資訊科技

戴上眼鏡 看進立體世界

從電視機發明以來,人們想盡辦法追求更逼真生動的視覺感受,近年在電影工業催化下,立體顯示技術更是蓬勃發展,日新月異。

撰文/呂怡貞
審稿/鄭芳炫(中華大學資訊工程學系教授)

資訊科技

戴上眼鏡 看進立體世界

從電視機發明以來,人們想盡辦法追求更逼真生動的視覺感受,近年在電影工業催化下,立體顯示技術更是蓬勃發展,日新月異。

撰文/呂怡貞
審稿/鄭芳炫(中華大學資訊工程學系教授)

  科技來自於人們對生活品質的追求,電視從黑白到彩色,從體積龐大的映像管顯示器到壁畫般輕薄的平面顯示器,視聽設備日益先進。2010年電影「阿凡達」更掀起了全球3D電影風潮,除娛樂用途之外,立體影像技術可多元應用於影像教學、科學研究、商業設計等領域,其視覺效果吸睛、示意與展示力求無死角,技術的發展前景十分看好,也因此備受矚目。


立體視覺的產生


  立體顯示技術從19世紀末發展至今,經過不斷創新改良,最終目的要建立人們在三維空間中逼真的立體視覺感受。無論方式為何,基礎原理都是模擬雙眼視差(parallax)來造成立體視覺。人類左右眼距離5~7公分,在觀看物體時會因視角不同,投射到視網膜的成像也會有些微的位移差異,大腦接收到影像後,會將此差異自然融合成深度知覺(depth perception),而兩個略有差異的影像就變成一個帶有深度訊息(具有遠近線索)的視覺影像,即產生立體感,大腦藉此可判斷物體在空間中的相對位置。



雙眼視差示意圖。人眼觀看物體時,會因視角不同而使成像也有些微差異,大腦會將此差異自然融合成深度知覺,使影像產生立體感。(電腦繪圖:姚裕評)


  因此,獲得立體感最主要的方式,就是「想辦法產生視差」,也就是「讓左右眼看到不同的影像」。為此,各研發者結合軟硬體設備,發展出各式各樣的觀賞方法與工具,大致可分為眼鏡式與非眼鏡式(裸視)立體顯示技術。



眼鏡式立體顯示技術


  大眾較熟悉且發展久遠的眼鏡式立體顯示技術,是運用特殊眼鏡篩選出針對單眼產生的影像,讓大腦將兩眼影像自然合成立體視覺。原理是利用同時顯示或分時快速切換左右眼兩組畫面,讓某項訊息只進入單眼,而另一項訊息進入另一眼,藉此讓雙眼訊息產生視差,根據運作模式可分為被動式與主動式眼鏡。


  被動式眼鏡的結構單純,只需要處理過的鏡片與一般鏡架,沒有其他機械或電子式的運作。傳統的紅藍眼鏡,深度訊息來自顏色差異,先對影像本身做顏色處理,再用眼鏡濾色,讓左右眼各自保留紅色或藍色訊息。優點是成本低,只需厚紙板與玻璃紙即可做成眼鏡,用紅藍色疊合而成一張的影像可適用於平面印刷;缺點是影像顏色訊息嚴重失真、色盲患者無法生成立體效果。


  現今大部份電影院使用的偏光眼鏡,是目前運用最廣的立體顯示技術,其深度訊息來自光的偏振性,即兩眼的鏡片上分別有縱向與橫向光柵,配合播放時投影出的垂直偏振光與水平偏振光畫面。垂直偏振光的影像只能通過縱向光柵,而被水平光柵阻擋,反之亦然,如此使左右眼分別只能看到垂直偏振光或水平偏振光。優點是可完整保留畫面顏色,缺點是亮度和解析度會降低,以及當觀賞者頭部歪斜時,可能會因部份影像無法被阻擋而讓另一眼接收到,使觀賞者因此感到干擾與不適。



偏光眼鏡示意圖。光有偏振性,左圖中的偏光鏡片上有垂直光柵,濾掉水平偏振的光線,僅能讓垂直偏振光通過,右圖的水平光柵則只讓水平偏振光通過,垂直偏振光和水平偏振光的畫面略有不同,使兩眼產生視差。(電腦繪圖:姚裕評)


 主動式眼鏡為電子裝置,目前市面上3D電視與電玩遊戲機多為此類,價格較高,較不易推廣,且只能單人觀看,無法滿足同時多人觀看的需求。


  主動式眼鏡有兩種,其中一種是靠電壓控制是否透光來切換電子快門,交替遮蔽左右眼視線以產生立體感的眼鏡,稱為「快門式眼鏡」。快門式眼鏡是先將影像做奇偶數分配與處理,設定左右眼只觀看奇數或偶數影像,再配合同步的螢幕掃描頻率,給左眼訊息時,眼鏡開放左眼視覺、關閉右眼視覺,下一步則反過來,由於遮蔽時間極短,而影像在眼中會產生視覺暫留,因此觀賞者並不會感覺眼睛被遮蔽。


  目前快門式眼鏡的掃描頻率以120Hz(每秒120個畫面)為主,交替分給左右眼每秒60個畫面,亦即每次遮蔽單眼1/120秒,切換頻率越高視覺影像越穩定,過低則會感到閃爍,長時間觀看眼睛容易疲勞。另一缺點為每隻眼睛只有一半時間看到影像,相當於影像亮度降低一半。眼鏡式立體顯示技術中,各式眼鏡裡體積最大、造價最昂貴的是頭戴式顯示器。配有雙顯示器,直接讓左右眼同時觀賞兩個螢幕,因螢幕距離眼睛很近,所以視覺感受上,會覺得看到的畫面很大,常應用於虛擬實境。




延伸閱讀

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〈丟掉眼鏡 當機不「立」斷〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

〈電視節目變立體 裸視3D即將走入家庭〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

〈遠與近、油與水、記憶與遺忘〉,蔣勳撰文,《科學人》2005年1月號

〈擴增實境〉,費納(Steven K. Feiner)撰文,《科學人》2002年6月號

〈我的虛擬戰爭〉,阿爾珀特(Mark Alpert)撰文,《科學人》2006年3月號

〈光學界的半導體〉,柯林斯(Graham P. Collins)撰文,《科學人》2003年8月號

〈如臨現場〉,藍尼爾(Jaron Lanier)撰文,《科學人》2002年1月號

《空間視覺感知》,郭中人著,曉園出版

《視覺心理學》,陳一平著,雙葉書廊出版



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