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3D立體顯示技術應用破繭而出!
感受逼真如自然的影像

【作者: 鍾榮峯】   2009年11月12日 星期四

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3D立體顯示應用破繭而出


人眼所看到的自然世界本來就是3D視覺的世界,因此如何讓消費者看到逼真如自然世界的影像顯示畫質,一直都是顯示產業與研究單位持續不斷努力的重點。在技術不斷成熟下,今年3D立體影像顯示應用陸續破繭而出,3D電視結合高解析平面數位電視,成為電視品牌大廠的行銷重點;好萊塢的3D電影特效也已在全球各地影迷心中擴散,影視集團對於3D衛星電視頻道也躍躍欲試,3D顯示熱潮正逐漸擴散開來了。



3D面板和相關光學元件技術也正快速成長當中。友達光電、奇美電子、中華映管等面板廠商、3M等光學元件廠商以及工研院電光所等研究機構均積極投入研發3D顯示技術,相關成果也陸續在各類光電展展出。10月底在日本橫濱舉辦的光電展上,友達光電和華映便展示一系列3D顯示技術產品。華映展示應用在小尺寸手機面板上的液晶透鏡3D顯示技術、應用在筆電和大尺寸電視的光屏障式3D顯示技術,以及配戴眼鏡式Shuttle glasses 3D顯示樣品。友達光電則展示46吋和8吋以柱狀透鏡式技術為基礎的3D顯示樣品、應用在65吋顯示面板的2D/3D切換顯示技術、以及採用友達3D面板的小尺寸數位相框。奇美電子則展示結合3D立體顯示與多點觸控功能之27吋高畫質120Hz液晶顯示面板。



《圖一 華映在日本橫濱光電展所展示應用在37吋液晶電視的光屏障式3D顯示技術》


首波3D顯示應用接踵而來


市場一般認為,動畫和電玩遊戲的3D顯示應用已經成熟,TV會是另一波應用契機。市調機構Display Bank便預測,到2015年3D顯示器市場規模將達到158億美元,年成長率可高達95%;而3D顯示技術在整體顯示器市場的佔有率,也將從目前的千分之一成長到9.2%。現在市場上不僅有3D立體電視出現,3D數位相機也已開始亮相,3D數位相框和支援3D影像的行動裝置也準備就緒。3D立體監視器和3D數位電子看板蓄勢待發,筆電、PS3遊戲機和藍光(Blu-Ray)播放機都將支援3D影像檔案,英美日等國也正在推動3D電視頻道的試播作業。



華映研發中心副總經理陳光郎表示,數位相框、數位相機、電玩遊戲和家庭劇院,會是短期內3D顯示應用的主要領域。3D相片沖印服務會刺激3D數位相框的成長,而3D數位相機的兩組攝像鏡頭設計,則可進一步提供千變萬化的額外附加功能,提高3D數位相機的附加價值,也會順勢帶動3D數位相框的成長。至於電玩遊戲領域,陳光郎指出,其實Wintel已經將3D核心支援架構弄好,現在只是缺少3D顯示螢幕支援。



高畫質3D顯示應用勢在必行


工研院電光所立體影像系統組組長鄭尊仁博士則認為,未來平面顯示產業的技術趨勢,將以超高畫質(UHD)和3D顯示為主。這時,液晶反應速度要跟得上前述顯示應用要求,影像資料進入面板的時間,便攸關液晶面板能否有效反應超高畫質和3D顯示品質的重要關鍵。這也將具體代表液晶面板廠商研發能力的指標和完整性。



《圖二 友達光電顯示器技術研發Cell技術處處長廖唯倫(右)與友達光電Cell製程開發處液晶技術部副理陳昭遠》


3D影像技術各執擅長


友達光電顯示器技術研發Cell技術處處長廖唯倫表示,顯示螢幕要讓人眼感受到逼真的3D影像,主要是讓左右眼各自接收到準確的光訊號,經由大腦合成3D視覺效果。面板廠商開發3D技術最重要的核心,便是利用光學設計將3D顯示光源分別準確地投射至左右眼,彼此不能有干擾,避免crosstalk問題,藉此進一步使人眼接收3D訊號時,不會突兀而舒暢,降低人眼接收3D影像在視覺上的不適與疲勞感,而讓3D感覺更為貼近自然。



目前主要3D顯示技術可分為配戴眼鏡式和裸眼式兩種,前者包含電子式快門眼鏡(Shutter Glasses)和偏振(Polarization)技術,後者以光屏障式(Barrier)和柱狀透鏡(Lenticular)技術為核心。



配戴眼鏡式3D顯示技術


技術原理


Shutter Glasses是利用時間分割方式,在某一時間點將影像一左一右投射單眼、另一眼則不投射來依序顯示,配合人眼視覺暫留的特性產生3D視覺效果。顯示器的畫面頻率至少要60Hz圖框頻率(Frame Rate)的2倍,配合電子快門眼鏡將左右眼影像分開給各別眼睛。偏振則是利用空間分割方式,將左右眼影像在顯示圖框上依奇數列與偶數列垂直穿插排列方式,或是在顯示圖框每一列依左右眼影像水平畫素穿插排列,以某一局部投射左眼、某一局部投射右眼的顯示方式,用偏振眼鏡來過濾左右眼的光源訊號來產生3D視覺效果。



Shutter Glasses的成本較高,利用時間分割方式的問題在於眼鏡需要另一組零件投射光源,因此重量也較重。空間分割方式由於同時以偏振方式各別交替投射3D影像於左右眼,空間分隔左右眼垂直(或水平)影像,螢幕偏極光線條只有一半,因此解析度也會下降一半。



《圖三 中華映管研發中心副總經理陳光郎》


系統設計需周全考量


友達光電在此領域同時開發兩種技術,華映則是以Shutter Glasses為主,其他部分則自身開發的微位相差膜(Microretardation)技術為基礎。陳光郎表示,Shutter Glasses的難處在於顯示頻率速度要比傳統TFT顯示器快上一倍,在充電速度、液晶反應速度、電路頻寬等設計上更為複雜,甚至在TFT結構設計上也會大不相同。而空間分割的微位相差膜在解析度上會比Shutter Glasses大上一倍,但其難度在於在製程上如何內嵌(in-cell)到面板裡,因為做到面板外會有視角上的問題。



配戴眼鏡式3D應用站穩根基


廖唯倫表示,配戴眼鏡式3D顯示技術相對而言較為成熟,所呈現的3D影像效果也比較好,從製造、結構、內容等觀點來看,配戴眼鏡式3D顯示比較容易作,格式標準也較易實現統一。鄭尊仁則指出,配戴眼鏡式3D影像內容的製作,比較能夠控制3D影像品質,可控制觀看者沒有看到的角度,3D內容亦無須考量太多視角問題。陳光郎則進一步表示,現在業界有個不成文的規定,就是3D技術最起碼單眼必須達到高解析視訊效果,以及滿足每秒60張圖幅頻率(60Hz)的反應速度。目前能夠滿足這樣要求的也只有配戴眼鏡式3D顯示技術。



因此業界普遍認為,在家庭劇院或是3D電視領域,特別是在電玩遊戲應用,配戴眼鏡式3D顯示技術應用依舊站穩根基。不過哪種規格會勝出還不一定,兩種技術優缺點兼具,市場普遍認為這兩種技術彼此競爭激烈,但短期內仍會共存,長期來看兩者會漸漸朝向統一規格方向發展。



《圖四 3D立體顯示與多點觸控技術面板操作示意圖 》

資料來源:奇美電子


裸眼式3D顯示技術


技術原理


裸眼式3D技術除了光屏障式(Barrier)和柱狀透鏡(Lenticular)之外,液晶透鏡式和指向背光(directional backlight)技術也開始脫穎而出。一般的柱狀透鏡或光屏障式裸眼式3D顯示,以是兩視域(Two-view)或多視域(Multi-view)的設計為基礎,利用柱狀透鏡凹凸光曲折或利用光屏障遮掩交錯影像方式,在不同空間不同角度來傳遞左右眼不同的影像訊號,在視覺上產生3D影像效果。裸眼式3D影像內容的各種偏角度都需要顧及3D視覺效果,因此需要多視角設計,相關3D內容控制變數就會變多,需要進行複雜的後製才能呈現多角度3D視覺效果,顯示晶片的演算法設計也就比較繁複。



光屏障式(Barrier)


友達光電顯示器技術研發Cell技術處處長廖唯倫表示,友達光電目前便以光屏障式技術作為3D顯示面板的技術基礎,因為Barrier技術與既有的LCD製程相容,因此在量產性和成本上較具優勢。不過廖唯倫和陳光郎不約而同地指出,Barrier技術除了有多視角解析度下降的問題外,因為採取光屏障遮掩交錯影像的方式,透光性也會相對不足,應用面也受到侷限。例如陳光郎便指出,Barrier技術就不太適合應用在手機3D顯示螢幕,其遮光衰減特性會影響手機螢幕亮度。



針對上述課題,友達光電也是藉由提供更高解析度的面板、搭配革新畫素排列設計,讓觀看者所感受的解析度降低幅度不會那麼明顯。此外在提高Barrier技術亮度部分,廖唯倫特別強調,友達光電已開發出獨家專利設計,藉由把Barrier元件做到背光後面的方式,能更有效地回收光源,回收率多出60%,可明顯提高Barrier顯示的亮度。這款革新專利已應用在65吋的3D顯示螢幕樣品上。



柱狀透鏡式(Lenticular)


廖唯倫另特別強調,柱狀透鏡3D顯示技術要比Barrier來的好,透光性也較高,由於採用透鏡折射方式呈現3D效果,因此不會有光效率過低的問題。但是缺點除了解析度還是會下降之外,相關製造與既有LCD製程則不相容,機台、材料、製造都需要開發額外的產線,成本較高,量產性不夠,是影響此技術能否為市場接受的最大難題。



現在額外開發的柱狀透鏡尺寸需要,依據機台設備及應用而定。柱狀透鏡元件架構各家也紛紛殊異。不過大體而言,柱狀透鏡精度設計要求很高。在這方面工研院已有明顯成果,工研院電光所立體影像系統組鄭尊仁組長便指出,電光所在光學鏡面設計上已開發出自有專利,可改變鏡面介質係數,並且也開發出2D/3D切換技術。若不採用切換技術,柱狀透鏡3D顯示技術便可直接應用在數位看板領域。



友達光電則是自行設計開發柱狀透鏡相關光學參數和透鏡形狀,擁有相關重要核心專利。廖唯倫強調,友達光電在透鏡3D顯示技術的製造量產部分已具有獨家專利,接近量產水準,能有效提高良率並降低成本。廖唯倫特別表示,友達光電未來看好柱狀透鏡式3D顯示技術的市場應用潛力,也積極朝向此領域發展,至於哪種技術最終勝出,還是要端賴市場的選擇。



《圖五 華映衍生開發可應用在小尺寸行動裝置的3D液晶透視技術》


液晶透鏡技術


有別於友達的柱狀透鏡3D顯示技術,華映則以液晶透鏡技術為基礎,延伸開發應用在裸眼式3D領域。華映研發中心副總經理陳光郎表示,以往用模造鏡面方式為基礎的柱狀透鏡技術,在2D/3D切換上較為困難,華映則採用液晶透鏡式技術,無須採用模造透鏡的處理方式,以既有的LCD製程便可製造,一方面可達到柱狀透鏡式的顯示效果,一方面又可滿足2D/3D轉換的應用需求。如何設計相關液晶透鏡,華映已自力開發出相關技術,目前華映先將此技術應用在小尺寸手機3D面板上,並已在日本橫濱光電展會上展示。



陳光郎並進一步認為,由於3D顯示技術應用量還不夠大,因此模造鏡面的模具成本相對較高,當市場量夠大時,成本問題不見得是阻礙柱狀透鏡應用的主要因素。況且精密光學的技術仍不斷成長當中,足以克服目前的技術限制。陳光郎指出,模造鏡片3D顯示最大的應用市場,會是在3D數位相機和數位相框領域,若要沖洗3D相片,則可在相片上貼層柱狀顯示膜片即可,目前FujiFilm便已有相關技術可支援。當液晶透鏡式的製造成本可為市場接受、透光性條件又較佳的情況下,陳光郎樂觀預估液晶透鏡技術將會取代Barrier技術。



指向背光技術


另一方面,3M則是推出自行開發指向背光(directional backlight)技術,並以裸眼式3D技術作為最主要的開發對象。



3M顯示光學產品事業群技術經理陳君杰表示,指向背光技術是搭配兩組LED,配合快速反應的LCD面板和驅動方法,讓3D內容以排序(sequential)方式進入觀看者的左右眼互換影像產生視差,進而讓人眼感受到3D立體效果。陳君杰指出,指向背光技術不會影響3D影像的解析度,透光率也能維持,也不會影響既有的設計架構,還可以簡化背光模組的薄膜材質,在3D影像效果上幾可媲美配戴眼鏡式3D顯示技術。



《圖六 3M顯示光學產品事業群技術經理陳君杰》


陳君杰強調,指向背光技術便是利用背光模組在LED的設計,3D光源藉由序列式方式打出,配合反應快速的面板顯示影像,利用光學設計將3D顯示光源分別準確地投射至左右眼,互相交替造成視差而產生3D效果。其中的技術關鍵便在於採用3M自身所開發的光學膜(optical film),藉由光學膜來達到準確投射3D光源於左右眼。



陳君杰認為,指向背光技術將成為裸眼式3D技術的主流之一,但各類技術仍會同時並存。指向背光技術應用在小尺寸和大尺寸上的基本架構大致相同,不過導光板厚度及相關設計會有所不同,光學膜也有相適應的搭配性。陳君杰表示,指向背光3D顯示技術主要將以小尺寸3D顯示螢幕、遊戲機、數位相機、數位相框和其他手持式裝置為主要應用領域。3M目前並沒有計劃要介入諸如3D電視等大尺寸3D顯示應用。在10月中旬於南韓所舉辦的電子展(Korea Electronics Show)上,3M已展示此款3D顯示技術應用在行動裝置的成果。



尋求多視角與解析度平衡非常關鍵


陳光郎表示,裸眼式3D顯示技術的問題在於若視角越多,解析度就會跟著下降;viewing position freedom愈大,視點數就會變多,而解析度就會降低。廖唯倫也指出,裸眼式3D技術需要進一步設計多個視角,才能讓觀看者從不同角度感受更好的3D影像品質,因此裸眼式3D顯示便需要設計更多的視點,但視點多時影像解析度也會因此下降。



如果裸眼式3D顯示需要達到更高解析度的影像要求,原始解析度就必須也隨之提高4倍(1080p×2及1920p×2的解析度),因此面板廠商通常會藉由提供更高解析度的面板、搭配革新畫素排列設計,來提升裸眼式3D顯示技術的高解析度設計要求。



《圖七 3M所開發主要以小尺寸3D顯示螢幕為應用的指向背光3D顯示技術》


裸眼式3D技術應用將成為主流


廖唯倫認為,若要讓消費者習慣裸眼式3D顯示效果,技術上要讓其效果趨近於戴眼鏡的3D顯示效果。長期來看,市場預估大概在2014~2015年,裸眼式3D技術應用將成為主流,業界也看好其在諸如手機、其他可攜式裝置、數位相機、數位相框以及數位電子看板等的發展潛力,友達光電也希望朝向裸眼式3D顯示技術應用為主。3M顯示光學產品事業群技術經理陳君杰表示,小尺寸3D顯示螢幕、遊戲機、數位相機、數位相框和其他手持式裝置等應用領域,都不太適合採用配戴眼鏡的3D顯示技術,上述應用也是3M積極推動3D顯示技術的主要領域,不過在手機領域的3D顯示應用是否會成為必備功能,陳君杰的看法則相對審慎。



革新多視域設計


前面已提到,不論是光屏障式還是柱狀透鏡式的裸眼式3D顯示技術,都是需要多視角設計來達到3D顯示效果。但若視角越多,解析度就會跟著下降,越多視角需要考量的人因設計變數和複雜度也會提高。目前工研院電光所研發的超多視域(Super Multi-View)技術,可提供多達9個視角的3D顯示影像效果,能讓觀看者在更多角度範圍內感受到3D影像,提高3D視域。3M顯示光學產品事業群技術經理陳君杰則表示,多視域設計在視點和視點之間會產生類似灰色地帶的界線,這會讓觀看者在久視3D影像後產生些許不適感。3M在3D視域設計上,則有別於多視域設計,規劃正向角度的視區(viewing zone),超出此範圍便呈現2D影像效果,可進一步提升3D顯示觀看品質。



《圖八 工研院電光所立體影像系統組組長鄭尊仁博士》


2D/3D切換顯示技術不可或缺


另一方面,由於2D文字和3D影像同時並存的應用情境常常出現,例如消費者用行動裝置瀏覽網頁,因此在特定局部範圍內顯示3D立體影像效果非常重要。此外,2D和3D顯示應用也需要並存,才可讓消費者可隨時切換觀看,因此2D和3D全局顯示切換技術也非常關鍵。華映研發中心副總經理陳光郎便指出,家庭劇院顯示螢幕一定要具備2D/3D轉換技術,因為消費者不會一直注視著3D影像,2D/3D切換技術對於3D影像顯示應用的普及化來說,便具有不可或缺的重要性。



在這部分,華映進一步開發3D顯示引擎方案,藉由軟體支援和real time ASIC設計,提供2D轉3D的影像格式,以及不同3D影像格式的前置處理內容。工研院也開發出可動態且局部顯示區域2D/3D模式切換的立體顯示器技術,工研院電光所立體影像系統組組長鄭尊仁表示,工研院在2D/3D切換與同步顯示技術上不斷革新,已經開發出以光屏障式技術為基礎的2D/3D切換技術,可以在局部範圍內顯示3D立體影像效果,而其他部分則同步呈現2D顯示,有助於2D文字和3D影像同步顯示時的效果。此外,工研院電光所也針對3D相機開發雙鏡頭立體拍攝技術,並且也開發出能將2D照片轉成3D照片、以及把2D影片轉成3D影片的技術。



3D顯示軟硬體設計需同步進行


陳君杰和鄭尊仁都認為,3D顯示技術是必定要走的路。不過除了硬體之外,軟體的設計搭配整合也必須同步進行。鄭尊仁特別指出,短期內3D資料儲存格式將會處於百家爭鳴的狀態,規格不一定能夠統一。簡單來說,投射至左右眼的兩張3D影片,儲存格式究竟為左右還是上下擺放,資料儲存格式就不盡相同;3D內容的畫素排列方式,規格也各有殊異,支援與辨識各種3D影像內容和儲存格式的軟硬體設計就非常重要。因此3D顯示播放器在軟硬體設計上,可能如同電信規格在介面部分宣告設計一般,應會朝向辨識不同顯示規格的介面設計為核心。



陳光郎也同意並行開發3D軟體內容的重要性,華映目前便協助B2B封閉系統應用轉換3D繪圖軟體輸出到3D顯示器的設計,搭配多視域技術的研發作業。另外華映透過Wintel平台協助客戶開發電玩遊戲軟體,與nVIDIA合作3D LCD模組和繪圖晶片,建立明確的垂直分工架構。同時華映也與德國軟體廠商和台大資工系三方合作,開發3D內容播放軟體平台,並製造中國廠商佈建3D沖印店和3D數位相機所需的3D面板,積極佈建3D顯示軟硬體分工合作架構。



《圖九 工研院所開發可應用在56吋大螢幕的3D顯示技術 》

資料來源:工研院


加快步伐催生3D顯示軟硬體產業架構


3D顯示產業垂直整合不易,如何架構完整的3D顯示系統價值鏈,並非易事。除了技術之外,3D視訊內容還不夠普及,也會影響3D技術應用的普及化。3D內容也需一併成長,才能整體帶動3D產業。鄭尊仁表示,台灣可發揮面板OEM代工生產基地的既有優勢,進一步努力加強推播3D頻道,持續擴大播映3D內容,應可仿效日、韓、英等國建立3D試播台,培養3D影像專業技術人才,營造3D內容播放的成熟環境,建立觀眾觀看的使用習慣,並結合經濟部技術處力量推動3D技術產業化,才會有助於3D顯示技術應用的普及度。



工研院電光所參與主導的3D互動影像顯示產業聯盟(3D IDA),便是扮演這樣的角色。目前廣達也已經明確表態加入3D IDA,而3D IDA旗下的立體顯示量測標準小組,已經提交3D顯示量測規格標準書給ICDM(International Committee for Display Metrology),作為ICDM擬發行的DMS(Display Measurement Standard)標準參考,這也將有助於台灣在全球3D顯示量測標準的發言地位。鄭尊仁認為,未來3D IDA應擴大邀請系統、零件和經營電視台頻道的廠商與會員加入,3D IDA的代表性應更為充實完整,才能有效協助推動台灣3D顯示產業的發展藍圖。



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