立體顯示技術簡介 一、原理、技術分類


前言

恩…終於下定決心來寫這一系列了。

最近在整個環境中,立體螢幕的技術,似乎是漸漸地成熟、普極了;而相關性的產品,也越來越多,價位也越來越低廉了~不少廠商,也都致力於將立體顯示推到一般的消費性市場,像是 nVidia 已經上市的 3D Vision官方網站)、Sony 預計在 Play Station 3 上加入的立體功能(日文新聞稿)、Blu-ray Disc 正在規畫的立體規格(參考)…等等。

像這樣的軟硬體越來越多、搭配硬體的售價降低與技術提高,相信消費性立體顯示技術的普及應該是可以期待的。

3D 和 Stereoscopy

在開始介紹前,先稍為釐清一下名詞的問題。目前對於這方面的名詞,一般比較常見的有兩個,一個是「3D」,也就是三維、或是三度空間;另一個則是「stereoscopy」,也就是立體視覺。

實際上,一般來說講 3D 的話,所指的應該會是電腦圖學(3D Computer Graphics),也就是透過電腦,將 3D 模型這類的東西,繪製出來的技術(參考維基百科);最普遍的例子,就是現在的 3D 遊戲了~所以其實單講 3D Display 要來描述立體螢幕,其實算是不夠充分的;要講 stereoscopy 才是真正直指「立體」這項關鍵。不過目前大部分的廠商,都還是以 3D Display 來講立體顯示就是了…

 

立體視覺

在介紹立體成像技術前,Heresy 在這一篇先稍微來談一下,什麼是立體視覺。首先,人類為什麼能透過視覺看出深度、並感覺到立體感呢?最主要的一點就是,人眼的視覺是可以感覺出深度的,也就是「深度知覺(depth perception)」;而有了深度的資訊後,才能判斷出立體空間中的相對位置。

怎麼做到的呢?一般最簡略的講法,就是「因為人有兩個眼睛」。由於兩個眼睛的位置不一樣(一般人兩眼間距約 5 到 7 公分),所以看到的東西會有兩眼視差(binocular parallax),而人腦會再將這兩個影像做融合(convergence),而產生出立體的感覺;而這就是所謂的「binocular cues」。

像右圖就是一個兩眼視差的簡單例子。由於紅色的三角形位於藍色的方塊之前,所以左眼看到的畫面會是紅三角稍微偏右一點,而相對的,右眼看的到就會是紅色三角稍微偏左一些。而當這兩張不同的照片給人腦處理後,就會產生「紅色三角形在藍色方塊前」這樣的立體空間的感覺。

雙眼視覺這個說法用來解釋立體視覺基本上是沒問題;但是實際上,還有很多其他的因素,會對人類的立體視覺有影響。就算在單眼的情況下,人類依然可以依靠「monocular cues」的各種性質,感覺出場景中的深度;這主要包括了:

  • 人眼本身的調適性(accommodation),眼睛本身在調整遠近焦距時的變化

  • 動態視差(motion parallax),因位置的前後差異,而產生的移動時的差異;比如說在坐車時,會覺得較近的物體移動地比較快。

  • 透視(perspective),主要是「線性透視(linear perspective)」和「空氣透視(aerial perspective)」。
    線性透視來說,最好的例子就是站在火車軌道上往遠方看,兩條平行的鐵軌會在遠方交接。而空氣透視則是指在地球的大氣中,因為空氣的影響使遠方的物體會有蒙上一層霧的感覺,而近距離的物體相形之下則顯得清晰。

而其他像是被觀測物體間的大小關係、光影、材質等等,也都有可能影響到對於物體在立體空間中位置的判斷。

所以一般來說,就算是單眼,雖然沒有雙眼來的好,但是人類也還是可以大致判斷出深度、產生立體感的~像我們一般看到電腦產生的立體畫面、或是一般的照片、繪畫等,也都是透過 monocular depth cues 的性質,讓觀察者可以判斷出空間中的相對位置。但是真正要有比較完整的立體感,還是要有兩隻眼睛的。

 

重現立體

既然對於人類的立體視覺最重要的是雙眼視覺的部分,那麼,要怎麼重現立體呢?其實,不管是任何的成像方法,要重新呈現出立體的感覺,目前最重要的方向,大多還是想辦法讓兩隻眼睛看到左右眼各自不同的畫面;而為了做到這一點,也衍生出了各式各樣不同的方法。

不過也由於立體成像的技術非常多元,所以似乎也還沒有一個統一的分類方法;到目前為止,Heresy 也已經看過不少人的介紹,但是分類方法都不盡相同。不過一般來說,第一層是用「要不要帶眼鏡」這個條件來做區分的,似乎是比較普遍的。

而在這裡,Heresy 參考一些廠商的分類,稍微自己整理了一下目前立體顯示技術的方法分類:

這邊有稍微做一些整理

這些技術都算是目前比較普及或是知名的了~而各種方法也都有各自的優缺點。詳細的介紹,請參考各項的說明(會慢慢補上);而 Heresy 這邊真正在用的,主要是需要配戴眼鏡的立體系統,包括了主動式眼鏡、彩色眼鏡式立體、偏光眼鏡式立體以及波長多路式。其他的系統,大多是有看過實際的呈像結果,但是卻沒有真的有認真玩到了。


參考資料:

關於 Heresy
https://kheresy.wordpress.com

64 Responses to 立體顯示技術簡介 一、原理、技術分類

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