資訊科技

丟掉眼鏡 當機不「立」斷

眼鏡式立體顯示技術已相當成熟,然而人們還是想拿掉眼鏡,以更自然的方式看到3D影像,這必須在顯示器上下功夫。

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

丟掉眼鏡 當機不「立」斷

眼鏡式立體顯示技術已相當成熟,然而人們還是想拿掉眼鏡,以更自然的方式看到3D影像,這必須在顯示器上下功夫。

撰文/呂怡貞
審稿/鄭芳炫(中華大學資訊工程學系教授)

  立體影像令人炫目,彷彿在伸手可觸及的眼前。然而戴著特殊眼鏡觀看畢竟有些滑稽,若能去除掉礙事的眼鏡,「隔閡」不再,3D畫面將更添奇幻。


裸視平面式立體顯示技術


  裸視立體顯示技術需要軟硬體的相互支援與配合。在軟體方面,影像必須經過特殊處理或拍攝,將相同畫面分成給雙眼分別觀看且具有些微差異的影像(見〈戴上眼鏡 看進立體世界〉),在硬體方面,則必須在平面顯示器的面板多加一層薄膜材料以進行影像分光;也就是把具有不同視角的影像疊合,讓畫素交錯穿插排列後融合於同一面影像上(無特殊裝置下直接觀看此影像,會是一片模糊疊影),經過精密的光學計算,透過薄膜材料強制分配每點畫素只投射在空間中的特定位置,藉此將影像光束分給左右眼兩視角區域,以形成立體感,且技術越精良,越可將左右兩大視區再分成更多小視區,以供多人觀賞。這是近年各家廠商普遍採用的方式,可分為空間多工的視差格柵(parallax barrier)與柱狀透鏡(lenticular lense),以及時間多工的方式。


  空間多工式是指將螢幕本身分成不同視角區域,同時顯示給左右眼。視差格柵是以透光與不透光相間的縱向光柵進行分光,不透光處為屏障,作用為調整與控制光束投射方向,讓觀賞者從多條相鄰的透光處看到影像。柱狀透鏡則是利用緊密排列的柱狀凸透鏡陣列將光折射,製作技術上,每條柱狀透鏡陣列與顯示器面板上的畫素必須精準對位,才能有最佳的立體視覺效果。由於人的雙眼為水平排列(視角為橫向),且電視影像掃描為水平掃描,因此空間多工式的光柵與透鏡均製作成能將光束以橫向折射的縱向排列,但也因此使得水平解析度折半(若有更多視角數目,則會降低更多),亮度也會降低,且當螢幕旋轉90度便無法呈現立體感。



空間多工式示意圖。A圖:視差格柵是以透光與不透光相間的縱向光柵,由不透光的光柵調整投射出不同視角的影像光束;B圖:柱狀透鏡是利用緊密排列的柱狀凸透鏡陣列,將光折射到不同視角。(電腦繪圖:姚裕評)



時間多工式示意圖。上圖是利用左右移動的液晶光柵來分光,在不同時間點,光柵同一處交替呈現透明與不透明,來顯示奇偶數畫面;下圖是指向背光方式,螢幕左右兩側有專給左右眼的背光源,顯示左眼畫面時亮左眼背光源,反之亦然,兩者交替切換投射,光線經過前方導光板和特製背光膜,會分別導向至觀賞者左右眼區域。(電腦繪圖:姚裕評)


  時間多工方式的原理類似主動式快門眼鏡(見〈戴上眼鏡 看進立體世界〉),影像分成奇偶數,在不同時間點以頻率120Hz交替顯示左右眼畫面,當切換時間短於視覺暫留的時間,觀賞者便不會察覺閃爍。其中,有一種類似空間多工式的視差格柵,同樣利用不透光光柵,但以液晶控制光柵左右移動,同一處交替成為透明與不透明的顯示;另一種為指向背光方式(directional back light),顯示器內螢幕左右兩側有背光源,交替切換投射,光線也會交替被導向觀賞者左、右眼區域。分時切換的方式可讓觀賞者的單眼不會只看到相同畫素,解析度可因此提高;但因有遮蔽,亮度仍會減半,且因技術限制,無法做到多視角,較適合小型、個人使用的顯示裝置,如手機或掌上型遊戲機。


  還有一種多層式的平面立體顯示,不屬於上述主流的空間或時間多工方式,其形成立體影像的概念較直接,不模擬兩眼視差,而是將兩片(含以上)液晶面板前後重疊,在兩片面板上直接顯示前景與後景影像,再調整前後景的顯示顏色,使其看起來不單只有兩層深度,其深度訊息是前後景深的自然形成,如此方式觀賞者較不易疲勞,不過缺點就是顯示器因多層面板而體積較大。


多層式示意圖。 A圖:將兩片液晶面板前後重疊,於兩片面板上直接顯示前景與後景的平面影像; B圖:同片面板上的影像會經過顏色深淺調整,使其疊合後更加有不同層次的景深,觀賞者看到的影像會如圖中兩面板中間,三個顏色平均但有立體感的色塊。(電腦繪圖:姚裕評)



真實3D立體影像技術


  從戴眼鏡進步到不必戴眼鏡即可在螢幕上看到3D影像,人類的慾望尚不滿足,希望更進一步讓3D影像從平面躍入立體空間,從任何角度都可以看到,有如觀賞實物(即真實3D, true 3D)。目前多以雷射投影方式顯示,顯示介質三態均可,如螢幕、水幕或直接投影於空間中。平面式顯示只需2D畫面資訊再加上深度訊息,欲達到真實3D影像首先要製作或拍攝出360度全景資訊,再將資訊分割成不同區段,以光學投影方式顯示。


  真實3D目前主要是使用「容積式(volumetric)顯示技術」,顯示器外觀像一顆具高科技感的水晶球,底座內含光學元件,外罩透明半球體外殼,中央立著一片半透明的圓盤形螢幕,全部元件以每秒15轉的轉速繞著中心軸旋轉。系統將擷取的影像資料經過繁複的數學運算後,把資料切割成198個徑向分佈區段,就像以蘋果核為中心,縱向將蘋果切成198張薄片,再經由精密設計的光學元件投射在高速旋轉的螢幕上,投影的體素(voxel,相對於2D的像素,為空間中顯示不同顏色的點)因視覺暫留而一直存在且形成立體影像,整體顯示出發亮的半透明影像。


  而全像式(hologram)顯示技術,是目前立體顯示中最為複雜的技術,主要透過干涉光的波動來記錄和重建圖像,經由雷射照射,再將反射光束分散後利用全像片(特殊光學底片)重新合併以顯示立體影像,目前仍在技術發展階段。


容積式立體顯示技術。上圖:透明的半球形外殼、半透明的螢幕和光學元件,全都以每秒鐘15轉的速度旋轉,構成立體影像。下圖:應用於電腦斷層掃描的影像資料,顯示出腦瘤核心(中央黃色菱形),以及放射線治療的可用途徑(綠色光線)。(影像來源:科學人)



柱狀透鏡陣列技術常見於日常用品


  柱狀透鏡技術最簡單基礎的應用,不一定要有立體效果,不同圖像穿插排列成一張底圖,只要此底圖與上方透鏡(用指甲刮過可感覺如同洗衣板整齊排列的溝槽)精密疊合,稍微翻轉物品便可看到原不同圖像的變換(如照片所示);若使用的底圖為大致相同但不同視角疊合的圖像,配合透鏡陣列即可呈現立體效果。因疊合後的底圖能用平面印刷出,且製作透鏡陣列技術成熟,此顯示技術常見於日常物品裝飾上,如立體貼紙、尺、卡片、磁鐵等文具用品,甚至成為廣告看板。

柱狀透鏡陣列技術應用於證件卡套的裝飾。照片中物品的透鏡陣列為橫向,折射角度為縱向,因此看不同圖像需上下翻轉。(影像來源:呂怡貞)




延伸閱讀

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〈戴上眼鏡 看進立體世界〉,呂怡貞撰文,科學 Easy Learn 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

〈最新的3D立體顯示器〉,阿爾珀特(Mark Alpert)撰文,《科學人》2003年2月號

〈目睹3D顯像〉,布朗(Stuart F. Brown)撰文,《科學人》2007年7月號

〈台灣3D顯像,眼見為憑〉,朱灼文撰文,《科學人》2007年7月號

〈擺脫眼鏡的3D影像〉,格林梅爾(Larry Greenemeier)撰文,《科學人》2011年12月號

《光電材料與顯示技術》,徐敘瑢著,五南出版

《平面顯示器之技術發展》,田民波著,五南出版



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