移动终端3D技术及发展分析

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本文摘自《移动通信》2013年5期。作者：肖征荣 邴建 赵友军 李显洲摘 要】介绍了移动终端的3D关键技术，包括3D编解码标准、显示技术等，并分析了3D技术在游戏、电子商务、视频和导航等领域的应用，最后对移动终端3D技术应用的挑战和前景作了展望。
　　【关键词】移动终端 3D编解码 3D显示 3D互联网业务
　　中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-05-0027-04
　　1 引言
　　近年来，随着3D、全息影像等技术不断发展，3D及增强现实技术和产品正影响、改变着人们的沟通、工作与生活方式。目前，虚拟现实正在由2D虚拟向3D虚拟和多维模式发展；而3G、LTE等移动通信网的部署，提高了移动网络速度，大大增强了移动互联网的能力，为3D及增强现实技术在移动互联网领域的应用奠定了基础；此外，物联网、云计算的兴起也将给3D及增强现实互联网业务的发展带来新的机遇。
　　3D技术在网络游戏、电子商务、网络旅游、移动导航等业务领域将会有广泛的应用；而移动智能终端和移动互联网的快速发展，将为3D及增强现实的应用提供动力，并将成为其应用的先驱领域。
　　2 3D关键技术
　　3D技术是虚拟现实技术的一种，是基于电脑、网络和数字化平台的一种基础共用技术，包括3D软件开发、3D硬件开发，以及3D软硬件与其他软硬件数字化平台和设备相结合，在不同行业和不同需求上的应用技术。从具体应用角度看，3D技术主要包括3D编解码技术和3D显示技术。
　　2.1 3D编解码标准
　　3D技术应用在不同的领域使用不同的编解码技术标准。在互联网领域，3D技术与互联网的结合诞生了Web3D技术。Web3D的发展过程中出现了以下三大类技术标准：
　　W3C的VRML标准：VRML是3D图形和多媒体技术使用的文件格式，其应用范围极广，包括工程和科学可视化、多媒体、娱乐游戏、互联网3D图形、教育和虚拟社区等，也是Web3D技术的始祖。VRML用文本信息描述三维场景，在互联网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范。自从1997年推出VRML97之后，VRML3D图形进展缓慢。
　　独立发展的虚拟现实技术：由于VRML97标准的种种局限，制作互联网3D图形的软件并没有完全遵循VRML97标准，许多公司推出了它们自己的制作工具，使用专用文件格式和浏览器插件，类似软件有三十几种之多。这些软件各有特色，在渲染速度、图像质量、造型技术、交互性以及数据的压缩与优化上都有超过VRML之处，主要用于电子商务，为网上的电子商品或电子商场提供3D展示。
　　基于X3D标准的技术：1997年，VRML协会改名为Web3D协会；2001年，Web3D制定了X3D标准，完成了VRML到X3D的转换，以统一业界的标准。X3D整合正在发展的可扩展标记语言（XML，Extensible Markup Language）、Java、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。X3D标准是XML标准与3D标准的有机结合，被定义为可交互操作、可扩展、跨平台的网络3D内容标准。X3D是在重要软件厂商的支持下提出的，近几年Web3D协会制定的一系列X3D标准的规格文档，都通过了ISO的审批，但是仍未统一业界的标准。
　　2.2 3D显示技术
　　3D显示技术可以分为裸眼式和眼镜式两大类。裸眼3D已经逐步在移动视频拍摄中商用，且LG、夏普都发布了支持3D的手机终端。眼镜式3D技术是当前应用的主流，无论是显示器、投影机还是电视，现在基本都需要配合3D眼镜使用。在眼镜式3D技术中，偏光式3D技术和快门式3D技术是当前应用的主流，被广泛应用于家庭电视领域。
　　眼镜式3D技术可以进一步细分为：色差式、偏光式、主动快门式和不闪式，即色分法、光分法和时分法。
　　2.3 移动终端相关的3D技术
　　移动终端上的3D技术包括3D内容获取、制作、转换、压缩编码、传输、解码、3D重现和3D显示等，涵盖视频通信、计算机图形学、计算机视觉、光学、材料学等多个交叉学科领域。
　　移动终端3D显示涉及的关键技术包括：3D内容的获取与制作，基于3D手机的3D视频存储，基于终端平台的3D压缩编/解码，3D渲染重现，终端的3D显示播放。具体如下：
　　（1）数据内容处理：包括3D视频内容采集技术、2D视频转3D视频技术、3D视频质量加工、3D视频可交互内容的制作技术、个性化内容制作；
　　（2）数据存储与编码传输：包括3D内容的格式转换及编码传输；
　　（3）终端3D显示：包括3D视频渲染技术、3D内容合成技术；
　　（4）与传统业务融合：包括3D视频会话、3D彩信业务及其他业务。
　　此外，移动终端3D显示涉及的主要技术还包含了3D内容的生成、存储和编码传输、终端3D显示，具体如下：
　　（1）3D内容生成方法：平面视频转3D视频，多摄像机的3D拍摄，3D动画制作；
　　（2）3D内容形式：双目3D形式，即包含左右两个视角的内容；单目加深度图形式，即包含单个视角内容和该视角对应的深度图；双目加深度图形式：即包含左右两个视角的内容，并同时包含两个视角对应的深度图；
　　（3）3D内容的存储形式：独立存储，即左右视角的图像独立存储；混合存储，即左右视角的图像按照一定的空域或时域交织方式混合后保存；
　　（4）终端3D显示技术：佩戴眼镜的3D显示，通常有红绿显示、偏振显示、遮光显示；裸眼3D显示，即在显示器表面配置光栅来改变光线的投射方向，使用户的左右眼能够接收到不同视角的图像。
　　3 3D技术应用
　　3D技术的主要应用包括3D游戏、3D增强现实电子商务、3D视频和3D手机导航等。

3.1 3D增强现实网络游戏
　　3D游戏是指给人以3D感觉的游戏。从概念上来讲，3D游戏就是在游戏中使用3D模型来制作人物、场景等物体，使玩家可以在游戏中体会到长宽高三个维度，从各个角度来进行游戏。这将大大增加游戏的自由度、趣味度及真实性。目前3D游戏已经成为了市场主流的游戏类型。
　　3.2 3D增强现实电子商务
　　目前，电子商务网站的产品发布和展示大都基于超文本链接和二维图片，其技术的有限性或多或少地制约了电子商务的发展。3D电子商务以3D技术为核心，对现实购物环境及购物行为进行仿真，并通过商家与顾客“面对面”的交流互动，创造出一个同现实一致的虚拟网络商业购物环境。它不仅能够全方位展示产品的外观、质量、特性，自动演示产品的功能和操作方法，在特定情况下甚至能打开外壳查看内部信息。对于体验型商品，消费者可以利用自己的虚拟模型试穿；此外，还可以主动地搭配产品部件，定制自己喜欢的样式。3D增强现实电子商务体现了以消费者需求为导向的网络经济特征。
　　3.3 3D视频
　　网络视频是近年来互联网的热门应用，诞生了Youtube、酷六、56网等众多上市企业。在国内，网络视频行业的发展势头相对良好，截至2011年底，用户规模达到3.25亿，较上一年增加14.6%，使用率提升至63.4%，是我国网民继即时通信、搜索、音乐、新闻之后的第五大应用。随着市场的发展，用户对网络视频内容和质量也提出了更高的要求；而随着3D影视作品的快速发展，网络视频行业也在逐步引入3D内容。
　　3.4 3D增强现实手机导航服务
　　智能终端的普及和应用、APP开发市场的火热，使移动互联网3D及增强现实业务的发展也迎来了机遇。企业可借助增强现实技术，并充分利用APP软件的优势，在3D显示的基础上，叠加虚拟信息，实现增强视野的目的。
　　例如3D地图的发展如火如荼，包括谷歌、百度、搜狗等众多主流地图都加入了3D实景模块。随着增强现实技术的发展，人们不仅可以利用3D地图进行导航，更可以将增强现实技术应用到3D网络导航中，扩充视野。在具体业务上，3D及增强现实导航将给用户带来全新的体验。在方位导航方面，增强现实应用软件将帮助用户全面了解方位和路况等信息，增强驾驶体验和安全性。
　　在旅游市场上，企业可开发相关增强现实APP软件，让用户通过手机获得真实世界所无法获取的海量信息，帮助用户了解景区，了解景点的历史甚至未来等，并能有效缓解景区旅游对导游需求的压力。
　　4 移动终端3D发展展望
　　目前，3D互联网业务在我国虽然已经显现，但是要真的成为一种普遍的应用，还需要一定的时间。首先，3D互联网业务的进入有很高的技术门槛和投入门槛；其次，就使用环境而言，3D互联网业务对硬件和互联网带宽有较高要求；第三，内容的丰富与品质的提升需要时间；第四，用户的培养需要一定时间。
　　3D及增强现实技术面临的挑战有：
　　（1）3D技术有待积极向裸眼3D推进。从技术角度看，裸眼3D技术是3D发展的趋势；而从消费者角度看，需要戴上特殊的眼镜才能领略3D技术的风采，存在使用上的不便。尽管裸眼3D技术有了突破，但仍基本上处于试商用阶段，且成本较高，现有应用主要集中在商用领域，在普通消费者中的应用有待推广。
　　（2）3D互联网业务对用户硬件平台提出了更高要求。尽管目前3D电视、3D电影进入了一个新的发展高潮，但在互联网领域，3D产业的应用尚处于发展初期阶段，业务种类和数量有限，尚不能形成规模应用。另外，3D互联网业务对用户硬件平台提出了更高要求，但3D互联网产业规模化应用刚刚起步，与其对应的软硬件支持尚未形成规模，成本居高不下，目前大部分的用户硬件平台尚不具备支持3D互联网业务的条件。
　　（3）随着3D和增强现实互联网业务的不断涌现，其背后是对海量数据存储的需求，且对互联网包括移动互联网数据传输速度提出了更高的要求。
　　（4）随着增强技术在3D互联网业务上的叠加应用，用户对应用环境的实时、精确定位也提出了更高要求。精准的位置、连贯的数据传输和交换将有助于提升用户体验。目前，用户定位主要依靠GPS技术和GIS系统，在精度上和数据流量上存在不足；而各种应用软件更是依靠各类3D电子地图为后台数据基础，在应用上略显粗糙。
　　（5）对终端电池的挑战。各种新业务的引入和使用需要持久耐用的大容量电池，3G、大屏幕、数据交互以及未来的裸眼3D技术对电池提出了更高的要求。现在锂电池依然是市场上的主流，在电池本身性能并不强悍的情况下，手机越来越薄、越来越轻巧，电池发挥的余地只会越来越小。随着电池技术的发展，除了锂电池、锂聚合物电池之外，燃料电池、生物电池、太阳能电池等技术也在研发中，但是都没在手机终端上实现规模商用。如何为手机提供更充足的电量，从而延长手机使用时间，将是一个值得长期研究的课题。
　　不过，3D互联网业务也面临着发展的机遇。裸眼3D显示技术已有成熟的商用案例，随着进一步的规模化生产，预计很快也能进入普及阶段。3D信息的获取、编辑、存储、分发、播放、显示的产业链正在迅速形成，3D已成为电影电视明确的未来。云计算的普遍应用，将能有效支撑3D互联网所需的大数据处理能力、海量数据存储和传输。物联网的发展有助于增强3D及增强现实互联网业务的用户体验，推动3D产业的发展。
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