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各路3D显示技术卡位 市场何在?
眼镜型 vs. 裸视型

【作者: 陸向陽】2013年01月04日 星期五

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3D显示技术已愈来愈普及,许多人可以在电影院观赏3D电影,可以在家电卖场看到3D电视展示,可以看到掌上型3D电玩游戏机等。


不过,要达到3D显示效果,可以实现的技术相当多样,不同的技术有不同的优缺点,也获得不同业者的表态支持,更重要的是,技术的特性差异也影响到使用情境及推行策略。


由于实现技术多样,在此不可能详述所有技术,以下本文将以现行常见的技术进行说明,以已经商业化运用的家庭、个人市场3D技术为主,特有及专业市场则不在列,此外仍在实验室阶段的技术也暂略。


3D显示技术知多少

3D显示技术若从终端消费者观点来分别,是以「需要配戴眼镜与否」为主要分界,即一般所称的「裸视型」、「非裸视型」,裸视型目前有3种主流技术,即视差屏栅式(Parallax Barrier)、柱状透镜式(Lenticular Lens)及指向背光式(Directional Backlight)。非裸视型(或称眼镜型)则有色差眼镜式(Anaglyph 3D)、偏光眼镜式(Polarizer Glasses)及快门眼镜式(Shutter Glasses)。


若再以技术特性来分别,则分成「时间多任务」与「空间多任务」2类,前述的裸视、非裸视也可对应至2类范畴内,如快门式属时间多任务,偏光、色差式属空间多任务等。



图一 : 虽然指向光源法看似3种裸视法中最理想的作法,但技术的提出时程也最晚,目前的技术成熟度与相关验证均待进一步考验。
图一 : 虽然指向光源法看似3种裸视法中最理想的作法,但技术的提出时程也最晚,目前的技术成熟度与相关验证均待进一步考验。

眼镜型3D技术

色差眼镜式

多数人对色差眼镜式并不陌生,多年来在各种报导中均见过,即观赏者配戴一蓝、一红(也有一红、一绿)的眼镜镜片,即显示器在显示输出前将画面进行红、蓝(或绿)抖色处理,如此透过眼镜观看即可获得三维效果。


色差作法的缺点是画面已经过抖色处理,虽造就三维效果但也无法忠实呈现画面本有的颜色,使色彩较为黯淡,为此也有业者推出黄(或称琥珀、茶色)、蓝眼镜,能稍弥补此缺失,但目前未能普及。色差法虽有缺点也有优点,即眼镜实现成本低廉,只要用一般的红色、蓝色玻璃纸,搭配人人都会的剪刀浆糊劳作功夫,就可做出色差眼镜。


与其他3D实现技术相较,色差法较「古早」且效果差,但仍有大厂支持色差法,如NVIDIA在推行快门法的3D Vision后也补推出采色差法的3D Vision Discover,或Google在YouTube上也提供红蓝抖色的3D影片,观赏者可自购、自制红蓝眼镜来观看,另外Google街景地图也同样支持。


偏光眼镜式

偏光式(也称偏振式)的原理概念与色差式相类似,但将颜色的分别改成观看角度的分别,方法是在3D眼镜内加入偏光板,使观赏者的左右眼观赏角度产生视差,从而产生三维效果。偏光法其实还可以进一步区分成相位延迟、迭合偏光等差别,其中相位延迟又可再分成线性化偏光与圆极化偏光,然在此暂略说明。


在优缺点方面,偏光眼镜的成本较红蓝眼镜高,但仍比快门眼镜(将于后述)低,偏光镜片也无法由消费者自行制作,另外为营造偏光视差,必须折耗一半的显示器分辨率,降低观看质量。


目前多数电影院内均采偏光3D技术,或2010年笔电代工大厂纬创(Wistron)与DDD(Dynamic Digital Depth)公司合作(也获纬创投资),为宏碁、联想等品牌业者代工的3D笔电,即采偏光3D技术。


快门眼镜式

快门技术为3种常见的3D眼镜型技术中原理最复杂的,须先设置1个红外线信号发送器,由其发送120Hz(每秒120次)同步信号,而后快门眼镜上设有红外线信号接收器,接收到同步信号后,会将眼镜镜片上的遮光液晶交替开闭。


同时,显示器也以120Hz的频率更新画面,如此形成「当镜片的左眼开启、右眼遮蔽时,显示器显示专供左眼观看的画面。」而后再转变成左闭右开,显示器显示专攻右眼看的画面。持续快速交替的结果,从而产生3D效果。


快门手法的缺点是眼镜成本过高(推行初期达一副200美元),为了驱动镜片上的液晶开启、关闭,眼镜上必须设置小电池,以提供驱动用的电力,另也须设置红外线信号接收器,此外电池需要充电,也要设置充电连接器(一般为Micro USB埠)。


另一缺点是红外线同步信号的发射角度、距离有限制,约15英呎内,适合个人书房、家庭客厅使用,无法大范围适用(如电影院),不过业界也开始提出改良方案,以无线射频技术取代红外线,如2011年ZigBee联盟提出ZigBee 3D Sync(简称Z3S),或如NVIDIA推出3D Vision Pro,宣称同步信号可达100英呎。


再者,快门因频繁的开闭镜片,使画面亮度降低,且除了看显示画面外,对周遭的观看亮度也明显转弱,对此业界也一样有强化对策,如NVIDIA提出3D Vision 2,即将眼镜的镜片面积加大、显示器亮度提升等。


虽然快门技术获得多种修正、强化,但仍有些限制难以改善,如眼镜的价格与重量,是3种眼镜型当中最贵且最重的,贵包含驱动电路、电池、红外线接收器、充电连接器等,而这些东西附加于眼镜上自然会重。此方面的问题短期内不易客服,只能等待量价均摊效益的增强而降低价格,以及消费者对厚重眼镜的抗拒性降低等。


快门虽有缺点也有优点,优点即具有最佳的3D效果,且没有偏光的分辨率减半问题。


裸视型3D技术

视差屏栅式

屏栅式(有时也称视差屏障、视差障栅)类似偏光式,即是将1片「视差光栅」贴覆于显示器上,使原本一致向前的画面光线转变成不同的行进方向,从而到左右眼时能产生3D效果。


屏栅式的优点是可以融入现有LCD液晶显示面板的制程中,因而可以快速、低成本量产,但缺点是降低画面亮度与分辨率。在实际应用上,宏达电(HTC)的EVO 3D智能型手机,或任天堂(Nintendo)的3DS掌上型游乐器,均实行此法。


柱状透镜式

柱状透镜法也称双凸透镜法、微柱透镜法,是在显示面板上贴覆一层透光透镜,透镜的结构为许多垂直圆柱体所构成,以此改变画面光线的行进路线,进而让观看者有3D感受。


柱状透镜法的优缺点恰好与前述的屏栅法相反,柱状透镜的结构为完全透光,不似屏栅法有将部分光线遮阻,所以较无画面亮度折耗的问题,但缺点即是柱状透镜无法融入既有LCD面板制程中,现阶段较不利于低成本量产。



图二 : 指向背光式原理图,图下端左右边的黑白圆点,即指亮起与熄灭的光管,Light Guide为导光板,导光板之上为3D薄膜。(制图:CTIMES,参考数据:3M)
图二 : 指向背光式原理图,图下端左右边的黑白圆点,即指亮起与熄灭的光管,Light Guide为导光板,导光板之上为3D薄膜。(制图:CTIMES,参考数据:3M)

指向背光式

屏栅法、柱状透镜法均是利用空间差方式产生3D效果,然指向背光法则是以时间差方式产式3D效果。指向背光法是修改LCD液晶面板的背光设计,在导光板与LCD液晶面板间再放入1层3D薄膜,而导光板过往仅有1侧有光源入光,而今修改成2侧均有光源可入光,但采时间性交替入光,即左侧光源发光时,右侧光源熄灭,而后再改成左侧熄灭、右侧发光。


交替导入光源的结果,再透过3D薄膜的导光结构,就可以交替产生不同光线方向的画面,频繁交替的结果即可让观赏者感受到3D效果。


由上述特性可知,由于没有光线遮蔽,因此画面亮度的折耗也很少,类似柱状透镜,但柱状透镜也类似眼镜型的空间性偏光,画面分辨率有所折耗,相对的,指向光源法实行空间性交替,所以没有分辨率折耗的问题。同样的,指向光源法也能快速融入LCD面板制程。


虽然指向光源法看似3种裸视法中最理想的作法,但技术的提出时程也最晚,目前的技术成熟度与相关验证均待进一步考验。且值得注意的是,指向光源法倚赖3D薄膜,明尼苏达矿业(3M)公司掌握此薄膜的相关技术,专利与授权态度与否也待观察。


图三 : Google街景只要选择「3D mode on」,即出现支持色偏眼镜式的3D效果。(图片来源:maps.google.com.tw)
图三 : Google街景只要选择「3D mode on」,即出现支持色偏眼镜式的3D效果。(图片来源:maps.google.com.tw)

不同技术的应用情境

了解上述技术手法、原理后,将其对应到实际运用中可发现,个人计算机、家庭电视等多使用眼镜型3D,而手持式装置与公众场合的数字广告牌(Digital Signature)则使用裸视型3D。


为何有此差异?因为3D显示技术,仍以能全程掌控光线流程的眼镜型,其效果较能确保,裸视因环境变量多,效果相对为差。因此就理想而言,应全面推行眼镜型,但公众场合设立的电子屏幕广告牌,不可能要求路过的行人一概配戴眼镜,观看完再归还眼镜;类似的,手机、掌上电玩可在搭车、临时站立等候时使用,但随时会抽身离开,不可能会此而配戴、摘下3D眼镜。


同样的,快门3D效果虽佳,但受限于眼镜昂贵,红外线同步信号距离过短,因此仍无法应用于电影院,目前电影院多采偏光式眼镜,然未来若由观赏者带自有快门眼镜入场,且同步信号改成无线射频方式发送,则快门眼镜的电影院也可能出现。


最后,其实也牵涉到业者立场,以眼镜型而言,在宏碁(Acer)、联想(Lenovo)率先以偏光式推出3D笔电后,NVIDIA即拉拢华硕(ASUS)、东芝(Toshiba)推行快门式3D笔电,更之后东芝也裸视3D笔电,该技术甚至会运用笔电上内建的WebCam来侦测、辨识观赏者的眼睛方位,进而改变裸视的视点,以此保持较差的3D效果。


又如电视市场,日本电视业者为追求较佳的3D效果,初期以快门式技术为主,然韩国业者则尝试推行成本较低的偏光式,更之后电视业者也广泛推出各种不同实现技术的机种,包含裸视技术等。


而在技术、产业、市场外,其实消费者感受也不能忽略,3D电影因2010年阿凡达(Avatar)而红,然在一阵尝鲜热潮后,3D视觉卖点似有降温,且调查结果有7%的人在观看时出


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