【創新科技】裸眼3D技術
■3D電視早已不是一個新名詞，究竟有什麼祕密在裡面呢？
撰文｜方程毅
想必大家對於在電影院看3D電影或在遊樂園看3D特效都不陌生，在入場前工作人員一定會發給你一副有點惱人的立體眼鏡，戴著既不舒服又不方便，如果裸眼3D技術能夠普及到我們日常生活，勢必又會掀起一波新的影音革命。
人們為什麼能感受到3D，是因為我們左眼跟右眼看到的景象有些微的不同，這個不同讓我們能感受到景深(也就是距離的遠近)，因而建構3D的視覺影像。大家小時候一定玩個一個遊戲，當一隻眼睛閉上的時候，試著將左手跟右手的食指碰在一起，你會發現前後無法對準，這就是因為只有一隻眼睛是無法判別遠近的，立體的感覺一定要靠雙眼才有辦法建構，所以筆者個人是不太相信獨眼海盜能有多厲害，因為他連敵人距離多遠都抓不準......
我們平常看到的螢幕也都是沒有景深的，因為左眼右眼看到的影像是完全一樣的。3D立體眼鏡就是利用偏光技術「欺騙」我們的大腦，讓我們左眼右眼看到的影像不同而讓大腦誤以為我們看到3D的影像，否則2D的螢幕是不可能製造出景深的。所以當我們在3D電影院把立體眼鏡拿掉的時候，你就可以看到螢幕上有「兩層」影像，一層是給左眼看的、另一層就是給右眼看的，立體眼鏡的功能就是過濾片，左邊鏡片只讓某一層影像通過；右邊鏡片就是讓另一層影像通過。
那麼裸眼3D技術又是怎麼一回事呢？
簡單來說就是要在沒有3D眼鏡的情況下把兩層影像分別投影到左眼及右眼卻又不互相干擾，因此在光學設計上就必須考慮觀眾距離螢幕的距離及所在的視角。把兩層影像分別投影到左眼及右眼這種方法稱為2D多工式，也就是說利用2D的螢幕產生3D的影像，而2D又可細分為空間多工及時間多工。目前市場上主流的技術都是空間多工，空間多工主要有兩種：視差屏障(parallax barrier)以及柱狀透鏡(lenticularlens)。
顯示器通常都是由許許多多的像素(pixel)構成，因此要產生3D影像就必須要這些像素產生兩組影像並分別送進兩隻眼睛中。視差屏障就在是在像素陣列前一小段距離放上具週期性的條紋遮蔽物(如圖(a))，這個條紋遮蔽物可以讓左眼及右眼看到不同的影像而產生3D視覺。但是這項技術最大的缺點就是能夠「看到」3D影像的區域非常小，只要離螢幕的距離或角度不正確就會看到兩個或是模糊的影像。這項技術最早由日本夏普(Sharp)將其商品化，而目前市面上利用此項技術最廣為人知的便是任天堂3DS遊戲機，掌上型遊戲機利用這個技術再恰當不過，因為眼睛跟螢幕的距離跟角度不會差太多，不像看電視一樣，可以近看、遠看、坐著看或躺著看有這麼大的差異，筆者也實際體驗過3DS的螢幕，其實還滿過癮的，但看久了頭有點暈就是了……..
另一種常見的技術柱狀透鏡則是在像素前放置透鏡，利用透鏡分光，讓左右眼接收到不同的影像(如圖(b))，進而產生立體視覺。3DFusion這間公司目前就利用這種技術生產42吋及52吋的螢幕。
視差屏障及柱狀透鏡這兩項技術生產的螢幕，觀眾能夠看到3D影像的距離跟角度都有很大的限制，一旦不在這個區域內，左眼就有可能接受到應該要進到右眼的訊號，反之亦然。不僅沒辦法感受到3D，甚至會看到模糊或是重疊的影像，嚴重影響畫面品質；除此之外這兩種方法都是在同一時間產生要投影進右眼及左眼的兩組訊號，再利用遮蔽物或透鏡進行分光，因此每隻眼睛接收到的亮度都只有一半，也就是說螢幕必須要更亮，當然也就更耗能。
為了解決亮度問題，另一種3D技術便產生，也就是時間多工。這項技術讓要投影至右眼及左眼的訊號不斷交互產生，並分別送入左右眼。因此每一個像素會隨著訊號不斷的「調整」方向。維也納科技大學(Vienna University of Technology)及2013年剛成立的新創公司TriLite就聯合研發出一種新技術，讓每個像素產生的光可以不斷變換方位及訊號，他們稱這種3D像素為Trixel(如圖(c))。3D像素中最關鍵的元素就是一面會自己轉動的鏡子(MEMS mirror)，這面鏡子跟訊號源同步，當訊號源送出要投影至左眼的訊號時，鏡子便會轉動角度將光投影至左眼；訊號源產生右眼訊號時，鏡子便再轉一個角度將畫面投影至右眼。只要這個訊號交替的頻率大於視覺暫留的頻率便可讓觀眾產生3D的視覺。這項研究也被發表在2014《Optics Express》期刊上。論文中也宣稱這項技術製作出的螢幕，觀眾可以看到3D區域比傳統的3D技術大了許多。TriLite公司的執行長Ferdinand Saint-Julien也表示這種新穎的3D像素亮度非常高，未來不僅有機會用於電影大螢幕，也有機會做成戶外廣告看板。
3D電影近年來已經掀起一股又一股風潮，越來越多的視聽娛樂將會以3D呈現，各家廠商也無不卯足全力讓3D技術越來越成熟越來越普及。究竟什麼時候技術能成熟到讓大家完全「擺脫」立體眼鏡的束縛呢？下次看到裸眼3D電視或螢幕的時候不妨感覺一下這個影像夠不夠真實，跟利用立體眼鏡產生的影像有什麼差別呢？也順便了解這些廠牌分別採用何種技術，體會一下不同技術感受到的3D影像有什麼不同吧！
參考資料：
- 黃怡菁、黃乙白、謝漢萍，「3D立體顯示技術」，《科學發展》，451期，46-52頁，2010年
- JörgReitterer, Franz Fidler, Gerhard Schmid, Thomas Riel, Christian Hambeck, Ferdinand Saint Julien-Wallsee, Walter Leeb, Ulrich Schmid. Design and evaluation of a large-scale autostereoscopic multi-view laser display for outdoor applications. Optics Express, 2014; 22 (22): 27063 DOI:10.1364/OE.22.027063
- Huge 3-D displays without 3-D glasses
- Huge 3D Displays without 3D Glasses.
- GLASSES FREE 3D OPTICS.
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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
