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国内外立体显示技术及产业发展态势分析
2015年10月24日    评论:    分享:
    来源:上海科技发展研究中心
    执笔人:殷媛媛、路炜、潘宏

    编者按:新型显示是上海“十二五”科技发展规划明确的重大技术创新任务,其中立体显示技术是重点发展领域之一。本期简报基于上海科技情报所课题组的研究成果,将着重介绍国内外立体显示技术和产业的发展态势,并对上海立体显示产业的发展提出若干建议。供参考。

    立体显示技术(又称三维显示技术或 3D 显示技术)是指能够提供符合立体视觉原理的具有深度信息画面的媒介技术。该技术的出现是视频显示技术从黑白到彩色、从模拟到数字、从标清到高清后的又一次重大变革。根据成像原理不同,立体显示技术可分为视差型显示、真三维显示、光学悬浮成像三大类;根据应用方式不同,又可分为立体电视、立体电影、立体广播等若干类别。立体显示技术改变了传统的人们与电子设备的互动方式,除文化娱乐领域外,在医疗、军事、工程展览、教育等领域也有着广阔的应用前景,正成为各国日益关注的重要战略性新兴产业热点领域之一。

    一、 创新突破不断涌现,裸眼显示成为重要趋势

    目前,立体显示技术主要以佩戴立体眼镜等辅助工具来观看立体影像。随着人们对观影要求的不断提高,由非裸眼式向裸眼式的技术升级成为发展重点和趋势。从裸眼显示技术的发展方向上分析,全息显示、体三维显示和自动立体显示是目前最具代表性的三种技术。

    全息显示技术主要利用光束的衍射与干涉效应,记录并再现物体的光强与相位。2007 年 5 月德国 SeeReal 公司发布了世界上第一台全息立体显示器(20 寸单色样机平板显示器),通过各种亚全息图的重叠定位、实时计算和再造,优化了像素分布。最近,SeeReal 公司将该技术推广到 40 寸、像素间距为 25-50μm 的液晶面板上,实现了全高清精细视频的实时显示。美国 Provision 公司的全息显示技术成功破解全息显示只能应用于单色小范围静态物体的局限,可最远在屏幕前方 36 英尺的位置显示出全彩色、高分辨率的视频,成为当前所创造的三维全息效果之最。

    体三维显示技术主要利用屏幕的旋转或光投影,将多幅二维图像合成富有真实立体感的三维立体影像。美国 3DIcon 公司开发出的静态体三维显示技术(CSpace 体三维显示系统),采用在清晰的体三维图像空间里散布满肉眼不可见的纳米级转换材料,当不可见的激光光束射向图像空间时,纳米材料发出可见光,从而显示彩色立体图像,与真实物体的视觉效果更接近。该技术便于远程观看或实时记录图像,非常适合于扫描类应用,如医疗、建筑和 CAD/CAM 技术、安全应用、游戏娱乐、地理空间成像等。

    自动立体显示技术主要通过视差屏障技术、柱状透镜技术或多层显示技术呈现双眼的不同视景,来产生立体视觉效果。日本东芝开发的 21 寸自动立体高清晰显示屏,采用 9 视差设计,能产生 1280×7203清晰度的 3D 影像,其图像可依据观众的位置而改变,且具有广视角、低功耗、可垂直或水平使用等特点,专用软件通过优化屏幕中心与左右的发光,可使最大视角达到 40 度(一般裸眼电视为 20 度)。美国PureDepth 公司的多层显示技术通过一定间隔重叠使用两块液晶面板,实现了多种影像表现方式,包括突出颜色及对比度、影像跳出等,同时具有分辨率高,不引发观看时的眩晕、眼睛疲劳,视野及角度没有明确界限等优点。

    从技术创新能力分析,亚洲与欧美立体显示技术领域平分秋色。在专利方面(见图 1),排除 PCT 世界专利申请外,立体显示专利申请量的八成集中在日本、美国、中国、韩国、欧洲和德国六个地区,其中日本以 45%居于首位。在论文方面(见图 2),除欧洲无法以所属国名义发表论文外,其余五个国家的论文发表量占到了总发表量的近七成。值得关注的是,日本虽拥有雄厚创新实力,但在基础研究上与排名第二的美国之间差距较小; 韩国在学术研究成果上超越了专利量排名靠前的中国。


图 1 立体显示专利地区分布图 图 2 立体显示论文地区分布图

    二、 全球市场蓬勃发展,四大市场形成主导格局

    随着立体显示技术的不断发展与更新,立体显示产业于 2010 年开始腾飞,并进入快速发展轨道。据美国市场研究机构 DisplaySearch 公司预测,全球市场销售规模将由 2008 年的 9.02 亿美元飙升至 2018 年的 220 亿美元,年均复合增长率为 38%;同期出货量将由 70 万增至 1.96亿,年复合增长率高达 75%。从细分市场来看,立体电视市场、立体
4广播市场、立体电影市场和立体面板市场是立体显示领域中的四大主要市场。其中,立体电视市场将成为未来最大的应用市场。大多数主要电视机制造商于 2010 年推出立体电视来扩大电视产品阵容,立体电视同年以620 万台累计出货量占整个电视市场的 3%份额。预计到 2014 年,立体电视累计出货量将达到 8360 万台,占到整个电视市场的 31%;在累计销售额上,也将由 2010 年的 122 亿美元,增长至 2014 年的 769 亿美元,占整个电视市场的总销售比例将由 9%上升到 54%。至 2018 年,立体电视市场有望成为立体显示领域最大的应用市场。

    立体广播市场成为数字媒体重要的发展方向。欧美市场已于近年相继推出了多项卫星 3D 电视新服务。美国 ESPN 公司 2010 年 1 月推出 ESPN 3D 频道,通过 Direc TV 直播卫星电视平台以及 Comcast 等有线电视系统为美国电视家庭提供 3D 电视服务;英国天空电视台 3D 频道于 2010 年 4 月正式推出,已进行了包括英超联赛、欧洲足联冠军联赛等国际赛事在内的 100 余次 3D 电视直播。此外,日本、韩国、中国等亚洲国家也已开始积极发展立体广播电视系统。

    立体电影市场加快文化创意产业的升级。2010 年,福克斯公司 3D电影《阿凡达》创下 28 亿票房佳绩,预示着全球电影市场已开始将 3D作为一种主流电影的标配,且内容不再局限于动画片、恐怖片等影响面较窄的类型片,更多的商业动作大片开始陆续进行 3D 化的升级。据好莱坞数据显示,由于 3D 电影能较普通电影多取得 30%以上的丰厚利润,2010 年美国票房仅比创记录的 2009 年的 106 亿美元略微下降,是过去十年中票房次高的一年。

    立体面板市场需求日益旺盛。当前,对立体面板的质的要求和量的需求也呈现上升趋势。液晶显示(LCD)以其可广泛应用于小型手机到大型公共显示及电视等多种场合的优势,成为目前立体显示采用的主要显示技术。据统计,立体显示面板的最大需求来自手机、数码
5相机、数码摄像机等电子设备应用的 1-4 寸面板,其次是电视机、公共场合显示及监视器应用的 40-49 寸面板。

    从全球市场的竞争格局来看,欧美主导内容市场、日韩主导终端市场的产业格局基本形成。欧美 3D 市场以其先进的 3D 内容摄录系统、专业的内容制作团队、发达的媒体应用市场,在内容制作方面具有明显竞争优势。日韩在 3D 产业终端显示方面优势突出,产业链相对完整,尤其在 3D 立体平板显示技术方面拥有全球竞争力。由于目前全球 3D产业仍处于发展初期,产业推动力量主要来自 3D 产业基础较好的国家和地区,因此,这种产业格局在短期内将更趋显性化。从企业发展来看,各个领先企业形成了错位竞争的格局。如,美国 RealD 公司是全球 3D 电影发展的领头羊;美国 3ality 公司在 3D 前端拍摄、制作设备方面享有广泛声誉;美国 Provision 互动科技公司是一家互动式三维显示技术开发商;日本索尼公司主打家庭娱乐和个人消费类电子产品市场;匈牙利 Holografika 公司专注于三维可视化技术的研发;韩国三星、LG 公司活跃于立体面板市场,成为两大主要制造商。

    三、国内市场起步较晚,发展势头迅猛

    我国立体显示市场虽尚未成熟,但其日渐完善的产业链雏形,正孕育着巨大的机遇,将实现对传统产业的一次突破性升级和创新。从市场的整体潜力来看,在产业链分布、市场需求度、技术发展水平等方面都蕴藏着产业发展的巨大能量。具体而言:

    一是产业链完整,优势在于下游。3D 产业链的上游是节目制播、软件开发等。目前,国内正在积极探索 3D 上游领域发展之路,越来越多的中国企业承担了好莱坞 3D 内容的加工处理。中游是面板、芯片和眼镜等终端产品核心器件的生产。由于各主要厂商均处于研发阶段,良品率不稳定,因此为中国相关企业创造了公平竞争的发展契机。下游是 3D 终端显示设备。目前,国内彩电企业纷纷将 3D 电视视为未来市场的掘金点。TCL 推出的 65 寸 P10“偏振光式”和 55 寸 X11“快门式”
6两款 3D 互联网电视,均属各自领域的旗舰级产品;创维发布的 3D-LED液晶电视涵盖 42、47、55 寸等多种尺寸;长虹从 2010 年全面启动 3D电视普及活动,加大了旗下 3D 欧宝丽等离子电视、3D-LED 电视的供货量。

    二是市场发展快速,产品需求旺盛。当前,3D 消费已开始逐渐渗透到家庭娱乐及移动通信等领域,其中 3D 电视与消费者之间的沟通最为活跃,成为普及 3D 最为重要的渠道之一。据预测,国内消费者有意愿购买 3D 电视机产品的比例高达七成,而肯定不会购买的不足一成,可见消费者对于 3D 电视已经有很强的认知,整个市场正在迅速启动;3D 电视国内市场销量有望从 2010 年的不足 400 万台,快速增长至 2011年的 2500 至 3000 万台,市场占有率将从 2010 年的不足 10%,快速提升至 30%-50%。目前,从各地区立体显示的发展近况来看,深圳、广州、北京等城市高度重视立体显示产业的发展,明确定位,并制定了相应的发展规划。

    三是紧跟世界趋势,技术发展加快。近年来,国内各大研究机构和企业在立体显示器、立体显示核心芯片、立体内容制播技术等方面不断攻关,取得了多项突破。2008 年,超多维科技公司携 HDL-46、HDL-19 两款立体显示器亮相国际消费电子展会,其清晰的画质和出众的空间感吸引了众多专业观众;2010 年,南京大学研制出单人观看的头跟踪显示器和多人观看的多视点显示器,达到国内同类设备领先水平;清华大学今年 3 月发布的“清立方”立体视频芯片,可实现平面视频向立体视频的高质量转换,已在海尔、长虹的 3D 电视,高清立体视频机顶盒,立体手机等产品中获得应用;2010 年 11 月国内首个 3D 试验频道在广州亚运会期间上线,目前国内已有十几家地方电视台进行了立体电视节目的试播。

    四、上海具有良好发展基础,提升空间亟需加快拓展

    目前,上海立体显示技术及产业具有一定的基础。从研发布局来
7看,依托同济大学、华东师范大学、上海大学、上海水晶石信息技术有限公司、上海杰图软件技术有限公司、上海文广科技(集团)有限公司、东杰电气有限公司等单位进行了研发和攻关,在三维数字视频系统关键技术、网上大规模虚拟展示关键技术、三维全景影像城市关键技术、全息立体成像技术、立体显示系统、面向现代服务业的数字媒体关键技术等领域取得了一系列成果。从成果应用来看,基于 2010世博会中积累的丰富 3D 设计及展示经验,立体显示已在会展业中备受青睐。如“103 英寸 3D-PDP 立体视频系统”先后在上海世博会、2010年中国国际工业博览会上成功进行了展示,大型裸眼立体显示系统的逼真效果,引起了参观者的极大兴趣。

    总体来看,虽然近年来上海在该领域取得一定进展,但尚存一些不足:一方面,技术及产业链亟待完善。目前,上海该领域设备生产商、内容提供商、信息传输商、接收终端制造商等上下游产业链处于分割和零散状态,协同合作的商业模式较为缺乏,直接影响着上海立体显示市场的快速启动和发展。另一方面,配套扶持政策亟需制定。

    虽然上海在立体显示技术研发方面实力较强,但在科研合作项目资助、组织产学研联合技术攻关和应用试验、配套产业化优惠政策等方面并未引起足够重视,对立体显示应用性技术成果转化的引导和扶持力度有待加强。

    结合上海立体显示技术及产业的发展现状及趋势,对比国内外立体显示产业发展经验,提出以下三点建议,供参考。

    一是加强应用导向的前瞻性技术研究。上海应基于自身研发攻关优势,以裸眼显示技术为重点,积极开展前瞻性应用技术研究。如,全息显示、体三维显示、自动立体显示等技术的关键材料与部件;立体视频显示的图像处理技术、2D/3D 转换技术、高画质及低功耗技术;结合生物学及医学的立体视觉与人体工学研究,提升视觉体验,缓解和消除视觉疲劳等。此外,还应积极参与国际技术标准体系的制定,
掌握核心生产工艺,拥有自主知识产权。

    二是完善产业布局及配套政策。欧洲、美国、日本、韩国等国家和地区纷纷通过制定技术路线图来描述产业发展短期、中期、长期的不同阶段目标,并加强对各个环节技术研发活动的资助,及产业链的扶持,促进产业健康发展。上海应把握“十二五”发展契机,充分借鉴国内外经验,制定与技术研发优势相适应的技术和产品路线图,出台和实施政府采购等配套政策加快市场的启动,并加大对自主知识产权创新能力建设的扶持和保护力度,加快提升企业创新能力,建立行业公共服务平台促进产学研资源共享等。

    三是不断拓展应用空间。除了会展业、文化传媒业等领域,上海还可在更多领域开拓立体显示市场。如,与数字医疗业、“医联工程”相结合,提供更加清晰、逼真、多视角的影像效果,使诊断结果更为精确,手术过程更为准确、安全;通过三维实体设计、零部件设计、运动学仿真、驾驶训练模拟等方式,应用于汽车智能化协同设计生产中,不仅可提高汽车产业信息技术应用水平,更可支撑自主品牌汽车的研发生产。此外,在智能城市管理、航空产业、钢铁产业、石化产业等上海优势产业方面,立体显示也将拥有广阔用武之地。

标签:立体显示分析
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