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跨入裸眼3D立體影像時代
裸眼3D顯示技術揭密

【作者: MIC】   2013年12月23日 星期一

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在好萊塢製片商的推波助瀾下,立體影像觀賞熱潮不僅已帶動眼鏡式3D TV市場成長,同時,也帶領出不需佩戴特殊眼鏡的裸眼式3D立體影像顯示裝置的開發與需求。


3D立體視覺成像原理

由於左眼瞳孔與右眼瞳孔相距約為5.0cm ~ 7.0cm,因而導致兩眼視網膜所接收到的影像訊息因為視角差異而有些微不同,並且視網膜上有專司視覺訊號的細胞,包括:桿狀細胞(Rods)、錐狀細胞(Cones),並負責將光線的亮度、顏色等訊息轉換成視神經訊息,而人腦也有融合兩個不同視角影像訊息產生深度知覺之功能,因而導致人眼觀看物體時會形成立體視覺效果。


立體視覺效果是由兩種視差效應(Parallax Effect)所產生,包括:「兩眼視差」(Binocular Parallax)與「移動視差」(Motion Parallax)。


「兩眼視差」是因為兩眼視角之不同導致接收到的影像訊息左眼與右眼略有差異,並且兩影像經由大腦合而成為立體視覺效果。


「移動視差」則是因為觀看者的移動導致視角產生變化,進而使得觀看到的影像內容也隨之變化,兩影像經由大腦合而成為立體視覺效果。


利用兩種視差效應中的任何一種,便可以讓人眼在觀看物體時產生立體視覺效果,若要讓影像顯示裝置能夠產生立體視覺效果,便可以藉助視差技術調制光線的亮度、顏色以及方向,使得左眼與右眼接收到的影像訊息因為視角差異而形成立體視覺效果。


裸眼式3D立體影像顯示技術優劣分析

3D立體影像顯示技術的發展原始構想,是讓左眼與右眼分別接收來自於立體影像顯示裝置傳送給左眼與右眼的影像訊息,「裸眼式」立體影像顯示裝置,顧名思義就是觀看者不用佩戴特殊眼鏡也能夠觀賞立體影像視覺效果。


圖一 : :此技術利用柱狀透鏡的聚焦與光線折射技術改變光線行進方向將光線分光,進而讓影像訊息產生視差效果。
圖一 : :此技術利用柱狀透鏡的聚焦與光線折射技術改變光線行進方向將光線分光,進而讓影像訊息產生視差效果。

柱狀透鏡(Lenticular Lens)

此技術利用柱狀透鏡的聚焦與光線折射技術改變光線行進方向將光線分光,進而讓影像訊息產生視差效果。柱狀透鏡板(Lenticular Lens Sheet)通常平貼於顯示器前端,柱狀透鏡式立體影像顯示裝置技術原理為:「物體經由左右不同視角攝錄影像訊息,這些影像訊息過處理後並透過柱狀透鏡板將左眼影像訊息與右眼影像訊息依據不同視角方向交錯顯示,使得左眼與右眼所接收的影像訊息產生視差效果,兩影像經由大腦合而成為立體視覺效果」。


其優點在於不會影響立體顯示器螢幕亮度、立體影像畫面視域(Viewing Zone)較廣、可同時提供多人觀看、同一螢幕可進行2D/3D影像訊息切換,缺點則是柱狀透鏡板與顯示器畫素對位精準度要求極高、柱狀透鏡板製作成本較高、立體影像畫面解析度降低影響視覺品質、立體影像畫面易產生雙重影像(Cross-talk)影響視覺品質、立體影像畫面易產生「摩爾條紋」(Moire Pattern)影響視覺品質。


圖二 : :「視差屏障」是利用透光與不透光(黑色)間隔分佈的直線條紋限制光線行進方向,進而讓影像訊息產生視差效果。
圖二 : :「視差屏障」是利用透光與不透光(黑色)間隔分佈的直線條紋限制光線行進方向,進而讓影像訊息產生視差效果。

視差屏障(Parallax Barrier)

「視差屏障」是利用透光與不透光(黑色)間隔分佈的直線條紋限制光線行進方向,進而讓影像訊息產生視差效果。由於視差屏障有不透光的屏障(Barrier)直線條紋,此結構會降低立體顯示器螢幕亮度,使得立體視覺效果受到影響。


視差屏障板(Lenticular Lens Sheet)通常平貼於顯示器前端,視差屏障式立體影像顯示裝置技術原理為:「物體經由左右不同視角攝錄影像訊息,這些影像訊息經過處理後進行等距離垂直線條狀分割,然後利用插排方式將左眼影像訊息與右眼影像訊息交錯顯示,同時再搭配視差屏障板中透光的狹縫(Slit)與不透光的屏障(Barrier)垂直相間的光柵直線條紋,利用屏障的遮蔽作用限制左眼與右眼影像訊息接收,使得兩眼接收的影像訊息產生視差效果,兩影像經由大腦合而成為立體視覺效果」。


其優點在於視差屏障板製作成本較低、可同時提供多人多視角觀看、同一螢幕可進行2D/3D影像訊息切換,缺點則是視差屏障板與顯示器畫素對位精準度要求高、視差屏障會影響立體顯示器螢幕亮度、立體影像畫面視域(Viewing Zone)較窄、立體影像畫面解析度降低影響視覺品質、立體影像畫面易產生雙重影像(Cross-talk)現象影響視覺品質、立體影像畫面易產生「摩爾」條紋(Moire Pattern)現象影響視覺品質。


圖三 : :「指向性背光」是利用特殊設計的光線分光機制,讓觀看者接收到的影像訊息產生視差效果。  Source:多播網
圖三 : :「指向性背光」是利用特殊設計的光線分光機制,讓觀看者接收到的影像訊息產生視差效果。 Source:多播網

指向性背光(Directional Backlight)

「指向性背光」是利用特殊設計的光線分光機制,並且指向性背光技術是在顯示器背光模組中增加一片特殊的「3D Film」以及兩組側光LED光源設計,在某個時間點,左眼影像訊息投射到觀看者的左眼,下個時間點,右眼影像訊息則投射到觀看者的右眼,進而讓觀看者接收到的影像訊息產生視差效果。


指向性背光式立體影像顯示裝置技術原理為:「物體經由左右不同視角攝錄影像訊息,這些影像訊經過處理後並經由指向性背光板將左眼影像訊息與右眼影像訊息依據不同視角方向並透過左側LED光源與右側LED光源交錯投射顯示,使得左眼與右眼接收的影像訊息產生視差效果,兩影像經由大腦合而成為立體視覺效果」。


優點在於指向性背光板製作成本較低、立體影像畫面解析度不變、同一螢幕可進行2D/3D影像訊息切換,缺點則是顯示器需採用快速液晶與120 Hz高更新率技術致成本較高、無法提供多人多視角觀看、立體影像畫面視域(Viewing Zone)窄。


光場顯示器(Light Field Display)

全像術(Holography)是一種利用光的干涉與繞射原理記錄並重現物體真實的3D立體成像技術,全像術所呈現的立體影像不是經由平面影像合成,而是將物體的光場(Light Field)直接予以重現,像是物體構面光的反射或放射強度、光的角度等光場訊息。


因此,全像影像畫面觀看者沒有觀賞位置限制、不會產生雙重影像(Cross-talk)、或是「摩爾」條紋(Morie Pattern)等造成觀看者頭暈目眩的負面視覺問題。


全像術是一種無需配戴眼鏡的3D立體影像顯示技術,而「光場顯示器」則是屬於全像式投影技術,是一項可以重現物體光場訊息的新興技術。


光場顯示器的技術原理為:「投影機陣列(Array of Projectors)前方配置一組特殊的微透鏡板(Sheet of Microlenses),利用特殊微透鏡板與投影機陣列模擬特定立體景象(Three Dimensional Scene)光場,進而讓觀看者透過光場顯示器觀賞到物體的立體影像畫面」。


物體的光場訊息可以藉由光場攝影機(Light Field Camera)進行擷取,並且光場訊息可以透過光場顯示器中的投影機陣列投射到微透鏡板,而微透鏡板上眾多的微透鏡(Microlens)則將光場訊息投射進觀看者雙眼中而感知立體影像效果。


優點在於可同時提供多人全視角觀看、可產生自然的立體視覺觀看效果、同一螢幕可進行2D/3D影像訊息切換,缺點則是立體影像畫面空間解析度不足、立體影像訊息資料頻寬要求高。



圖四 : :真實世界中,每一物體皆可視為由其表面無數光點所組成,如果可以在空間中重建這些光點就可以觀看到物體
圖四 : :真實世界中,每一物體皆可視為由其表面無數光點所組成,如果可以在空間中重建這些光點就可以觀看到物體

體積式顯示器(Volumetric Display)

在真實世界中,每一物體皆可視為由其表面無數光點所組成,如果可以在空間中重建這些光點就可以觀看到物體,「體積式顯示器」就是利用上述原理重現立體影像畫面。


體積式顯示器的技術原理為:「利用一個快速旋轉物件,包括:圓盤、螺旋盤、角椎體、…等,並藉由雷射光源投影到快速旋轉物件表面時會產生散射效應,藉此以掃描空間中的每一點,並且因為人眼具有視覺暫留特性因而會感知到旋轉區域呈現出不同的光點與顏色,進一步讓人眼觀看到一物體立體影像畫面的存在」。


優點在於可同時提供多人全視角觀看、可產生自然的立體視覺觀看效果,缺點則是立體影像畫面空間解析度不足、立體影像訊息資料頻寬要求高、立體影像畫面普遍存在著透視現象、無法呈現出大型顯示面積。


市場規模預測

資策會MIC透過國際大型展覽會調查與市場通路分析,發現,相關廠商於展覽會場中積極展示可搭載於Smart Phone、Game Device、Tablet PC、Notebook、Monitor、TV等各式各樣應用產品的裸眼式3D立體影像顯示裝置,然而在市場中能夠被消費者逐漸接受僅有3D Game Device,探究其得以成功站穩市場的關鍵因素在於相對多樣化的遊戲卡匣、立體視覺效果不錯的視差屏障式3D立體影像顯示裝置。


資策會MIC推估,2011年裸眼式3D Game Device市場出貨量為3.6佰萬台、2012年達到13.5佰萬台,年成長率273.9%,推估2016年市場出貨量規模應可以成長到39.1佰萬台的水準,2011~2016的年複合成長率(CAGR)應可達到61.0%。



圖五 : :裸眼式3D Game Device市場規模預測   資料來源:資策會MIC,2013
圖五 : :裸眼式3D Game Device市場規模預測 資料來源:資策會MIC,2013

技術層面追蹤觀測重點

從SID Display Week 2013技術論壇(2013年5月加拿大溫哥華舉辦)中相關廠商、研究機構與大學針對3D立體影像顯示技術發表的最新研發成果進行分析,發現裸眼式3D立體影像顯示裝置在技術層面主要開發課題為:Natural 3D Image Experience、Multiview、Liquid Crystal Lens、Liquid Crystal Barrier、Cross-talk、Tracking Technology、Rotatable View、Human Factors Effect of 3D等。


值得注意的發展趨勢是,主要開發課題中占比重最高的Natural 3D Image Experience是屬於全像式投影技術與體積式投影技術強調的立體影像視覺技術優勢,而其他的開發課題則是屬於柱狀透鏡式與視差屏障式3D立體影像顯示裝置必須解決的技術問題。


顯然,不論是柱狀透鏡式3D立體影像顯示裝置、還是視差屏障式3D立體影像顯示裝置,仍然存在著諸多的立體影像視覺問題必須徹底解決,同時,進一步觀察SID Display Week 2013技術論壇發表的最新研發成果,發現柱狀透鏡式與視差屏障式3D立體影像顯示裝置關鍵的技術瓶頸並沒有突破,包括:Multiview與Cross-talk,開始吸引研發資源轉向全像式投影技術與體積式投影技術進行開發與佈局。


展望未來,裸眼式3D立體影像顯示技術終極目標是要讓人眼感知自然的立體影像視覺效果,屆時當能夠使得裸眼式3D立體影像顯示裝置應用領域與市場接受度大為擴展與提升。


(本文作者陳賜賢為資策會MIC資深產業分析師)


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