[教學] 3D 立體顯示技術與成像的原理
世界
根據研究，我們人類的眼睛在觀察一個三維物體時，由於兩眼水平分開在兩個不同的位置上，所觀察到的物體圖像是不同的，它們之間存在著一個像差，由於這個像差的存在，通過人類的大腦，我們可以感到一個三維世界的深度立體變化，這就是所謂的立體視覺原理。
據立體視覺原理，如果我們能夠樣我們的左右眼分別看到兩幅在不同位置拍攝的圖像，我們應該可以從這兩幅圖像感受到一個立體的三維空間。
從前面的分析中我們可以知道不同的觀察角度將可以看到不同的圖像。因如果我們將光柵垂直於兩眼放置，由於兩眼對光柵的觀察角度不同，因而兩眼會看到兩個不同的圖像，從而產生立體感。
現在所謂立體電影的效果，都是透過兩台投影機個字放出左右眼的影像到同一個螢幕上，因此當不戴眼鏡的時候，可以發現螢幕上會有兩個不完全相同的影像；然後再透過特殊偏光眼鏡，針對一隻眼睛，濾掉其中一個影像，讓左眼只看到左眼的影像、右眼只看到右眼的影像。
藉此，就可以透過讓兩眼看到不同的影像，來欺騙大腦，兩眼影像會融合成一個影像，讓大腦以為我們看到的是真的立體的東西。由於人類的雙眼集中於一面，相較其他大多數的動物來說，犧牲了視覺範圍，卻增加了判斷深度和距離的能力。
兩眼之間的距離平均約為6.5公分，使得妳不論用哪一隻眼睛去看一個較近的物體，都會得到不同的遠背景。這種左右眼所見影像並不相同的現象，稱為雙眼像差。雙眼像差的程度與物體的距離有關，距離越近，像差越顯著;越遠則像差越小。
3D 立體顯示技術原理與遊戲應用歷程簡介
「3D 立體顯示」可說是近來娛樂產業相當熱門的話題，不但有好萊塢推出《阿凡達》等賣座 3D 立體電影，全球各大家電廠商也積極佈局準備推出一系列支援 3D 立體顯示的播放機與電視機等家電產品，NVIDIA 也推出支援 3D 立體顯示的 PC 繪圖卡與周邊，甚至連 SCE 與任天堂也陸續發表 PS3 與 NDS 後繼機種的 3D 立體顯示支援。
本次的專題將針對 3D 立體顯示的原理與應用作一簡單介紹，了解各種 3D 立體顯示是如何重現現實世界的立體感，以及 3D 立體顯示在遊戲領域的實際應用。
立體視覺的構成
我們之所以能感受到立體視覺，是因為人類的雙眼是橫向並排，之間大約有 6﹣7 公分的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有些微的差異，這個差異被稱為「視差（Parallax）」，大腦會解讀雙眼的視差並藉以判斷物體遠近與產生立體視覺。
當觀看者只以單眼來觀看景物時，因為沒有了視差，所以立體感也會隨之消失。
3D 立體顯示的基礎
由於立體視覺是基於視差而來，因此 3D 立體顯示的基礎，就是要以人工方式來重現視差，簡單說就是想辦法讓左右兩眼分別看到不同的影像，藉以模擬出立體視覺。在這個基礎之下發展出各式各樣的 3D 立體顯示技術，主要分為眼鏡與裸視兩大類型。
3D 立體顯示的起源
3D 立體顯示的歷史相當久遠，早在 19 世紀攝影技術剛起步時就已經出現。做法是將 2 台相機並列模擬雙眼，同時拍下 2 張有著些微差異的相片，之後再透過平行視線法、交叉視線法或類似雙筒望遠鏡的專屬觀看設備等方式讓雙眼分別觀看 2 張並列的相片。
˙平行視線法：讓雙眼視線平行，左右眼分別觀看左右相片
˙交叉視線法：將雙眼視點移至近處（鬥雞眼）讓視線交叉，左右眼分別觀看右左相片
以上兩種方式不需要特殊的設備就能在一般的平面媒介上觀看到立體影像，不過因為是以不自然的視線觀看，並不是每個人都能適應，對眼睛的負擔也大，實用性不高。
雙鏡筒式的專屬觀看設備可以明確分隔左右眼的視線，不需要讓觀看者自己憑感覺去調整視線來捕捉立體感，因此大多數人都能適應，這個方式後續也發展為頭戴式 3D 立體顯示螢幕，透過左右兩組螢幕讓左右眼觀看不同畫面產生視差以呈現立體畫面。 不過上述幾種方式每次只能讓一個人觀賞，並不適合有多人欣賞需求的應用。
眼鏡式 3D 立體顯示技術
為了滿足像是電影等多人觀看需求的應用，因此後續也出現了以特製眼鏡來同時提供多人觀看的各種 3D 立體顯示方式，並根據運作模式分為被動式與主動式兩大類。
【被動式 3D 立體眼鏡】
被動式 3D 立體眼鏡指的是眼鏡本身是單純的鏡片 + 鏡架所構成，不牽涉到任何機械式或電子式的運作。雖然此類眼鏡所採用的技術有很多種，不過基本原理都是透過光學方式讓兩組畫面分別只能穿過左右其中一眼的鏡片，讓左右眼觀看到具備視差的影像。
˙紅藍濾色片式 3D 立體眼鏡
最早問世的是採用紅色與藍色（或紅色與綠色）濾色片構成的 3D 立體眼鏡，眼鏡本身的成本很低（可使用紅藍玻璃紙與紙板製作），早期的 3D 立體電影多採用此方式，分別投射出經紅色濾光與藍色濾光的畫面，再讓觀看者配戴紅藍 3D 立體眼鏡來觀看。
紅藍濾色片方式可適用於平面印刷媒體或是一般顯示設備。
由於紅藍濾色片式 3D 立體眼鏡有著無法正確重現原本畫面色彩的缺點，因此後續有廠商推出了改良式的「ColorCode 3D」，透過琥珀色與藍色濾色片分別呈現彩色與單色兩組畫面，由於大腦會自動結合雙眼觀看到的影像，因此可以獲得彩色的立體畫面。
˙偏光式 3D 立體眼鏡
後續在偏光技術普及後，開始有廠商採用偏光式的被動式 3D 立體眼鏡。偏光片是透過如百葉窗般排列的矽晶體塗料薄膜（偏光膜）來過濾原本朝不同方向震動的光線，會擋住與偏光膜方向垂直的光線，只讓與偏光膜方向相同的光線通過。由於偏光片只會過濾光線的方向，而不會像濾色片那樣過濾光線的顏色，因此可以完整保留畫面的色彩。
播放時只要使用兩組設備分別透過偏光片投射出垂直偏光與水平偏光畫面，或是使用一組設備搭配可切換偏光方向的主動式偏光片交替投射出垂直偏光與水平畫面，再讓觀看者配戴垂直偏光片與水平偏光片組合的偏光式 3D 立體眼鏡，就可以觀看到立體畫面。
應用在液晶顯示器時，可使用兩片重疊的液晶面板各自顯示垂直與水平偏光畫面，此方式的成本較高。或者是在螢幕表面配置奇偶交錯排列的垂直與水平偏光片，各利用一半像素顯示垂直與水平偏光畫面，此方式的成本較低，不過垂直或水平解析度會減半。
近年的 3D 立體電影多半採用偏光方式來呈現。不過偏光方式必須使用特殊的投影機或是螢幕等顯示設備才能呈現，因此並無法適用於平面印刷媒體或是一般顯示設備。【主動式 3D 立體眼鏡】
主動式 3D 立體眼鏡是透過眼鏡本身的主動運作來達成 3D 立體顯示效果。
˙雙顯示器式 3D 立體眼鏡
雙顯示器式 3D 立體眼鏡雖然無法提供多人觀看需求，不過仍就算是主動式 3D 立體眼鏡的一種，運作的原理非常簡單，透過左右眼鏡中配置的兩組小型顯示器來個別顯示左右眼畫面，來達成立體顯示的效果。由於必須配置兩組獨立的顯示器，因此成本較高，而且只能讓單人觀看。因此通常只應用在特殊用途，像是搭配頭部偵測應用在虛擬實境。
任天堂於 1995 年推出的可攜式遊樂器「Virtual Boy（VB）」就是此類設計。
˙液晶式 3D 立體眼鏡
液晶式 3D 立體眼鏡是採用主動式液晶鏡片所構成的 3D 立體眼鏡，運用液晶可藉由電場來改變透光狀態的原理，以每秒數十次的頻率交替遮蔽左右眼視線。播放時只要交替顯示左右眼畫面，再透過同步訊號讓液晶式 3D 立體眼鏡與畫面同步運作，播出左眼畫面時讓右眼鏡片變黑、播出右眼畫面時讓左眼鏡片變黑，就可以達成立體顯示的效果。
由於液晶式 3D 立體眼鏡不需要濾色或偏光等特殊構造的播放設備就能呈現，只需要提升播放設備畫面更新頻率及添加同步訊號發送裝置即可，因此可適用於大尺寸多人觀賞需求，是目前最廣泛應用於 3D 電視等民生娛樂領域的方式。包括 PC 上由 NVIDIA 推出的「3D Vision」以及各家電大廠最近狂推猛打的 3D 立體電視產品，都是採用此方式。
由於畫面是採左右交替方式播放，同一時間內只有一隻眼睛能看到畫面，因此當開啟 3D 立體顯示模式時，畫面更新頻率會變為原本的一半。如果只搭配現有的每秒 60 次更新標準規格時，畫面更新頻率會降到每秒 30 次，讓觀看者感受到明顯的閃爍。因此目前各廠商所推出的方案都是將螢幕更新頻率加倍到每秒 120 次，來避免閃爍的問題。
液晶式 3D 立體眼鏡由於必須主動運作，因此構造上比被動式 3D 立體眼鏡複雜，雖然播放設備的成本較低，不過眼鏡的成本高出不少，以目前主流的紅外線同步方式來說，就必須配備額外的接收控制電路與電池，而且液晶鏡片的交錯遮蔽會影響畫面的亮度。
雖然液晶式 3D 立體眼鏡這一兩年才隨著新產品的推出開始發燒，不過在遊戲領域的應用事實上已經超過 20 年，最早是 SEGA 在 1986 年推出 SEGA MarkIII / Master System 用的「3D 眼鏡」，任天堂也在 1987 年推出 Famicom 用的「Famicom 3D 系統」。
不過當年的液晶式 3D 立體眼鏡周邊在設計上遷就於既有 NTSC / PAL 規格映像管螢幕，遊玩時畫面的亮度低閃爍感強烈，加上當時的遊樂器完全沒有 3D 繪圖能力，只能概略呈現具備前後層次感的平面圖層，因此並未獲得市場青睞，支援遊戲款數相當少。
裸視 3D 立體顯示技術
雖然眼鏡方式能滿足多人共同觀看的需求，不過觀看時必須配戴特殊眼鏡仍舊是個相當大的障礙，各家廠商於是投入不需要配戴特殊眼鏡的裸視 3D 立體顯示技術研發。
所謂的「裸視 3D 立體顯示」，是指在不配戴任何特殊配件的狀態下以裸眼視覺就能直接觀看到 3D 立體顯示的效果。雖然基本原理仍舊是讓左右眼觀看不同畫面產生視差來營造立體感，不過前提是不配戴眼鏡，因此必須透過特殊設計的螢幕來達成目標。
由於裸視 3D 立體顯示在技術上仍有許多限制，因此主要用於個人化小型化的顯示用途，如行動電話、數位相機等，較少用於多人化大型化的顯示用途，如電視螢幕等。 裸視 3D 立體顯示根據運作模式又分為空間多功式與分時多功式兩大類。
【空間多功式裸視 3D 立體顯示】
空間多功式裸視 3D 立體顯示是在同一個螢幕上，以分割顯示區域（空間）同時顯示左右兩眼畫面（多功）來達成 3D 立體顯示效果的方式，因此被稱為「空間多功」。
˙柱狀透鏡式 3D 立體顯示（Lenticular Lenses）
柱狀透鏡式 3D 立體顯示螢幕，是在螢幕表面設置垂直排列的圓柱狀凸透鏡薄膜，透過透鏡折射來控制光線行進方向，讓左右兩眼接受不同影像產生視差呈現立體效果。
由於光線在通過凸透鏡時，行進方向會折射而產生變化，因此只要將左右眼畫面以縱向方式交錯排列，再透過一連串緊密排列的柱狀透鏡，就能讓左右眼看到各自的畫面。
柱狀透鏡方式的歷史久遠，應用範圍也相當廣泛，包括平面印刷或是螢幕顯示器都能運用此方式來呈現 3D 立體畫面，市面上常見的立體墊板等產品就是利用相同的原理所製作。除了呈現立體影像之外，柱狀透鏡還能用來呈現會隨觀看角度而變化的影像。
由於柱狀透鏡可以在多個角度下產生立體效果，因此可以適用於多人觀看的應用，不過在不合適的角度觀看時會出現影像重疊的狀況。一般的柱狀透鏡是固定貼附在螢幕表面，而且是以單一方向排列，因此無法切換顯示模式，水平解析度會降為原本的一半，畫質也會受到透鏡折射影響，螢幕旋轉 90 度時就會無法呈現立體感。不過也有廠商研發在柱狀透鏡中注入液晶來改變聚焦特性的技術，可關閉透鏡的折射效果切換成 2D 模式。
˙視差屏障式 3D 立體顯示（Parallax Barriers）
視差屏障式 3D 立體顯示螢幕，是在螢幕表面設置稱為「視差屏障」的縱向柵欄狀光學屏障來控制光線行進方向，讓左右兩眼接受不同影像產生視差達成立體顯示效果。
由於左右眼視線通過柵欄狀視差屏障的角度不同，因此會看到後面螢幕的不同部分，只要將左右眼畫面以縱向方式交錯排列，就能讓左右眼看到各自的畫面產生立體感。
由於是採用遮蔽方式來達成立體顯示效果，必須將螢幕分為左右兩畫面顯示，因此水平解析度會降為原本的一半，而且畫面亮度會下降。之外還會還有觀看距離、角度與方向的限制，必須在規劃的距離與角度內觀看，畫面轉 90 度時就會無法呈現立體感。
後續廠商研發許多技術來改善視差屏障式 3D 立體顯示螢幕的先天限制，像是採用可開關的液晶薄膜來充當視差屏障，就能透過液晶屏障的開關來切換 2D / 3D 顯示模式，液晶屏障排列方式也可以製作成水平與垂直兩種方向，配合橫拿與直拿的需求切換。
視差屏障式 3D 立體顯示是目前最廣泛應用於可攜式裝置的方式，包括 SHARP 與日立都不約而同的在任天堂發表 N3DS 後緊接著發表了各自的行動電話用視差屏障式 3D 立體顯示螢幕。其中 SHARP 的產品將液晶屏障與觸控薄膜整合在一起，而且同時支援橫拿與直拿的應用，比較符合 N3DS 的需求，不過目前還無法確定是否會獲得任天堂採用。
【分時多功式裸視 3D 立體顯示】
時間多功式裸視 3D 立體顯示是在同一個螢幕上，以左右交替分別顯示（分時）左右兩眼畫面（多功）來達成 3D 立體顯示效果的方式，因此被稱為「分時多功」。
˙指向性背光分時式 3D 立體顯示
指向性背光分時式 3D 立體顯示，是藉由指向性背光膜搭配左右配置的背光光源，以高速交替方式分別朝左右眼顯示不同畫面來達成立體顯示效果的方式。由於指向性背光膜可以控制光線射出的方向，因此能將左右畫面分別投射到觀看者的左右眼中。
當螢幕右側的背光光源亮起時，就會透過指向性背光膜射出朝左眼方向的光線，用來顯示左眼畫面。當左側的背光光源亮起時，就會透過指向性背光膜射出朝右眼方向的光線，用來顯示右眼畫面。藉由左右畫面高速交替顯示，就能平順的顯示立體影像。
由於指向性背光方式採用分時多功，因此每次都能以面板的完整解析度來顯示畫面，不像空間多功只能以面板的一半解析度來顯示畫面，而且只要左右兩側的背光光源同時亮起，就能切換為 2D 顯示模式。不過由於左右眼畫面是以指向性的方式顯示，因此只有從螢幕正面觀看時才能看到立體影像，而且當螢幕旋轉 90 度時就無法顯示立體影像。 指向性背光分時式 3D 立體顯示產品目前仍處於研發階段。
˙深度融合式 3D 立體顯示（Depth-fused 3D）
深度融合式 3D 立體顯示是將兩片液晶面板前後重疊在一起，分別在前後兩片液晶面板上以不同亮度顯示前景與後景的影像，藉由實體的深淺差異來呈現出景深效果。
由於深度融合式並不像其他方式是以模擬兩眼視差來產生立體感，而是讓畫面真正具備前景與後景的差別，能讓觀看者兩眼視線的焦點自然落在畫面位置並感受到景深，因此觀看時眼睛比較不容易感到疲勞。不過受限於前後景重疊時的角度偏移不能太大，因此適合觀看的角度有限，加上需要重疊兩片液晶面板來構成，因此體積較大成本較高。深度融合式 3D 立體顯示不屬於多工方式，產品問世已久不過應用層面有限。
參考資料:http://news.chinatimes.com/tech/0,5249,171710x172010042000561,00.html
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