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各路3D顯示技術卡位 市場何在?
眼鏡型 vs. 裸視型

【作者: 陸向陽】   2013年01月04日 星期五

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3D顯示技術已愈來愈普及,許多人可以在電影院觀賞3D電影,可以在家電賣場看到3D電視展示,可以看到掌上型3D電玩遊戲機等。


不過,要達到3D顯示效果,可以實現的技術相當多樣,不同的技術有不同的優缺點,也獲得不同業者的表態支持,更重要的是,技術的特性差異也影響到使用情境及推行策略。


由於實現技術多樣,在此不可能詳述所有技術,以下本文將以現行常見的技術進行說明,以已經商業化運用的家庭、個人市場3D技術為主,特有及專業市場則不在列,此外仍在實驗室階段的技術也暫略。


3D顯示技術知多少

3D顯示技術若從終端消費者觀點來分別,是以「需要配戴眼鏡與否」為主要分界,即一般所稱的「裸視型」、「非裸視型」,裸視型目前有3種主流技術,即視差屏柵式(Parallax Barrier)、柱狀透鏡式(Lenticular Lens)及指向背光式(Directional Backlight)。非裸視型(或稱眼鏡型)則有色差眼鏡式(Anaglyph 3D)、偏光眼鏡式(Polarizer Glasses)及快門眼鏡式(Shutter Glasses)。


若再以技術特性來分別,則分成「時間多工」與「空間多工」2類,前述的裸視、非裸視也可對應至2類範疇內,如快門式屬時間多工,偏光、色差式屬空間多工等。



圖一 :  雖然指向光源法看似3種裸視法中最理想的作法,但技術的提出時程也最晚,目前的技術成熟度與相關驗證均待進一步考驗。
圖一 : 雖然指向光源法看似3種裸視法中最理想的作法,但技術的提出時程也最晚,目前的技術成熟度與相關驗證均待進一步考驗。

眼鏡型3D技術

色差眼鏡式

多數人對色差眼鏡式並不陌生,多年來在各種報導中均見過,即觀賞者配戴一藍、一紅(也有一紅、一綠)的眼鏡鏡片,即顯示器在顯示輸出前將畫面進行紅、藍(或綠)抖色處理,如此透過眼鏡觀看即可獲得立體效果。


色差作法的缺點是畫面已經過抖色處理,雖造就立體效果但也無法忠實呈現畫面本有的顏色,使色彩較為黯淡,為此也有業者推出黃(或稱琥珀、茶色)、藍眼鏡,能稍彌補此缺失,但目前未能普及。色差法雖有缺點也有優點,即眼鏡實現成本低廉,只要用一般的紅色、藍色玻璃紙,搭配人人都會的剪刀漿糊勞作功夫,就可做出色差眼鏡。


與其他3D實現技術相較,色差法較「古早」且效果差,但仍有大廠支持色差法,如NVIDIA在推行快門法的3D Vision後也補推出採色差法的3D Vision Discover,或Google在YouTube上也提供紅藍抖色的3D影片,觀賞者可自購、自製紅藍眼鏡來觀看,另外Google街景地圖也同樣支援。


偏光眼鏡式

偏光式(也稱偏振式)的原理概念與色差式相類似,但將顏色的分別改成觀看角度的分別,方法是在3D眼鏡內加入偏光板,使觀賞者的左右眼觀賞角度產生視差,從而產生立體效果。偏光法其實還可以進一步區分成相位延遲、疊合偏光等差別,其中相位延遲又可再分成線性化偏光與圓極化偏光,然在此暫略說明。


在優缺點方面,偏光眼鏡的成本較紅藍眼鏡高,但仍比快門眼鏡(將於後述)低,偏光鏡片也無法由消費者自行製作,另外為營造偏光視差,必須折耗一半的顯示器解析度,降低觀看品質。


目前多數電影院內均採偏光3D技術,或2010年筆電代工大廠緯創(Wistron)與DDD(Dynamic Digital Depth)公司合作(也獲緯創投資),為宏碁、聯想等品牌業者代工的3D筆電,即採偏光3D技術。


快門眼鏡式

快門技術為3種常見的3D眼鏡型技術中原理最複雜的,須先設置1個紅外線信號發送器,由其發送120Hz(每秒120次)同步信號,而後快門眼鏡上設有紅外線信號接收器,接收到同步信號後,會將眼鏡鏡片上的遮光液晶交替開閉。


同時,顯示器也以120Hz的頻率更新畫面,如此形成「當鏡片的左眼開啟、右眼遮蔽時,顯示器顯示專供左眼觀看的畫面。」而後再轉變成左閉右開,顯示器顯示專攻右眼看的畫面。持續快速交替的結果,從而產生3D效果。


快門手法的缺點是眼鏡成本過高(推行初期達一副200美元),為了驅動鏡片上的液晶開啟、關閉,眼鏡上必須設置小電池,以提供驅動用的電力,另也須設置紅外線信號接收器,此外電池需要充電,也要設置充電連接器(一般為Micro USB埠)。


另一缺點是紅外線同步信號的發射角度、距離有限制,約15英呎內,適合個人書房、家庭客廳使用,無法大範圍適用(如電影院),不過業界也開始提出改良方案,以無線射頻技術取代紅外線,如2011年ZigBee聯盟提出ZigBee 3D Sync(簡稱Z3S),或如NVIDIA推出3D Vision Pro,宣稱同步信號可達100英呎。


再者,快門因頻繁的開閉鏡片,使畫面亮度降低,且除了看顯示畫面外,對周遭的觀看亮度也明顯轉弱,對此業界也一樣有強化對策,如NVIDIA提出3D Vision 2,即將眼鏡的鏡片面積加大、顯示器亮度提升等。


雖然快門技術獲得多種修正、強化,但仍有些限制難以改善,如眼鏡的價格與重量,是3種眼鏡型當中最貴且最重的,貴包含驅動電路、電池、紅外線接收器、充電連接器等,而這些東西附加於眼鏡上自然會重。此方面的問題短期內不易客服,只能等待量價均攤效益的增強而降低價格,以及消費者對厚重眼鏡的抗拒性降低等。


快門雖有缺點也有優點,優點即具有最佳的3D效果,且沒有偏光的解析度減半問題。


裸視型3D技術

視差屏柵式

屏柵式(有時也稱視差屏障、視差障柵)類似偏光式,即是將1片「視差光柵」貼覆於顯示器上,使原本一致向前的畫面光線轉變成不同的行進方向,從而到左右眼時能產生3D效果。


屏柵式的優點是可以融入現有LCD液晶顯示面板的製程中,因而可以快速、低成本量產,但缺點是降低畫面亮度與解析度。在實際應用上,宏達電(HTC)的EVO 3D智慧型手機,或任天堂(Nintendo)的3DS掌上型遊樂器,均採行此法。


柱狀透鏡式

柱狀透鏡法也稱雙凸透鏡法、微柱透鏡法,是在顯示面板上貼覆一層透光透鏡,透鏡的結構為許多垂直圓柱體所構成,以此改變畫面光線的行進路線,進而讓觀看者有3D感受。


柱狀透鏡法的優缺點恰好與前述的屏柵法相反,柱狀透鏡的結構為完全透光,不似屏柵法有將部分光線遮阻,所以較無畫面亮度折耗的問題,但缺點即是柱狀透鏡無法融入既有LCD面板製程中,現階段較不利於低成本量產。



圖二 :  指向背光式原理圖,圖下端左右邊的黑白圓點,即指亮起與熄滅的光管,Light Guide為導光板,導光板之上為3D薄膜。(製圖:CTIMES,參考資料:3M)
圖二 : 指向背光式原理圖,圖下端左右邊的黑白圓點,即指亮起與熄滅的光管,Light Guide為導光板,導光板之上為3D薄膜。(製圖:CTIMES,參考資料:3M)

指向背光式

屏柵法、柱狀透鏡法均是利用空間差方式產生3D效果,然指向背光法則是以時間差方式產式3D效果。指向背光法是修改LCD液晶面板的背光設計,在導光板與LCD液晶面板間再放入1層3D薄膜,而導光板過往僅有1側有光源入光,而今修改成2側均有光源可入光,但採時間性交替入光,即左側光源發光時,右側光源熄滅,而後再改成左側熄滅、右側發光。


交替導入光源的結果,再透過3D薄膜的導光結構,就可以交替產生不同光線方向的畫面,頻繁交替的結果即可讓觀賞者感受到3D效果。


由上述特性可知,由於沒有光線遮蔽,因此畫面亮度的折耗也很少,類似柱狀透鏡,但柱狀透鏡也類似眼鏡型的空間性偏光,畫面解析度有所折耗,相對的,指向光源法採行空間性交替,所以沒有解析度折耗的問題。同樣的,指向光源法也能快速融入LCD面板製程。


雖然指向光源法看似3種裸視法中最理想的作法,但技術的提出時程也最晚,目前的技術成熟度與相關驗證均待進一步考驗。且值得注意的是,指向光源法倚賴3D薄膜,明尼蘇達礦業(3M)公司掌握此薄膜的相關技術,專利與授權態度與否也待觀察。


圖三 :   Google街景只要選擇「3D mode on」,即出現支援色偏眼鏡式的3D效果。(圖片來源:maps.google.com.tw)
圖三 : Google街景只要選擇「3D mode on」,即出現支援色偏眼鏡式的3D效果。(圖片來源:maps.google.com.tw)

不同技術的應用情境

了解上述技術手法、原理後,將其對應到實際運用中可發現,個人電腦、家庭電視等多使用眼鏡型3D,而手持式裝置與公眾場合的數位看板(Digital Signature)則使用裸視型3D。


為何有此差異?因為3D顯示技術,仍以能全程掌控光線流程的眼鏡型,其效果較能確保,裸視因環境變數多,效果相對為差。因此就理想而言,應全面推行眼鏡型,但公眾場合設立的電子螢幕看板,不可能要求路過的行人一概配戴眼鏡,觀看完再歸還眼鏡;類似的,手機、掌上電玩可在搭車、臨時站立等候時使用,但隨時會抽身離開,不可能會此而配戴、摘下3D眼鏡。


同樣的,快門3D效果雖佳,但受限於眼鏡昂貴,紅外線同步信號距離過短,因此仍無法應用於電影院,目前電影院多採偏光式眼鏡,然未來若由觀賞者帶自有快門眼鏡入場,且同步信號改成無線射頻方式發送,則快門眼鏡的電影院也可能出現。


最後,其實也牽涉到業者立場,以眼鏡型而言,在宏碁(Acer)、聯想(Lenovo)率先以偏光式推出3D筆電後,NVIDIA即拉攏華碩(ASUS)、東芝(Toshiba)推行快門式3D筆電,更之後東芝也裸視3D筆電,該技術甚至會運用筆電上內建的WebCam來偵測、辨識觀賞者的眼睛方位,進而改變裸視的視點,以此保持較差的3D效果。


又如電視市場,日本電視業者為追求較佳的3D效果,初期以快門式技術為主,然韓國業者則嘗試推行成本較低的偏光式,更之後電視業者也廣泛推出各種不同實現技術的機種,包含裸視技術等。


而在技術、產業、市場外,其實消費者感受也不能忽略,3D電影因2010年阿凡達(Avatar)而紅,然在一陣嘗鮮熱潮後,3D視覺賣點似有降溫,且調查結果有7%的人在觀看時出


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