果最佳，這需要玩家自己不斷摸索確定。
120Hz顯示器的概念圖，雖然很誇張，但帶上立體眼鏡後的效果確實震撼
現在我們回過頭來看看本文開頭所提到的那種現象，玩家通過左右搖晃身體想要看到螢幕外的畫面，普通3D遊戲是不可能的，除非是你移動滑鼠挪動視窗。而帶上3D眼鏡之後，您確實可以看到一小部分“螢幕外”的畫面，而且螢幕內的所有3D景物都不在顯示器表面，而是凹進去或者凸出來的，只有遊戲控制欄一些視窗或按鈕“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，已經有部分顯示卡廠商或者顯示器廠商推出過類似的立體顯示技術，但大多相容性不好、效能損失嚴重、支援遊戲數量有限、或者更新不夠及時，當然最主要的是受到了CRT重新整理率、閃爍、螢幕尺寸的限制，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，需要顯示卡雙頭輸入不同幀影象，配置要求很高
而此次NVIDIA釋出的GeForce 3D Vision，則是建立在成熟、穩定的驅動基礎之上，通過對最新遊戲大作全力優化支援，使得視差位移立體顯示畫面更接近於真實。再加上120Hz液晶面板走向成熟，立體成像技術已今非昔比，相信老一輩CRT立體眼鏡玩家們已經躍躍欲試了。
《半條命2》
《使命召喚4》
● 總結：PhysX+3D Stereo，電腦遊戲質的飛躍
2008年全年，NVIDIA除了按部就班的更新顯示卡產品線之外，CUDA平行計算技術也日漸成熟，其中最受玩家矚目的就是完全免費的PhysX物理加速技術，以往花一千多元才能買到的物理加速卡，如今GF8以上N卡可以更新驅動免費獲得，而且效能更加強悍！通過支援PhysX的物理遊戲，我們可以感受到什麼叫做動態逼真，讓遊戲中的場景互動更接近於現實。
2009年伊始，NVIDIA又為遊戲玩家們帶來了另一大驚喜，3D Stereo讓3D遊戲擺脫了2D顯示器的制約，在PhysX動態逼真的基礎上誕生了空間立體感，讓遊戲玩家真正走進了虛擬遊戲世界，享受身臨其境的感覺。雖然NVIDIA 3D眼鏡套裝並不是免費的，但定價還算合理，適合高階遊戲玩家體驗。
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重新整理率的顯示器還不多，只有三星和優派推出了22寸的相關產品，價格也高出普通22顯示器不少。此外已經有很多廠家推出了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注，有機會一定要體驗一把立體3D遊戲的威力！
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