返回 科技论文 首页
4G+3D是大数据时代的弄潮儿

  【摘 要】从信息获取、存储和传输等环节的变迁入手,分析了大数据时代3D立体成像发展的必要性和普及条件,提出4G+3D的技术路线,即以双摄像头3D手机来解决3D信息的拍摄获取,以4G网络与云计算来满足3D信息的处理、存储与传输。最后对该技术路线的推广渠道和应用方式进行分析,认为其目前已有条件进行推广与应用,并有机会成为市场领导者。
  【关键词】信息获取 信息存储 信息传输 信息处理 信息显示 4G 3D
  中图分类号:F623 文献标识码:A 文章编号:1006-1010(2014)-13-0024-05
  1 大数据时代已经来临
  自从2013年底国家给中国移动、中国电信、中国联通3大运营商统一发放4G牌照以来,微信、数据、流量,成了人们经常挂在嘴边的热门词。这是全民享受信息技术成果的时代,是全面进行信息消费的时代,也是产生大数据的时代。
  根据吉尔德定律:每隔6个月数据通信量加倍;每隔6个月主干网的带宽加倍。互联网与移动网大发展,网络带宽急速翻番,数据通信量也急剧翻番,数据产生成本迅速下降,大量新数据源如微博、微信、微视、各种宝宝的出现更导致了数据爆发式的增长。据IDC监测:预计到2020年全球将拥有40ZB的数据量,比2009年增长近50倍。
  今天,数字化已经深深地渗透到人们工作、学习、生活、文娱的各个方面,每一个人既是信息的接受者也是信息的创造者。截至到2014年5月我国移动电话用户达到12.56亿户,其中3G用户4.64亿户,4G用户800万户,移动电话普及率高达90.8%;固定电话用户2.6亿户;移动互联网用户8.57亿户;互联网宽带接入用户1.97亿户。无论是电话还是上网,移动通信方式都是以4倍之巨大大超过固定通信方式定成为信息通信的主流。
  麦特卡尔夫定律认为:网络的价值与网络用户数的平方成正比。如此庞大的用户群,每天创造海量的信息,同时也接受海量的信息。仅电子邮件而言,全球每秒就会发送290万封;微信用户已经突破6亿,每天发布超过6亿条消息;淘宝注册用户近8亿,每天产生千万笔订单;我国正在推进智慧城市建设,1个8Mbps的摄像头1小时能产生28MB(106字节)数据,1个城市安装几十万个交通和安防摄像头,每月产生的数据量达几十PB(1 015字节);一个病人的CT影像数据量达几十GB(109字节),全国每年门诊人数以十亿计;余额宝出现刚满1周年,每天有2 000万用户通过手机查看收益,62万大爷大妈和18岁孙子一样理财,点击支付每一笔款项,立马兑现,余额宝每天会为用户节省100万小时去银行的时间,一年帮老百姓赚了收益75亿元。总之,大数据存在于各行各业,正在为老百姓谋福利。
  2 人类信息技术的进步
  随着社会文明的进步,人类逐步脱离了蒙昧的原始状态,步入今天的信息时代。信息链有5个环节:获取、处理、存储、传输、显示。
  (1)信息获取是从给定的环境背景(噪声)中提取有用的信息。人类获取信息主要靠自身眼、耳、鼻、舌、身五官,其中视觉占了90%,凭借发明的各种各样的传感工具与遥感、遥测手段,扩展了五官获取信息的能力。
  (2)信息存储是将信息以某种形式从时间上的某一点转移到另一点。书籍就是较早的信息存储方式,人类发明了各种存储介质不断增加存储容量,以至海量的数据库。
  (3)信息传输是将信息以某种形式从空间上的某一点转移到另一点。从最早的烽火狼烟到19世纪的电报电话,电信以光速传输文字和话音,这是一个革命性的飞跃。
  (4)信息处理是将获得的信息加以变换,从而便于提取有用的信息,以提高其可利用性。有用信息日积月累,才会成为知识,才逐步形成科学。特别是计算机,它大大提高了人类处理信息的能力。
  (5)信息显示是将信息以某种形式加以重现,供人类的听觉或视觉感知,其最重要的指标是所显示信息的精确性和完备性。遗憾的是在视觉技术方面却不够理想,世界本来是立体的,人们至今主要还是用平面表达所看到的各种实际立体场景。
  到了20世纪,人类发明了计算机,万千模拟信息经数字化后统一形成0、1构成的数字信息,这在信息链的5个环节都产生了翻天覆地的革命性变化,模拟通信转变为数字通信,模拟电视换代为数字电视。数字化为集成电路开辟了广阔的应用天地,以胶片为载体的模拟相机被不用胶片的数码相机取代了。时代已经步入到21世纪,互联网与移动网二者的发展与融合,形成了崭新的移动互联网,把整个世界的人们无论是在家安居的或乘车运动的都联系起来了。
  移动互联网在3个领域展现了广阔的前景:
  ◆人与人之间的通信(人际网)普及率将超过全球人口90%;
  ◆人与物之间的通信(人物网)普及率将超过全球人口700%;
  ◆物与物之间的通信(物联网)普及率甚至会超过全球人口10 000%。
  现在我国移动电话普及率竟高达90.8%,这说明人际网已趋于饱和,下一步必然要向人物网、物联网方向发展。
  3 立体显示的进展
  数字化后,现阶段3D信息的获取、处理、存储、传输与显示5个环节虽然有长足的进步,但满足大众化的能力各有差异。由于计算机技术的进步,处理3D信息这个环节完全没有问题。2015年,以4G构成的移动互联网预计将遍布全国,廉价而快速传输3D信息的这个环节也将成为可能。由于云存储技术的进步,存储3D信息这个环节也成为可能。只是3D信息的获取尚需昂贵的立体拍摄设备,掌握在专家的手里。看立体电影尚需到电影院,看立体电视尚需更新现有电视机去买昂贵的3D电视机,这2个环节还不具备大众化普及的条件。电子光学出身的丁守谦教授的理想是“让立体像立体声一样走进千家万户”,他毅然放弃走激光全息的技术路线,另辟蹊径,孜孜研究了15年,不断尝试各种方法,提出了多项发明:2009年在宇龙酷派的协助下做出了全球第一款“双摄像头的3D手机”,在上海国际3D会议上报告并演示,为大众化的3D信息获取研发了价廉物美的手段;2012年在北京国际通信展展出了“丁氏立体眼镜”,用它可以在笔记本电脑、普通电视机或各种大小屏幕上欣赏3D节目,而且是高清晰、高亮度、全彩色的,引起了观众很大的兴趣,估计大规模生产后,价位将低于100元。2013年北京国际通信展上又展出了“个人立体影院”,除保持上述特点外,还可以无需戴任何专用的3D眼镜(也可说是准裸眼)就能看出栩栩如生的静态或动态的大屏幕立体像,用它等于把巨幕立体电影院搬回家,手机制造厂都可以大规模生产,预计价位不会比iPhone、iPad贵,那么我国在终端领域就可以此来超过苹果、三星了,这为大众化的3D信息显示发明了价廉物美的手段。   人的视觉为什么会有立体感?因为人有两个相距大约65mm的眼睛。一个物体,左眼看到该物体的左边多一些,右眼看到该物体的右边多一些,映射到左眼右眼视网膜的图像大同小异,视网膜的左右视差像对经视神经传输到大脑视觉中枢处理后才有空间立体感。人眼在显示屏上能够看出立体效果的原理为:让人的左右眼在“同一个”物理平面上看到分别由左右镜头同时拍摄的略有差异的左右像,人脑会将左右眼看到的这2个视差像融合,从而产生空间立体感。
  3.1 当前观看3D的方法
  (1)裸眼观看有2种方法:柱透镜法和电光栅法
  它们都是将左右视差图像按奇偶间隔排列,如左像奇列,右像偶列,通过柱透镜不同折射方向或光栅的透光和挡光条,使左眼只能看到奇列左像,右眼只能看到偶列右像,从而达到3D效果。它们有共同的缺点,形成立体像后其清晰度至少降低了一半,亮度会有所降低。需在特定的位置观看,才能得到较好的立体效果,在偏离这些位置时图像会反转,即左眼看到的是右眼像,右眼看到的却是左眼像,图像远近倒置,引起晃眼并头晕。
  (2)眼镜观看有3种方法
  1)互补色红青眼镜法,左右视差图像分别以红、青2种颜色显示,分别通过红色镜片、青色镜片达到3D效果。但其亮度严重下降,画面昏暗,色彩严重失真,无法还原场景的真实颜色,长期观看会使色辨能力降低,严重者有可能诱发色弱,行将被淘汰。
  2)偏振片眼镜法(立体电影院用),基于光的偏振原理,左右视差图像分别以不同偏振方向显示,分别通过偏振片而达到3D效果。因偏振片对图像光的损失达50%以上,使其亮度降低,必须在电影院的黑暗环境下才可观看;还有“串扰”问题,清晰度会降低,因为会将左右并排半宽影像横向放大1倍至全屏,导致横向分辨率只有源影像的一半;同时,在纵向采用奇数行显示左图,偶数行显示右图,导致横向分辨率也只有源影像的一半;致其单眼最终分辨率只有原来的1/4。
  3)液晶快门眼镜法(立体电视机用)。采用左右交替观看左右视差图像原理而达到3D效果,除亮度、清晰度降低之外,还因快门迅速切换使得画面闪烁,观看容易疲劳,使人头晕。为保持与电视机同步必须使用小电池,属有源眼镜。
  3.2 丁氏立体眼镜的原理与优点
  丁氏立体眼镜与个人立体影院是另辟蹊径的方法,从原理上说为光学移位法,是在普通显示屏上播放左右并排格式的视差像对,然后通过光学系统的反射或折射,最终人眼观看到的像产生位移而重合,使得人感觉到左右像是在同一个物理位置,从而满足平面设备上观看3D影像的基本要求。
  其镜片是由透光率几近100%的光学玻璃制成,故亮度最高;在光学设计中已克服了色差、故色彩还原性最好,并使畸变、彗差、球差降至难以察觉的程度;而且是由左、右2路完整图像直接合成,有互补作用。相对于其它几种方法而言,其所显示信息的精确性和完备性指标最好,能看出更多细节,能显示出金属、钻石等的光芒及绸缎面的光泽。又由于无需同步,不必使用小电池,属无源眼镜,无“发闪”及“串扰”等问题,故成像质量是目前最高的。
  4 4G+3D必然是大数据时代的弄潮儿
  中国4G在国家的积极支持及运营商的努力建设下取得了显著的进展。4G的高速数据传输能用来干什么?我们曾在海峡两岸移动通信界会议上提出:4G的杀手锏应用是3D,得到了与会专家的认同。我们曾给科技部前部长徐冠华、工程院邬贺铨院士、科学院倪光南院士、周立伟院士、知识产权局李玉光副局长等汇报演示有关3D的自主创新成果,栩栩如生的立体图像质量得到了他们的一致肯定,并表示4G+3D的提法很好。国际电联秘书长赵厚麟多次来信加以鼓励,认为国际上还没有醒悟过来,如能首先在我国得到业界的认同与推进,必将具有光辉的前景从而加速中国梦的实现。为推进4G+3D,我与丁教授曾多次来京,演示这些发明,百闻不如一见,只要抽空10分钟,就可看到令人震惊的效果。
  世界本来是3D的,由于人类科技发展的局限性,不得不用2D的平面来显示万物,3D电影阿凡达的上演开辟了3D的新纪元,信息的显示必然从2D向3D过渡,信息的传递也必然从3G向4G/5G过渡。信息链的获取、处理、存储、传输与显示这5个环节现阶段都有长足进步,就3D信息而言,其中处理、存储、传输3个环节完全具备大众化普及的条件,现在是利用4G网络发展3D的最好时机。只是3D信息的获取尚需昂贵的立体拍摄设备,掌握在专家的手里;3D信息的显示,看立体电影尚需到立体电影院,看立体电视尚需更新现有普通电视机去买昂贵的3D电视机,这2个环节还不具备大众化普及的条件。
  我们15年来为自主创新的TD-SCDMA与TD-LTE奔走呼吁,由于国家的重视,现在中国的3G与4G产业都已走在世界前列。同时,我们也在为3D的大众化普及另辟蹊径,深入研究,从而取得了多项专利。如能实施,必将全面推进我国的4G+3D新兴产业。我们建议的4G+3D技术路线是:以双摄像头3D手机来解决3D信息的拍摄获取,以4G网络与云计算来满足3D信息的处理、存储与传输,以我们发明的立体眼镜、立体影院来解决3D信息的显示,这是一个可以还原世界本来面目的比较完整的技术体系,我认为现在完全有条件进行推广和应用。
  3D手机并不难,增加的成本不过几美元,只要主管部门倡导,运营商明确4G智能手机加双摄像头为标配,全国上亿部这样的4G+3D手机很快就可投放市场。初期虽只有一部分弄潮儿用双摄像头的3D手机玩3D微电影,用不了多久,就会带动上亿人群发3D微信、拍3D微视,就像10年前手机刚开始装有照相功能,会用的人不多,今天几乎人人随时随地都在拍摄,除了专业摄影家,普通数码相机几乎无人问津了。2个8Mbps的摄像头1小时能产生56MB(106字节)数据;上亿部智能3D手机的2亿个摄像头去拍摄播放立体视频必将使大数据海量爆发,这必然会推进4G网络的深度覆盖与技术升级,大大推进中国的信息产业与信息消费。有人会提出疑问,韩国LG、台湾HTC在2012年巴塞罗那展览会首批亮相的3D手机已投放市场,为什么没有引起火爆?我们认为主要是因其3D手机设计思想陷入误区,虽可以3D拍摄,却缺乏配套的3D观看设备,丁教授《有关3D手机发展的战略思考》一文,详尽解剖了个中缘由,衷心希望我们的观点能够得到业界的理解与支持。   从最近国际动向来看,已经有人意识到4G+3D的前景,大力在研究。亚马逊刚刚发布的Fire Phone手机具有3D动态视角功能,竟有6个摄像头,安装在手机的4角和前后,能够识别物体、音乐和电视节目等超过1亿件,将自动提供购买或下载渠道,方便用于网上购物,这款手机即将投放市场。其实只要勤于挖掘,3D手机可以想出成千上万种应用。遗憾的是,我国的手机大佬们,习惯于看国际的潮流,等人家火爆了,自己再动手,人家出了iPhone,我们就跟着出个OPhone,不敢做吃螃蟹的第一人,害怕困难,说什么做双摄像头的3D手机成品率只有5%,为什么不去分析LG、HTC没有火爆的原因,不去想想亚马逊6个摄像头怎么能批量生产。因此,总是做一个二流的角色。
  2000年我与丁守谦教授在美国洛杉矶长岛召开的国际信息显示学会(SID)发表了论文――《The Challenge
  and Issues of Display for Mobile Telecommunication移动通信显示的挑战与问题》,这篇文章对未来手机显示屏的要求进行了探讨,提出用触摸屏取替数字键盘和OLED软显示屏展开显示面积是一个最有前景的发展方向。这一新思路曾引起与会人士的兴趣,可惜我们没有申请专利,人微言轻,不会引起业界重视。当时我们国家的电子工业基础还比较薄弱,也缺乏像乔布斯那样天才的企业家,虽然我们比乔布斯早5年敏锐地预测到触摸屏手机的发展前景,但很遗憾没有在我国产生巨大的经济效益,而是成为被束之高阁的纸面文章。
  我们提出4G+3D的技术路线与3D显示发明专利也有三四年了,如果我国业界还在犹豫、迟疑,开始醒悟过来的国际信息通信界又将以其雄厚的基础与巨大的能量重新捡起3D手机这个宝贝霸占全球市场,我国就将丢失这一发展良机。就像当年的触摸屏手机那样,被乔布斯掌控的苹果iPhone、iPad独领了风骚。我们曾经为中国的TD-SCDMA、TD-LTE发表了很多文章呼吁,出版了《创新的忧思》、《创新的呐喊》,今天我们还在为我国4G+3D的前途忧思,还将为我国自主创新的3D发明继续呐喊,唯愿我国领导与业界听取两个长者具有前瞻性的科学预测,充分利用当前的大好时机,趁国际同行还没有都醒悟过来,以只争朝夕的精神,大力推广具有拍摄立体影像功能的4G+3D智能手机,这款手机可自拍并能自行发布立体微电影,也可在线接收送到外接高清显示器,用丁氏立体眼镜或个人立体影院在家观看3D电影。在文化、医疗、安全、国防等各行各业都可以推广3D应用,这就必然会推进4G网络的部署与升级,必然大大推进中国的信息产业与信息消费,粗略估计将有10万亿元的市场规模。在技术推动与市场牵引两个轮子的合力驱动下,我国3D将与4G比翼高飞。
  参考文献:
  [1] 李进良. 3D将使主流4G技术TD-LTE如虎添翼――发展TD-LTE产业的战略之四[J]. 移动通信, 2013,37(23): 18-22.
  [2] 丁守谦. 创新的呐喊――让中国3D与3G比翼高飞[M].北京: 知识产权出版社, 2011.
  [3] 丁守谦. 全彩色高清晰眼镜式立体观像器装置: 中国, 200910070421.0[P]. 2010-04-07.
  [4] 丁守谦. 立体观像器以及带4G通信系统的个人立体影院装置: 中国, 201310532273.6[P]. 2014-03-26.
  [5] 丁守谦. 3D手机的历史、发展与展望[J]. 移动通信, 2013,37(1): 43-45.
  作者简介
  李进良:中国电子科技集团公司第七研究所教授级高工,本刊顾问,工业和信息化部电子科学技术委员会委员,中国移动通信联合会常务理事,中国通信学会会士,享受政府特殊津贴专家。曾提出并主持制定移动通信九�系列标准约30项,发表报告、论文多篇。


【相关论文推荐】
  • 4G时代
  • 4G时代来了!?
  • 4G时代来临
  • 4G时代的服务畅想
  • 4G时代的“天罗地网”
  • 4G时代的生活
  • 4G时代的无线创业
  • 4G时代的曙光
  • 决胜4G通信时代