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3d tv logo 【編按】在上篇鳥大師為我們講解了為什麼人眼看東西會有3D的效果,而3D電視和電視又是如何呈現3D影像的?其實有很多種方法,下面就讓鳥大師接著為我們解說現有的3D技術是如何把3D影像放到你的面前。

知道與看到

歸納來說,深度知覺是我們的本能,就像BIOS一樣一出生就燒錄在我們的大腦中。而對於「近大遠小」的認知,則是由後天的經驗學習而來,這樣的判斷需要心智的介入,需要一定程度的智慧去理解眼睛所看到的東西,再轉換為對距離的理解。

因為有了後者,我們在看電視和電影時,才不會完全覺得所有的東西都平平扁扁的出現在那面螢幕上。因為有大腦對影像內容的解讀,即使看電視時雙眼都聚焦在同一個平面上,我們仍然看得出來誰近誰遠。因為我們的大腦根據知識與經驗,幫助我們「知道」影像內容的前後關係與距離感,但這並不表示我們能真正「看到」有立體感的影像,這還一定需要深度知覺的介入。也就是說,我們必需要讓兩隻眼睛看到不同的影像才行。

要讓兩隻眼睛在平面的顯示器上看到不同的影像,方法有很多種,接下來就讓我們來看看現在有哪些3D顯示技術可以讓你真正「看到」具有立體感的影像。

雙投影法

這個方法是很早以前就發展出來的方法,但僅適用於電影院或家庭劇院等使用投影機的放映方式。方法很簡單:使用兩台投影機,一台放映左眼的影像,一台放映右眼的影像,投射在同一片螢幕上。投影時,兩台投影機的鏡頭上都加上不同極性的偏光鏡片,比如說,左眼投影機使用垂直偏光,而右眼的投影機使用水平偏光。經過偏光鏡片所投射出來的影像只會剩下單一偏振方向的光,因此投在布幕上的左眼影像只會由垂直偏振的光構成,而右眼的影像則只會有水平偏振的光。

觀賞者也必需戴上對應的偏光眼鏡:左眼戴上垂直偏光鏡片,右眼戴上水平偏光鏡片。垂直偏振的光只能穿透垂直偏振方向的偏光鏡片,而會被水平偏光鏡片完全擋下來,因此左眼可以看到左眼的投影機所投出來的畫面,但同樣的畫面在過了戴在右眼的水平偏光鏡片後只剩下一片黑。相同的情況也發生在右眼。

因此,左眼只能看到左眼的投影機投出來的畫面,右眼也只能看到右眼的投影機投出來的畫面,就這樣,兩隻眼睛各看各的,立體感就出來了。

這個方法雖然簡單,但因為它需要兩套投影設備,成本實在太高,因此並不常用。另外,為了避免使用者因頭部角度的傾斜造成偏光鏡片的作用不如預期,實務上多用旋轉極化(左旋、右旋)的偏光鏡片而非線性極化(垂直、水平)的偏光鏡片。

畫面切換法

這是目前較廣泛使用的方法,它只需要一套顯示設備,但還需要眼鏡的巧妙配合。這個方法很簡單,它讓顯示設備交替顯示左右眼所需要的影像,同時讓觀賞者所佩戴的眼鏡配合所顯示的影像做開關的動作:當顯示左眼的影像時,就讓左眼的眼鏡打開,而讓右眼的眼鏡關掉;當顯示右眼的影像時,就讓右眼的眼鏡打開,並讓左眼的眼鏡關掉。只要切換的速度夠快,因為視覺暫留的關係,左右眼都可以看到各自的影像而不會有閃爍的感覺。

我們可以發現,雙投影法所使用的眼鏡只是單純的偏光鏡片,但畫面切換法所使用的眼鏡必需要能接受投影機的控制,並交替開關左右眼。要做到這個動作,單純的光學鏡片是辦不到的,必需要有電子電路的配合,因此畫面切換法所使用的眼鏡稱之為「主動式眼鏡」,相較於雙投影發所使用的被動式眼鏡而言,複雜得多。被動式眼鏡也許有一天真的能做成隱形眼鏡,但主動式眼鏡大概不太可能。

實務上,主動式眼鏡是用液晶玻璃製作,利用液晶在電場控制下能扭轉光線偏振方向的原理,配上偏光膜,就能在電子訊號的控制下讓鏡片在透光和不透光之間切換。這個切換的動作和攝影機的快門(shutter)很類似,因此這種眼鏡又稱之為「快門眼鏡」(shutter glass)。

快門眼鏡和顯示設備間的同步,一般是利用紅外線或無線電訊號來達成,好讓眼鏡知道現在應該開哪一隻眼睛。眼鏡上有紅外線或無線電的接收器,接收來自投影機或電視螢幕所發射的控制訊號,並將之轉變為控制液晶玻璃的訊號,去控制眼鏡的玻璃。我們目前所看的3D電影,使用的大多是這種技術,因為這種眼鏡構造相對來說比較複雜,造價也較高,戲院才會在電影散場時派人小心檢視每一副歸還的眼鏡,弄壞了要賠。

至於顯示設備,則和傳統的顯示設備並沒有太大的不同,不過它的更新速度要是傳統顯示設備的兩倍以上,才能以交替的方式分別顯示左右眼的影像。以電影來說,拍攝時是一秒24張,但在3D放映時,放映機必需能在一秒內交替放出左眼要看的24張和右眼要看的24張畫面,總共48張畫面。

傳統的電影放映機因為是一次呈現一整張畫面,因此兩倍的更新速度就足以放映3D影片。但如果是液晶電視的話,因為液晶顯示影片時,畫面是逐行更新的,而尚未被更新的部份會保持在畫面上,因此畫面上隨時都會有已經更新 (新的畫面)和尚未更新(舊的畫面)的部份。這在2D顯示時並不會造成太大的問題,但在3D顯示時,由於顯示的畫面是左右眼交替的,因此已更新和未更新的畫面會分別屬於不同的眼睛,我們必需讓畫面整張更新完成後才能開眼鏡。

因此實務上,3D的液晶電視在顯示60Hz更新速度的影片時,需要240Hz更新速度的面板,利用其中兩個1/240秒的時間來做畫面的更新,而利用另外兩個1/240秒的時間分別顯示左右眼的畫面。目前也有使用120Hz液晶面板來顯示3D的技術,不過這必需透過更複雜的背光分區控制與眼鏡的同步來達成,詳細的做法已經超過鳥專欄的程度了,這裡略過不表。

畫面切換法最大的問題在於亮度損失太多。主動式眼鏡本身的透光率就不夠好,再加上左右眼切換時各自只有全部顯示時間的一半能看到有效的畫面,因此畫面看起來會遠比不戴眼鏡時要暗上許多。如果是240Hz的液晶顯示器,更只有原來四分之一的有效顯示時間,畫面的亮度損失更多。下次在電影院看3D電影時,你可以試著在看到一半時把眼鏡拿下來,比較一下不戴眼鏡和戴著眼鏡時的畫面亮度,你就會知道看3D電影時真像是戴著太陽眼鏡在看電影。

▲編按:市面的3D電視大部份都是採用240Hz,要透過戴眼鏡來看。

微型偏光法

這個方法是從雙投影法延伸而來,改良給液晶顯示器用的。因為液晶顯示器無法像雙投影的螢幕般,同時在同一個位置上發出不同偏振方向的光,因此聰明的工程人員就將腦筋動到了液晶的偏光膜上。

因為液晶顯示器本身的原理,它所發出來的光本身就是偏振光,我們可以藉由巧妙地設計液晶玻璃前後兩片偏光片的極性,來改變液晶顯示器發光的偏極性。微型偏光法的做法是,讓液晶顯示器的奇數行掃瞄線和偶數行掃描線有不同的偏光方向,再配上和雙投影法一樣的偏光眼鏡,就可以讓左右眼各自只看得到一半的掃描線,而另一半的掃描線看起來則是黑的。在這樣的設計下,我們可以把要顯示的影像垂直解析度減半,然後把左眼的影像放在奇數的掃描線上顯示,而把右眼的影像放在偶數的掃描線上顯示。

▲微型偏光法。

戴上眼鏡後,左眼只看得到奇數的掃瞄線,右眼只看得到偶數的掃描線,因此兩眼都能看到各自獨立但垂直解析度減半的影像,立體感就出來了。至於掃描線之間的黑線,人的大腦會自動利用相鄰兩條線的影像將它補滿,因此看起來並不會非常突兀。

▲編按:Acer Aspire 5738DG就是利用微型偏光來呈現3D效果。

裸眼3D之微透鏡法

以上三種方法,觀賞者都必須戴上眼鏡才能觀賞。有沒有不用戴眼鏡就看得到的3D顯示技術呢?有,而且它並不是什麼新技術,這種技術至少已經存在三十年之久,它就是微透鏡。

不 知道讀者小時候有沒有看過一種尺或者是墊板,從不同的角度觀看,可以看到不同的圖案?它的表面是種看起來像條紋狀的塑膠吧?那就是微透鏡。如果我們把這種塑膠尺剖開來看,會看到如圖所示的微小柱狀透鏡。藉由巧妙地安排柱狀透鏡的間距,可以在特定的距離,讓左右眼各自看到奇偶不同的畫素。

因此,我們可以把左眼要看的影像安排在奇數畫素上,而把右眼要看的影像安排在偶數畫素上,透過微透鏡,兩隻眼睛就可以各自看到不相干的畫面。

此時,左右眼所分別看到的影像,就有點類似微型偏光法所看到的影像,所不同的是微型偏光法左右眼的影像是以水平線為單位分割的,而微透鏡法所看到的畫面則是 以垂直線為單位分割的,而且因為柱狀透鏡可以放大影像的特性,在微透鏡法之下單眼所看到的影像,在線和線之間並不會有黑線。

除了讓左右眼的影像分離外,如果我們巧妙地安排微透鏡與畫素之間的間距與比例,還可以造出更多個視角,也就是從不同的角度觀看可以看到更多不同的畫面。這個技巧稱之為 「多視角3D」。,被視為3D技術的明日之星。但它最大的問題是,要有幾個視角就得準備幾套畫面,而受到顯示器本身解析度的限制,視角越多,單一視角所能看到的解析度就越低。

除了解析度的問題外,微透鏡法的另一個問題是觀賞的角度和距離受到限制。從圖中可以看出來,只有在特定的距離和特定的角度,微透鏡才可以讓左右眼各自看到不同的影像。如果觀賞的角度或是距離不對,觀賞者可能會看到破掉或是雙眼疊不起來的成像。因此,目前微透鏡的裸眼3D顯示器在手持式的裝置上比較被看好,因為像手機或遊戲機這種手持裝置,使用者與螢幕間的相對位置幾乎是確定的,因此我們可以針對這個觀賞位置設計微透鏡,讓成像在這個地方看起來最完美。

換句話說,微透鏡法比較適合獨樂樂型的應用,至於像電視或是家庭劇院這種眾樂樂的應用,還有很長的一段路要走。

裸眼3D的顯示技術除了微透鏡法之外,目前還有另一種較少見的光柵法,它是利用巧妙地安排在顯示器之前的一片格狀光柵,讓左右眼各自可以看到不同的像素。不過因為光柵會讓亮度大幅損失,這個方法目前仍處於較不成熟的階段。

▲編按:雖然裸眼電視還不成熟,但在大型電腦展上都可以看到它們的身影。

看下篇:【鳥專欄】徹底看懂3D電影與電視(下)

看上篇:【鳥專欄】徹底看懂3D電影與電視(上)

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無痕
1.  無痕 (發表於 2010年8月25日 12:57)
3D 的東西看久了,反而比單純看 2D 更累。
所以一般上除非是要看電影、玩遊戲,不必凡事都要求一定有立體效果,畢竟有得難免便有一失。
有些人光是 2D 的虛擬立體效果都看到會頭昏,甭提更接近真實的立體影像。

很久前我 MSN 某一位好友坦承說他們正在忙有關立體虛擬實境的東西,但又強調不是一般虛擬實鏡,當時真的百思不得其解,我想他在說的就是立體影像吧。

目前可見的多數立體方法,都有亮度大為減低的缺點,而營幕亮度變高,相對也提高耗電量、降低燈管壽命,不是很好的選擇。
光柵法雖然一樣也有亮度減低的問題,但就次看來是最不需要 "外物" 的技術方法。
我想沒有多少人會喜歡只是為了看個影片還要帶眼鏡。何況像我這種從小就戴眼鏡的人,就要戴兩個眼鏡去看。
嗯,在下對 3D 立體影像是抱以期待,但又不怎麼熱衷。

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