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跨入裸眼3D立体影像时代
裸眼3D显示技术揭密

【作者: MIC】2013年12月23日 星期一

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在好莱坞制片商的推波助澜下,立体影像观赏热潮不仅已带动眼镜式3D TV市场成长,同时,也带领出不需佩戴特殊眼镜的裸眼式3D立体影像显示装置的开发与需求。


3D立体视觉成像原理

由于左眼瞳孔与右眼瞳孔相距约为5.0cm ~ 7.0cm,因而导致两眼视网膜所接收到的影像讯息因为视角差异而有些微不同,并且视网膜上有专司视觉讯号的细胞,包括:杆状细胞(Rods)、锥状细胞(Cones),并负责将光线的亮度、颜色等讯息转换成视神经讯息,而人脑也有融合两个不同视角影像讯息产生深度知觉之功能,因而导致人眼观看物体时会形成立体视觉效果。


立体视觉效果是由两种视差效应(Parallax Effect)所产生,包括:「两眼视差」(Binocular Parallax)与「移动视差」(Motion Parallax)。


「两眼视差」是因为两眼视角之不同导致接收到的影像讯息左眼与右眼略有差异,并且两影像经由大脑合而成为立体视觉效果。


「移动视差」则是因为观看者的移动导致视角产生变化,进而使得观看到的影像内容也随之变化,两影像经由大脑合而成为立体视觉效果。


利用两种视差效应中的任何一种,便可以让人眼在观看物体时产生立体视觉效果,若要让影像显示装置能够产生立体视觉效果,便可以借助视差技术调制光线的亮度、颜色以及方向,使得左眼与右眼接收到的影像讯息因为视角差异而形成立体视觉效果。


裸眼式3D立体影像显示技术优劣分析

3D立体影像显示技术的发展原始构想,是让左眼与右眼分别接收来自于立体影像显示装置传送给左眼与右眼的影像讯息,「裸眼式」立体影像显示装置,顾名思义就是观看者不用佩戴特殊眼镜也能够观赏立体影像视觉效果。


图一 : :此技术利用柱状透镜的聚焦与光线折射技术改变光线行进方向将光线分光,进而让影像讯息产生视差效果。
图一 : :此技术利用柱状透镜的聚焦与光线折射技术改变光线行进方向将光线分光,进而让影像讯息产生视差效果。

柱状透镜(Lenticular Lens)

此技术利用柱状透镜的聚焦与光线折射技术改变光线行进方向将光线分光,进而让影像讯息产生视差效果。柱状透镜板(Lenticular Lens Sheet)通常平贴于显示器前端,柱状透镜式立体影像显示装置技术原理为:「物体经由左右不同视角摄录影像讯息,这些影像讯息过处理后并透过柱状透镜板将左眼影像讯息与右眼影像讯息依据不同视角方向交错显示,使得左眼与右眼所接收的影像讯息产生视差效果,两影像经由大脑合而成为立体视觉效果」。


其优点在于不会影响立体显示器萤幕亮度、立体影像画面视域(Viewing Zone)较广、可同时提供多人观看、同一萤幕可进行2D/3D影像讯息切换,缺点则是柱状透镜板与显示器画素对位精准度要求极高、柱状透镜板制作成本较高、立体影像画面解析度降低影响视觉品质、立体影像画面易产生双重影像(Cross-talk)影响视觉品质、立体影像画面易产生「摩尔条纹」(Moire Pattern)影响视觉品质。


图二 : :「视差屏障」是利用透光与不透光(黑色)间隔分布的直线条纹限制光线行进方向,进而让影像讯息产生视差效果。
图二 : :「视差屏障」是利用透光与不透光(黑色)间隔分布的直线条纹限制光线行进方向,进而让影像讯息产生视差效果。

视差屏障(Parallax Barrier)

「视差屏障」是利用透光与不透光(黑色)间隔分布的直线条纹限制光线行进方向,进而让影像讯息产生视差效果。由于视差屏障有不透光的屏障(Barrier)直线条纹,此结构会降低立体显示器萤幕亮度,使得立体视觉效果受到影响。


视差屏障板(Lenticular Lens Sheet)通常平贴于显示器前端,视差屏障式立体影像显示装置技术原理为:「物体经由左右不同视角摄录影像讯息,这些影像讯息经过处理后进行等距离垂直线条状分割,然后利用插排方式将左眼影像讯息与右眼影像讯息交错显示,同时再搭配视差屏障板中透光的狭缝(Slit)与不透光的屏障(Barrier)垂直相间的光栅直线条纹,利用屏障的遮蔽作用限制左眼与右眼影像讯息接收,使得两眼接收的影像讯息产生视差效果,两影像经由大脑合而成为立体视觉效果」。


其优点在于视差屏障板制作成本较低、可同时提供多人多视角观看、同一萤幕可进行2D/3D影像讯息切换,缺点则是视差屏障板与显示器画素对位精准度要求高、视差屏障会影响立体显示器萤幕亮度、立体影像画面视域(Viewing Zone)较窄、立体影像画面解析度降低影响视觉品质、立体影像画面易产生双重影像(Cross-talk)现象影响视觉品质、立体影像画面易产生「摩尔」条纹(Moire Pattern)现象影响视觉品质。


图三: :「指向性背光」是利用特殊设计的光线分光机制,让观看者接收到的影像讯息产生视差效果。 Source:多播网
图三: :「指向性背光」是利用特殊设计的光线分光机制,让观看者接收到的影像讯息产生视差效果。 Source:多播网

指向性背光(Directional Backlight)

「指向性背光」是利用特殊设计的光线分光机制,并且指向性背光技术是在显示器背光模组中增加一片特殊的「3D Film」以及两组侧光LED光源设计,在某个时间点,左眼影像讯息投射到观看者的左眼,下个时间点,右眼影像讯息则投射到观看者的右眼,进而让观看者接收到的影像讯息产生视差效果。


指向性背光式立体影像显示装置技术原理为:「物体经由左右不同视角摄录影像讯息,这些影像讯经过处理后并经由指向性背光板将左眼影像讯息与右眼影像讯息依据不同视角方向并透过左侧LED光源与右侧LED光源交错投射显示,使得左眼与右眼接收的影像讯息产生视差效果,两影像经由大脑合而成为立体视觉效果」。


优点在于指向性背光板制作成本较低、立体影像画面解析度不变、同一萤幕可进行2D/3D影像讯息切换,缺点则是显示器需采用快速液晶与120 Hz高更新率技术致成本较高、无法提供多人多视角观看、立体影像画面视域(Viewing Zone)窄。


光场显示器(Light Field Display)

全像术(Holography)是一种利用光的干涉与绕射原理记录并重现物体真实的3D立体成像技术,全像术所呈现的立体影像不是经由平面影像合成,而是将物体的光场( Light Field)直接予以重现,像是物体构面光的反射或放射强度、光的角度等光场讯息。


因此,全像影像画面观看者没有观赏位置限制、不会产生双重影像(Cross-talk)、或是「摩尔」条纹(Morie Pattern)等造成观看者头晕目眩的负面视觉问题。


全像术是一种无须配戴眼镜的3D立体影像显示技术,而「光场显示器」则是属于全像式投影技术,是一项可以重现物体光场讯息的新兴技术。


光场显示器的技术原理为:「投影机阵列(Array of Projectors)前方配置一组特殊的微透镜板(Sheet of Microlenses),利用特殊微透镜板与投影机阵列模拟特定立体景象(Three Dimensional Scene)光场,进而让观看者透过光场显示器观赏到物体的立体影像画面」。


物体的光场讯息可以藉由光场摄影机(Light Field Camera)进行撷取,并且光场讯息可以透过光场显示器中的投影机阵列投射到微透镜板,而微透镜板上众多的微透镜( Microlens)则将光场讯息投射进观看者双眼中而感知立体影像效果。


优点在于可同时提供多人全视角观看、可产生自然的立体视觉观看效果、同一萤幕可进行2D/3D影像讯息切换,缺点则是立体影像画面空间解析度不足、立体影像讯息资料频宽要求高。



图四: :真实世界中,每一物体皆可视为由其表面无数光点所组成,如果可以在空间中重建这些光点就可以观看到物体
图四: :真实世界中,每一物体皆可视为由其表面无数光点所组成,如果可以在空间中重建这些光点就可以观看到物体

体积式显示器(Volumetric Display)

在真实世界中,每一物体皆可视为由其表面无数光点所组成,如果可以在空间中重建这些光点就可以观看到物体,「体积式显示器」就是利用上述原理重现立体影像画面。


体积式显示器的技术原理为:「利用一个快速旋转物件,包括:圆盘、螺旋盘、角椎体、…等,并藉由雷射光源投影到快速旋转物件表面时会产生散射效应,借此以扫描空间中的每一点,并且因为人眼具有视觉暂留特性因而会感知到旋转区域呈现出不同的光点与颜色,进一步让人眼观看到一物体立体影像画面的存在」。


优点在于可同时提供多人全视角观看、可产生自然的立体视觉观看效果,缺点则是立体影像画面空间解析度不足、立体影像讯息资料频宽要求高、立体影像画面普遍存在着透视现象、无法呈现出大型显示面积。


市场规模预测

资策会MIC透过国际大型展览会调查与市场通路分析,发现,相关厂商于展览会场中积极展示可搭载于Smart Phone、Game Device、Tablet PC、Notebook、Monitor、TV等各式各样应用产品的裸眼式3D立体影像显示装置,然而在市场中能够被消费者逐渐接受仅有3D Game Device,探究其得以成功站稳市场的关键因素在于相对多样化的游戏卡匣、立体视觉效果不错的视差屏障式3D立体影像显示装置。


资策会MIC推估,2011年裸眼式3D Game Device市场出货量为3.6佰万台、2012年达到13.5佰万台,年成长率273.9%,推估2016年市场出货量规模应可以成长到39.1佰万台的水准,2011~2016的年复合成长率(CAGR)应可达到61.0%。



图五 : :裸眼式3D Game Device市场规模预测 数据源:资策会MIC,2013
图五 : :裸眼式3D Game Device市场规模预测 数据源:资策会MIC,2013

技术层面追踪观测重点

从SID Display Week 2013技术论坛(2013年5月加拿大温哥华举办)中相关厂商、研究机构与大学针对3D立体影像显示技术发表的最新研发成果进行分析,发现裸眼式3D立体影像显示装置在技术层面主要开发课题为:Natural 3D Image Experience、Multiview、Liquid Crystal Lens、Liquid Crystal Barrier、Cross-talk、Tracking Technology、Rotatable View、Human Factors Effect of 3D等。


值得注意的发展趋势是,主要开发课题中占比重最高的Natural 3D Image Experience是属于全像式投影技术与体积式投影技术强调的立体影像视觉技术优势,而其他的开发课题则是属于柱状透镜式与视差屏障式3D立体影像显示装置必须解决的技术问题。


显然,不论是柱状透镜式3D立体影像显示装置、还是视差屏障式3D立体影像显示装置,仍然存在着诸多的立体影像视觉问题必须彻底解决,同时,进一步观察SID Display Week 2013技术论坛发表的最新研发成果,发现柱状透镜式与视差屏障式3D立体影像显示装置关键的技术瓶颈并没有突破,包括:Multiview与Cross-talk,开始吸引研发资源转向全像式投影技术与体积式投影技术进行开发与布局。


展望未来,裸眼式3D立体影像显示技术终极目标是要让人眼感知自然的立体影像视觉效果,届时当能够使得裸眼式3D立体影像显示装置应用领域与市场接受度大为扩展与提升。


(本文作者陈赐贤资策会MIC资深产业分析师)


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