相较于2D显示，3D显示多了一维深度的视觉，优于2D显示所能提供的逼真感受与刺激。 3D电影是3D显示最早也最普遍的应用，在CRT萤幕时代，3D显示也应用在一些特殊用途，例如科学研究、工业设计及医学影像。不过随着高画质数位平面显示技术的发展，大幅改善了3D显示效果，眼镜式或裸眼式3D显示应用，逐渐试探性地在资通讯及消费性电子市场上出现。

3D电影崛起

近年来3D电影技术精进，虽然仍必须借助特殊眼镜，但是视觉不适的情形已大幅降低，而且，所发行的3D电影比2D电影卖座，营收大于2D电影数倍，加上3D内容盗拍不易，更能带来一些新卖点与新产品应用契机，因此美国八大影业纷纷投入拍摄3D电影，不仅投资在拍摄设备，而且在放映电影院的建设投资数量上也愈来愈多，将3D电影的拍制列为今后电影产业发展的重点。

3D立体显示标准水到渠成

全球产业推动方面，电影电视工业标准组织SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers）已于2008年特别成立3D Home Display Formats Task Force，正式开始着手订定3D立体内容制作标准，以加速家用3D显示应用。而国际显示器量测委员会ICDM（International Committee for Display Metrology）也会在2009年出版的显示器量测标准DMS v3.0中，将3D显示器标准涵盖进来。

3D显示消费电子应用方兴未艾

至于3D显示在消费性电子产品的应用，各国际大厂亦在世界各地的消费性电子展中陆续展出。由于看好3D显示在消费性电子产品所带动的商机，美国的消费性电子产品协会CEA（Consumer Electronics Association）也开始投入标准规范的制订。此外，蓝光光碟协会BDA（Blu-ray Disc Association）也已宣告将3D列入规格。

《图一　已发行与预定发行之3D电影》

3D显示技术应用开始分流

3D显示技术的应用非常广范及多元，由于3D电玩及3D电影内容较成熟，眼镜式3D显示预期将会最先进入家庭。裸眼式3D显示由于效果仍不如眼镜式3D显示，短期内的应用发展将会偏重在利基市场，尤其是像小型个人资通讯产品或大型公众广告方面的应用，例如3D数位相框、3D数位相机、3D手机及3D数位看板等。不过以目前技术在产品应用推动上所得到的调查，3D效果、视觉舒适性及杀手级的3D应用，将是决定市场是否快速发展的关键因素，未来技术改善也需面对相同挑战。

《图二　3D显示技术的应用》

3D显示技术

3D显示技术原理

在1838年，英国发明家Charles Wheatstone发现人类眼睛各别观看略有不同视角内容的图像，经由大脑的组合与解析会产生立体感，这种差异，让一个人从两个二维照片看到三维图像（立体图）。 170年来，人类就根据左右眼视差的原理，发展了各种3D显示的方法。

眼镜式3D显示技术

3D显示分成眼镜式及裸眼式两类，眼镜式依眼镜的不同又分为被动式眼镜（Passive Glasses）与主动式眼镜（Active Glasses）3D显示技术。被动式眼镜3D显示技术，依左右眼影像分离所采用的光学方法，有偏振滤光（Polarization）及光谱滤波（Spectral Filters）两种。另外，眼镜式3D显示技术依影像显示方法，又可分出时间依序（Time Sequential）、空间分隔（Spatial Separation）与同位图像（Co-Located Pixels）三种。

《图三　立体视觉（a）影像突出萤幕（b）影像朝萤幕内延伸》

三种主要影像显示方法

时间依序是将影像一左一右依序显示，所以显示器的画面频率至少要图框频率（Frame Rate)）的两倍（120Hz），配合主动式快门眼镜将左右眼影像分开给各别眼睛。空间分隔是将左右眼影像在显示图框上依奇数列与偶数列垂直穿插排列方式，或是在显示图框每一列依左右眼影像水平画素穿插排列，再配合微位相差膜（Microretarder）及被动式偏振眼镜将左右眼影像分开给左右眼睛。空间分隔左右眼影像垂直（或水平）解析度只有2D显示的一半。同位图像是将左右眼影像同时间重叠显示，左右眼影像在光学上利用偏振滤光或光谱滤波方法将影像分离，同位图像方法可以做到全画面解析度3D显示，影像图框频率与2D显示相同。

《图四　3D显示技术分类树状示意表》

《图五　时间依序显示方法示意图》

《图六　空间分隔显示方法示意图》

被动式眼镜3D显示技术应用

目前3D显示技术应用在3D电影所采用的技术有双投影机的同位图像偏振滤光或光谱滤波，以及单投影机时间依序偏振滤光或光谱滤波。单投影机偏振滤光是在投影机镜头前加装一片与投影机同步的快门式偏振滤光片（Z-Screen），为降低画面闪烁，作法上会将左右眼影像同一图框显示两次，总频率达4倍；因图框频率高，所以采用DLP影像显示技术。

主动式眼镜3D显示技术应用

主动式眼镜技术主要是快门式偏振眼镜，搭配时间依序3D显示器，眼镜左右眼交替开关与萤幕同步，同样由于显示图框频率速度的要求，以往都是搭配DLP或PDP显示器技术。 LCD 3D显示早先以空间分隔搭配被动式偏振眼镜为主，随着LCD面板图像更新率（Refresh Rate）的提升，时间依序偏振滤光因有全画面解析度3D的优点，LCD以时间依序搭配快门式偏振眼镜也普遍被看好，目前有国际绘图晶片大厂nVidia将此技术推动在电脑3D显示的应用。不过相较于被动式偏振眼镜3D显示的方式，主动式眼镜3D显示所用的快门式偏振眼镜价格高，仍有待降低成本。

裸眼式3D显示技术

裸眼式3D显示有2D显示使用上同样的方便性，是3D显示发展的终极目标。目前所看到的裸眼式3D显示技术包括柱状透镜式（Lenticular Plate）、视差光栅式（Parallax Barrier）、自动观者追迹式（Auto Viewer-Tracking）、空间体积式（Volumetric）及全像式（Holographic）。

一般柱状透镜式及视差光栅式

柱状透镜式及视差光栅式技术已经普遍应用在裸眼式多视角平面3D显示器，也是目前使用较普遍的技术。柱状透镜或视差光栅裸眼式3D显示可以是两个视角（Two-view）或多视角（Multi-view）的设计，其技术原理是利用柱状透镜折射或利用光栅屏幕遮掩影像显示板上由多个不同视角影像交错组成的影像，让各个视角影像投射在空间中，相临视角影像依序展开，观者在适当距离左右眼各收视到相临视角影像，视觉上产生3D影像效果。柱状透镜式光通效率高（大于80％），相较于视差光栅式有较佳的亮度（视视角数及光栅宽度而定），不过技术难度及制作成本高。

斜向柱状透镜式及斜向视差光栅式

传统直式柱状透镜及直式视差光栅屏幕多视角​​3D显示技术，因会大幅降低3D影像水平方向解析度，3D影像只有全画面解析度的1/N（N为视角数）。于是有斜向柱状透镜式（Slanted Lenticular Plate）及斜向视差光栅式（Slanted Parallax Barrier）的技术产生，此技术可将解析度降低的比例适当分配在垂直及水平方向，以提高整体3D影像的画质。以上两种技术各有多家厂商使用，尤其是斜向视差光栅式技术，制作简单且成本低，从3D手机、3D数位相框等小型产品到多人观看的大型3D数位看板都有产品应用推出。

《图七　两个视角及多个视角3D影像》

《图八　柱状透镜多视角3D显示原理》

《图九　视差光栅多视角3D显示原理》

《图十 (a)斜向柱状透镜;(b)斜像视差光栅》

自动观者追迹式

自动观者追迹式3D显示技术，结合摄影机追踪观者眼睛来自动动态调整左右眼影像视角以跟随人眼位置，由于只产生两个视角，可提供较好的3D解析度，适合单人使用，较偏重在特定专业应用上，目前研发以SeeReal Technologies公司最具代表性。

空间体积式

上述眼镜式或裸眼式3D显示技术都是以平面萤幕依两眼视差原理让视觉感知3D的立体影像，3D显示最多就是在萤幕前180度的范围，我们将其称为平面式3D立体影像。而空间体积式3D显示及全像式3D显示技术，则是以光学的方法在空间中产生3D影像，视觉类同具体存在的3D物体，我们将其称为为空间式3D立体影像。空间式3D立体影像需要的资料量庞大且需要高速的影像处理，相对技术难度高很多。

空间体积式3D通常是以360度环绕中心投射及反射影像技术，利用人眼视觉暂留的特性，观者可看到360度具体3D立体影像。此技术通常需要运用快速360度旋转的机械动作，机械旋转所产生的振动与噪音，以及中心轴的稳定度，都是需克服的技术问题，由于机械结构的关系，此技术也不易做到大的3D影像显示。

空间体积式3D技术，比较有名的有美国Actuality Systems公司所发展的Perspecta Volumetric 3D Display产品，目前应用在医学影像及石油探勘地质影像方面，此外最近也看到有其它公司将其应用在商展上，运用此技术呈现展品。

《图十一　Perspecta Volumetric 3D Display（Actuality Systems Inc.）》

全像式

至于全像式3D显示技术，虽然可以提供较理想的3D视觉效果，国际上有很多研究机构在发展，不过由于技术难度甚高，仍属实验室研发阶段。据了解，日本正发展以全像式3D显示为核心的高拟真通讯技术，预定产品化时间为2025年。

工研院发展3D显示技术之成果

微位相差膜

微位相差膜（Microretarder）是将相位延迟膜（Phase Retarder Film）经过加工处理，形成相位延迟0度及180度（λ/ 2）水平或垂直间隔交错的条纹图案（Stripe Pattern），以空间分隔对应左右眼影像，配合被动式偏振眼镜，呈现3D的视觉效果。

以往此加工制作为化学制程，工研院的微位相差膜技术专利，是以雷射加工制程取代化学制程，利用雷射能量将180度的相位转化成0度，此技术所采用的设备简单，装设容易，成本低，弹性易扩充，还兼顾环保，目前此技术已移转给奇美电子。

微位相差膜使用上可以是外贴于显示器萤幕，不过此方式的垂直（或水平；视条纹图案方向而定）方向3D可视范围较窄，改善的方法为将微位相差膜移入面板内层（In-Cell），成为面板制程的一道程序，技术上可做到。

《图十二　微位相差膜在空间分隔的应用》

《图十三　工研院微位相差膜雷射制程技术》

2D/3D模式切换

工研院在多视角3D显示技术，以发展2D/3D模式可切换之斜向视差光栅式多视角3D显示技术为重点。裸眼式多视角3D显示技术之3D影像解析度随影像视角数增​​加而等比例降低，导致文字严重模糊不清，另外应用上相对于2D影像内容，也必须考虑到2D显示的相容性问题。因此2D/3D模式切换技术应用上，可经由系统就2D文字与3D影像内容及其显示区域范围，以全部或局部区域2D/3D模式的切换，产生最适当的呈现。

工研院所开发的2D/3D模式切换技术，其技术要点为在背光板与液晶面板间加上微位相差膜及电控高分子分散液晶（Polymer-Dispersed Liquid Crystals；PDLC）层，利用微位相差膜偏光的特性当做视差光栅，搭配电控高分子分散液晶的可控制光学散射特性，产生2D/3D模式切换的效果，可以依应用需要做到全部或局部区域2D/3D切换。由于微位相差膜与电控高分子分散液晶层会明显造成不同模式下亮度差异，技术上必须针对此问题改善。

《图十四　局部区域2D/3D画面显示》

《图十五　全部或局部区域2D/3D模式切换技术显示器结构》

高画质宽视域3D显示

多视角3D显示虽然可以将柱状透镜及视差光栅以斜向方式设计来改善3D画面的画质，但终究整体3D的解析度仍是以视角数比例减少，在思考如何增加3D解析度，可以从增加整个萤幕的总画素下手。

比如以2K（1920×1080）的显示面板，在9-view的多视角3D显示时，以斜向设计，3D解析度只有640×360，但若采用4K（3840×2160）的显示面板，则3D解析度提高为1280×720。另外若要提高3D的视域，就必须增加视角数（View Number），不过若只单纯增加视角数则又会影响到3D解析度，所以必须要有不同的作法。

为解决目前多视角3D显示的问题，工研院研发集积式微投影（Integrated Screen；iScreen）3D显示技术，类似现有2D电视墙的方式，以微投影机阵列组成超高画素数显示萤幕，采用柱状透镜设计多视角3D显示。由于画素数增加，视角数／视域及3D影像解析度均可有效提升。此方式可以做成微投影模组，易于组成大尺寸3D显示器。这技术的困难度在各个微投影模组的误差控制及调整，以及相临投影影像间的衔接。

另外，为了提高多视角3D显示的影像视角数及3D影像解析度，结合空间分隔及时间依序之时空混合式（Spatial-Temporal Multiplexing）的超多视角（Super Multi-view）3D显示技术也是工研院前瞻技术研发的方向。

《图十六　工研院集积式微投影3D显示技术系统结构》

《图十七　工研院集积式微投影3D显示画面》

3D内容产生技术革新

3D显示技术已进入应用的阶段，3D内容来源是后续应用是否普及的关键因素，未来除了3D电影家用版的发行可有效刺激3D显示应用产品的开发，数位相机或相机手机加入3D拍照功能，或是提供2D转3D功能，也将是未来相机的趋势。 3D拍照一般采用双镜头取像，工研院针对3D相机已开发双镜头立体拍摄技术，技术中包括双镜头自动同步取像及X-Y空间图像校正。

另外制作3D内容最直接的做法就是将为数众多的2D影像转成3D影像，这个技术的困难度甚高。基本上要产生视觉上可见的3D影像，必须要有左右眼视差的两个影像，2D影像内容不具备各景物深度位置的资料，所以如何将2D转3D，最关键技术就是如何分析及判别景物的相对深度关系，找出2D影像的正确深度图（Depth Map）。工研院目前已开发出能将2D照片转成3D照片、及2D影片转成3D影片的技术，技术上可以做到自动2D转3D，整体3D显示效果已达国际水准。此技术可以运用在眼镜式3D内容及裸眼式多视角3D内容的产生，目前极力推动在3D数位相框、3D PC/NB、3D影音播放机及3D数位看板的应用。

《图十八　工研院2D转3D技术示意图》

结语

3D显示已是继高画质数位影像，成为产业应用发展的目标，未来除了将从3D电影往家用3D影音发展，资通讯及商业广告也将是3D显示技术相当具潜力的应用方向。裸眼式3D显示技术仍是3D显示的终极目标，3D画质及视觉人因技术问题待克服，在政府科专计画的支持下，工研院研发团队累积相当多技术发展成果及经验，未来将继续朝此方向发展，祈能展现高拟真3D影像显示技术成果，带动及协助台湾3D显示及3D内容产业的发展。

（本文作者为工研院电光所立体影像系统组专案经理）

＜参考资料：

1.3D互动影像显示产业联盟(3DIDA) “3D互动立体影像产业技术白皮书”, 2008。

2.Insight Media “ 3D Television : An Analysis of Technologies, Suppliers and Market Prospects”, 2008。

3.Fujiwara-Rothchild, Ltd “3Dの新たな波と将来像”, 2009＞