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3D電視技術產業跨出第一步!
戴不戴眼鏡都很立體!

【作者: 鍾榮峯】   2010年04月06日 星期二

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3D TV元年鳴槍啟動!


說今年是3D TV元年,一點也不為過。包括Panasonic、Sony、Samsung、LG等電視品牌大廠,已經或即將推出各尺寸3D TV產品。3D TV已是今年電子產業最熱門的焦點之一。



市調研究機構iSuppli便預估,今年全球3D電視出貨量可達420萬台,到2015年將巨幅成長到7800萬台,年複合成長率可達80%。預計今年全球3D電視的營收規模有74億美元,2015年此一規模將達到643億美元,成長幅度近8倍之多。



業界的評估更是遠遠超過此一預期。Sony計畫目標是在2011年3月前,達到250萬台3D TV的銷售量,6月中旬則會陸續推出46吋和40吋的3D電視,7月中旬則會繼續推出6款3D機種。Samsung則是計畫在今年達陣200萬台銷售量,LG則是預估今年在全球的3D電視出貨量可達40萬台,明年則可增加至340萬台。




《圖一 3D電視影像內容來源示意圖》




3D電視大廠紛紛起跑衝刺!


電視大廠早已紛紛就定位起跑衝刺。Panasonic則已3月10日開始進攻美國市場,3D TV產品已經銷售一空;Samsung也已在3月14日於美國市場推出55吋3D電視,並瞄準歐洲、加拿大和南韓本土市場,計畫推出3D LED電視、LCD系列和電漿電視系列;Sony選擇固守日本本土市場,6月10日將推出首款3D電視;LG則計畫與印度本土媒體娛樂公司合作,在印度市場推出47吋3D電視。



台灣瑞軒科技(AmTRAN)也不甘示弱,計畫推出首款本土品牌3D TV。由創維集團打造的中國首款家用3D LED液晶電視,也將在五一假期期間在中國市場問世,尺寸涵蓋42~55吋。其他TCL集團、四川長虹和海信電器等中國電視廠商也開始佈局3D電視。



3D電視價格戰已煙硝四起


各電視品牌大廠將在今年下半年將推出更多的3D電視產品。iSuppli就指出,這些產品價格將比LED液晶電視高出600~700美元。不過由於品牌大廠積極投入此一領域,3D市場的競爭將非常激烈,最後3D電視價格會迅速下降。iSuppli預估到2015年,全球3D電視的平均銷售價格將降到825美元,而今年3D電視價格還可維持在平均1768美元的水準。雖然今年和明年將只有初期少數消費者願意購買3D電視,但到2012年以後,當3D內容不斷增加和產品價格陸續下降,將吸引更多的消費族群購買。



電視大廠因3D技術重拾舞台


市調機構DisplaySearch就特別指出,3D顯示技術可說是電視品牌大廠重新掌握顯示關鍵技術的契機,可擺脫面板大廠以LED背光與240Hz雙倍頻掃描技術來進一步控制未來電視技術發展的束縛。再加上,平面液晶電視與傳統映像管電視的換機潮持續不斷,今年全球電視的平均銷售價格將首次出現下滑的趨勢,因此電視品牌大廠莫不以3D TV作為明顯區隔市場差異化的關鍵利器,來緩和電視價格下滑的幅度。可以這麼說,電視品牌大廠因為3D技術應用而重拾失去已久的舞台。




《圖二 3D電視成長預估圖》




3D應用讓電漿電視找到第二春


另一方面,電漿電視市場也因為3D立體顯示應用的出現而重獲市場青睞。因為搭配快門式眼鏡的3D顯示器,必須打出每秒120Hz幀幅畫面的反應速度,以供左右眼切換觀賞,一般LCD螢幕並無法達到如此快速的影像反應速度。而電漿電視的影像反應更新速度較快,比LCD液晶電視更適合呈現3D影像,因此3D電漿電視正成為電視大廠首波的最愛,包括Panasonic、Samsung和LG等,也都推出3D電漿電視先在市場試試水溫。



不過一般LCD面板也可藉由技術革新呈現良好的3D效果。除液晶反應速度要跟上3D顯示應用要求外,影像資料進入面板的時間也是革新重點,這些技術便攸關液晶面板能否有效反應超高畫質和3D顯示品質的重要指標,也具體代表液晶面板廠商研發能力的指標和完整性。



3D電視顯示技術各有一把罩


3D顯示技術其實並不是件新奇的事,19世紀初就有所謂紅藍濾光眼鏡(Anaglyph)的應用了,用3D立體眼鏡看電影也行之有年。不過使用3D眼鏡或是裸眼觀看3D立體影像,在技術上則是不斷面臨許多創新的突破與挑戰。3D技術最起碼單眼必須達到高解析視訊效果,以及滿足單眼每秒60張圖幀頻率(60Hz)、兩眼每秒共120Hz的反應速度。



目前主流的3D電視顯示技術,便可分為配戴眼鏡式和裸眼式兩種,前者是藉由左右鏡片的輪流開關,創造出立體效果,包含主動式的電子快門眼鏡(Shutter Glasses)以及被動式的偏振(Polarization)技術;後者則是使用者不需配戴眼鏡即可觀賞立體畫面,主要以光屏障式(Barrier)和柱狀透鏡(Lenticular)技術為核心。一般而言,主動電子快門式3D眼鏡大部分搭配的是幀幅序列方式的顯示面板,被動偏振式3D眼鏡則搭配的是貼上偏光片的顯示面板。



配戴眼鏡式3D顯示仍具主流影響力


配戴眼鏡式的3D顯示技術發展相對成熟,所呈現的3D影像效果也比較好,若從製造、結構、內容等觀點來看,配戴眼鏡式3D顯示也比較容易製造,格式標準也較易實現統一。同時,配戴眼鏡式的3D內容製作,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。在3D電影劇院、以及數位家庭領域,特別是在電玩遊戲應用,配戴眼鏡式3D顯示技術應用依舊穩佔影響力。



裸眼式3D顯示未來發展潛力無窮


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。目前光屏障式技術已可應用在3D電視面板,而柱狀透鏡式技術首先則以公共空間的數位看板應用為核心。



裸眼式雖然可突破戴眼鏡的限制,但裸眼式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。同時,3D面板的畫面解析度要隨之提高。用光屏障式作為3D顯示面板的技術基礎,需要提供更高解析度的面板並革新畫素排列設計,讓觀看者所感受的解析度降低幅度不會那麼明顯。



這些3D電視技術應用的標準定義都尚未統一,電視大廠和眼鏡製造商的3D規格仍處於各自為政的局面。不過哪種規格會勝出還不一定,配戴眼鏡式和裸眼式3D技術的優缺點兼具,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。




《圖三 3D顯示技術分類樹狀圖》




面板3D立體效果更要高畫質搭配


3D電視的立體效果要好,首先3D面板顯示技術就是關鍵之一。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。而裸眼式的3D面板畫面解析度也要隨之提高,因為光屏障式技術除了有多視角解析度下降的問題外,由於採取光屏障遮掩交錯影像的方式,透光性也會相對不足。



以友達光電為例,就具備了包含裸眼式的光屏障式(barrier)技術和柱狀透鏡(lenticular)技術,以及需配戴特殊眼鏡觀看的偏光式(Pattern Retarder)Full HD 3D面板技術。在提高光屏障式亮度部分,友達光電已開發出獨家專利設計,藉由把光屏障式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%,可明顯提高光屏障顯示的亮度。這款革新專利已應用在65吋的3D顯示螢幕樣品上。友達預計今年下半年量產的65吋偏光式Full HD 3D面板,是目前商品化階段最大尺寸的3D電視面板,偏光式3D眼鏡價格不貴,重量也僅10公克,頗具市場競爭力。



另一方面,Samsung生產40、46、55吋LCD與LED全螢幕高畫質(Full HD)3D電視相容性面板,則是搭配主動式電子快門眼鏡,以及Samsung的true 240Hz技術。此技術縮短加快20%原有LCD跟LED面板的反應時間,亦即不到4毫秒,可有效減少左右眼之間的crosstalk干擾。



Toshiba也推出CELL TV新技術,採用由IBM、Sony和Toshiba共同合作的驅動引擎設計Cell Broadband Engine,可增強高畫質數位影像的清晰度。CELL TV的3D圖像使用介面設計Spatial Motion Interface,則採用紅外線感測元件,搭配使用演算法辨識原始動作,可讓使用者藉由手勢動作傳遞訊息給電視,進一步搜尋或找尋高畫質電視的各類3D影像內容。



3D眼鏡技術各有千秋 電子快門式主導電視領域


3D電視立體效果要好的另一關鍵,3D眼鏡不可或缺。過去消費者用3D眼鏡觀看3D影像時,大部分是以偏振式(Polarization)技術為主,現在電子快門式(Shutter)眼鏡,可以利用內建電池發電並自動關閉左右鏡片的方式,也能呈現更立體逼真的視覺效果。以3D眼鏡大廠RealD為例,RealD在電影界使用偏振式3D技術,在3D電視領域則採用電子快門式眼鏡。



RealD成為3D電視大廠的最愛


目前在3D電視領域,可說是由主動電子快門式眼鏡技術所主導。大部分3D電視品牌大廠,包括Sony、Samsung和Toshiba等,都採用RealD的主動電子快門式眼鏡格式,Samsung也和RealD進一步合作裸視3D顯示技術;至於Panasonic和台灣瑞軒則是與另一3D眼鏡大廠XpanD合作。



RealD的3D眼鏡技術為何能成為大部分3D電視大廠的最愛?究其原因,RealD的3D技術均可支援偏光3D眼鏡或是主動快門式眼鏡,並適用於所有種類顯示技術,且RealD擁有3D顯示併排(side-by-side)格式技術的基本專利權。更重要的是,目前大部分的好萊塢3D電影顯示格式,都需要經過RealD的驗證,也



XpanD強化電子快門技術優勢


另一方面,XpanD在電子式快門眼鏡技術上也不遑多讓,強調可無縫與具備3D顯示功能的LCD面板、電漿面板和數位光源處理技術DLP(Digital Light Processing)顯示螢幕結合。XpanD並開發出所謂 pi-cell的液晶胞(liquid crystal cell)技術。當電子快門遮蔽左右眼時,可更加快速轉換,也能夠更加寬視域,更可強化鏡面穿透率的消光比(extinction ratios)。



支援3D眼鏡產品紛紛參一腳


德州儀器(TI)的DLP-link雙向同步(synchronize)技術也應用在XpanD的3D眼鏡,不採用紅外線發射器(emitter),改採無須外部獨立的發射器,利用數位微型反射鏡元件DMD快速切換的特點,在圖幀之間插入灰階畫面;3D眼鏡偵測到灰階畫面時便切換左右眼快門,以這種方式進行左右眼切換同步,因此不需要外部接收器。



德國光學鏡片大廠卡爾蔡司(Carl Zeiss)也預計推出3D行動影音眼鏡,可讓觀看者藉由投射出的虛擬空間感,去感受前方2公尺距離觀看45吋3D視覺影像的模擬效果。看好3D電視的發展前景,繪圖晶片大廠nVIDIA也推出3D TV Play軟體技術,使用者可將內建繪圖處理器的PC或NB,連接到配備HDMI 1.4規格的3D TV上,便可享受大螢幕3D遊戲體驗。



不能沒有你!3D電視還需各路人馬牽成


除了3D面板和3D眼鏡之外,顯示格式、訊號傳輸、壓縮機制與檔案儲存格式更是攸關3D電視的品質。光靠3D電視並不能一勞永逸,3D電視產業鏈還有許多課題尚待克服,產業界目前正拉大視野,從顯示、傳遞與格式等各層面關照3D電視全局。



3D傳遞和儲存格式各行其道 標準化勢在必行


像是3D資料儲存格式目前仍處於百家爭鳴的狀態,規格尚未統一。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。



3D內容影像的傳遞格式就有許多種,包括以棋盤格、交叉線或是欄位方式、併排或交錯兩道影像訊號傳遞方式,來提供最佳化的3D視訊效果。例如衛星電視業者DirecTV與BskyB打算採用併排(side-by-side)格式,有線電視方案供應商CableLabs正在規劃上/下(over/under format)格式。



為了讓3D影片內容順利導入3D TV,各方也正思考內容標準化的可行性。除了好萊塢的技術組織SMPTE正在定義管理3D資料形式與3D內容種類的標準化之外,歐洲由政府贊助的3-D4YOU組織,也正在定義3D TV的擷取、編碼和標準格式。



IPTV:解決3D廣播頻寬與解析度治本良方


要實現3D電視影像,從拍攝畫面起的錄影設備就要支援3D功能,從電視台傳輸信號、解碼然後終端接收,至少也有5~6個環節。若是3D電視直接接收廣播電視訊號,廣播網路缺乏支援左右兩眼Full 1080p影像解析度的頻寬,也無法傳送高畫質電視的Full HD視訊,同時廣播3D電視內容也會因為傳輸產生解析度下降的問題。



若把3D圖像分割顯示更高的解析度效果也是一種方式。德國Saarland大學的研究團隊便在此次CeBIT展會上展示新的3D影像顯示和編輯技術,是藉由快速的電腦運算陣列方法,把過大的3D影像容量分割成多個容易管裡的小單元,不僅讓一般電腦得以運算處理,同時更能顯示出比以往3D影像更為仔細的內容,能讓使用者處理高度專業的衛星偵測和醫學掃瞄3D圖像。



拓展頻寬並採用新的編解碼格式,則是試圖解決廣播3D視訊內容解析度下降的方式之一,不過能夠從根本上解決3D廣播視訊問題的,應該會是IPTV網路。



2D轉3D畫龍點睛


由於2D文字和3D影像同時並存的應用情境常常出現,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。2D轉3D切換技術對於3D電視應用的普及化來說,更是不可或缺。



製作3D內容最直接的做法就是將為數眾多的2D影像轉成3D影像,這個技術的困難度甚高。基本上要產生視覺上可見的3D影像,必須要有左右眼視差的兩個影像,2D影像內容不具備各景物深度位置的資料,所以如何將2D轉3D,最關鍵技術就是如何分析及判別景物的相對深度關係,找出2D影像的正確深度圖(Depth Map)。目前台灣工研院電光所立體影像系統組在這方面有顯著的突破,In-Three和Passmore Labs也是2D轉3D技術重要的研發單位。針對3D TV,DDD和Sensio則是在2D轉3D以及編解碼技術上有相當重要的影響力。



規格底定 3D藍光敲邊鼓壯聲勢


3D藍光播放機的加入,也為3D電視產業敲邊鼓壯聲勢。藍光光碟協會(Blu-ray Disc Association;BDA)已確立高畫質藍光3D規格最終版,未來3D內容光碟片可以與3D電視一起銷售。3D藍光格式標準是針對利用藍光播放器所播放於左右眼解析度各為1080p的影像所制訂,是藉由MPEG-4 Multiview Video Codec(MVC)中的H.264 Advanced Video Coding(AVC)去進一步擴展標準。



3D藍光播放器和家庭劇院系統的出現,有助於全球3D電視市場的茁壯。例如美國三星與夢工廠動畫(DreamWorks Animation SKG)和Technicolor便合組策略聯盟,預計在今年底前推出完整的3D藍光光碟家庭娛樂解決方案。3D藍光光碟的設計與製造則交由Technicolor負責;三星電子則提供相關3D顯示處理器、2D/3D轉換技術以及電子式快門眼鏡技術。今年更多系統廠商將會隨著3D電視問世,推出新一代支援3D的藍光光碟機,這些設備將符合自有格式與最新的HDMI 1.4版介面,能以Full HD解析度傳遞3D內容。



3D頻道通通站出來!


有線或無線3D電視頻道的經營步伐也是大幅邁進,各大廣播公司及頻道供應商正躍躍欲試。包括British Sky Broadcasting(BSkyB)、DirecTv、Discovery Channel與ESPN都規劃在今年提供3D視訊服務。ESPN今年將以3D格式轉播85場比賽,將透過光纖傳送720p 60-fps內容給有線電視業者,也不排除以衛星傳送的方式轉播解析度1080p的3D內容。DirecTV HD 3D頻道將於6月開播,Panasonic是獨家展示贊助商。電視大廠LG也在3月16日宣布將與英國最大付費電視業者歐洲天空電視台(Sky TV)合作,供應1.5萬台3D電視安裝在英國各地公共場所,用3D轉播英超足球賽事;4月Sky 3D頻道也將確定成立,成為歐洲第一個3D專屬電視頻道。



此外,Discovery、Sony和IMAX正合作在美國投資成立首個全天無休的專用3D電視網,將播放自然、太空、探索、冒險、機械、科學、其他新興技術、兒童動畫等3D內容。Discovery則將管理負責3D電視網相關內容服務及在美國13個電視網的行銷作業;Sony則會負責3D電視網的廣告和廠商贊助;IMAX則專注在3D電視網內容授權和提升3D顯示技術的工作上。



3D電視產業跨出第一步!


現在,3D電視產業已經跨出重要的第一步。3D電視的面板設計漸趨成熟,3D TV產品在市場上的反應比預期來得更為熱烈,配戴眼鏡式3D應用已成為主流,2D轉3D技術和3D藍光設備的加持,更有助於3D電視的普及,未來裸視3D應用發展更是潛力無窮。除了硬體之外,3D內容與頻道也需一併成長,才能整體帶動3D電視產業,而3D顯示格式、訊號傳輸、壓縮機制與檔案儲存格式相關規格的制定與開發,正攸關整體3D電視供應鏈能否提升更多附加價值的關鍵。



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