立體顯示技術簡介 五、空間多工的平面裸眼立體顯示系統


前面幾篇已經把主要幾種要戴眼鏡的立體技術都講了一下,而接下來,要介紹的就是不用戴特殊眼鏡的裸眼立體系統了~而在這邊,先大致將裸眼立體的技術分為兩大類:

  • 一種是用一般的平面顯示器(LCD 螢幕、電視)來作立體呈現
  • 另一種則是用特殊的裝置,真正產生三度空間立體影像的技術

在這一篇,會先以平面顯示器的為主。

平面式裸眼立體顯示系統

在前面介紹要戴眼鏡的立體技術時,各項技術不管是用什麼方法,最基本的概念,其實都是一樣的,那就是:「在同一個顯示的平面區域上,同時顯示兩眼不同的影像,再透過對應的眼鏡做過濾,讓兩眼各自只看到鼠於自己的影像」。(HMD 不是這樣就是了。)

而在平面的裸眼立體顯示系統裡,最大的問題,就是「怎樣在不用眼鏡過濾的情況下,讓兩隻眼睛看到不同的影像」了!

要做到這件事,目前的技術就是透過精密的光學計算、控制,讓左右兩眼影像的每個畫素所發出的光線,只會射向空間中的特定位置,進而讓觀賞者在特定的區域時,左眼接受到的都是左眼影像、右眼接受到的都是右眼的影像!

而要做到這樣的光線控制技術,又有許多種不同的方法,目前主要的方法,有「空間多工(Spatial-multiplexed)」和「分時多工(time-multiplexed)」兩種。

在這篇文章裡,主要是先介紹所謂「空間多工」的方法。這種方法主要的原理,就是是透過在同一個畫面、以畫素交錯的方式,同時顯示左右眼的影像,然後再搭配特殊的光線控制技術來讓兩眼看到不同的畫素

像左邊的示意圖就是一種交錯式(interlace)的排列方法;最上方的 L、R 是代表一般螢幕上顯示出來的左右眼原始影像;而中間的圖,則是代表螢幕個別用奇數/偶數垂直線上的畫素、分別顯示左右眼影像的樣子。最下方,則就是透過這種方法,將左右眼影像一起顯示出來的樣子(奇數列是左眼的眼鏡、偶數列是右眼的影像)了~

也就是說,在這種顯示模式下,如果兩眼影像的原始解析度是 16 x 16 的話(最上方的圖),那兩眼各自的取出來的解析度就會變成一半、也就是是 8 x 16(中間的圖);而實際上在螢幕顯示時,就是會像最下方的圖一樣,交錯地顯示兩眼的影像,而這時後的解析度會和原來一樣,是 16 x 16。

而因為這樣的顯示裝置經過精密的光學設計,所以使用者在正確的位置觀看時,左眼只會看到奇數列的畫素(左眼的影像、中間右邊的圖)、右眼只會看到偶數列的畫素(右眼的影像、中間左邊的圖);也由於兩隻眼睛可以看到不同的影像,所以也可以產生立體的效果!不過,實際上在看的時候,是會覺得畫面比較粗的~這是兩眼各自看到的影像,解析度都只是一半、也就是 8 x 16 而已。

這邊這種畫素的排列方法只是一種簡單的範例,實際上還有許多種不同的排列方式(例如棋盤式的排列);但是基本上這類的方法就是在同一個畫面、透過不同的像素同時顯示兩眼的影像,所以實際上都是會犧牲解析度的~

在一個畫面裡面同時顯示左右兩眼的影像的技術有了之後,接下來就是要控制光現了~目前這類型的立體顯示器控制光線方向的方法,基本上有 lenticular(透鏡)和 barrier(屏障)這兩類,接下來會大概介紹一下這兩種技術。


使用 lenticular(透鏡)的立體顯示器

顧名思義,這種技術就是透過在面板前方放置經過精密計算、設計的透鏡,來改變光線的方向了~

右圖是簡單的示意圖,下方是螢幕的面板,下方紅色的點,是代表用來顯示右眼影像的畫素、綠色的點則是代表用來顯示左眼影像的畫素。這種技術的基本原理就是在面板前方,放上經過精確計算的透鏡(藍色的部分),來改變光線的方向了。在這樣的設計之下,由左眼影像像素(綠色)發出的光,會經過透鏡的折射,都進入左眼的區域、而不會跑到右眼去;同樣的右眼的像素也不會被左眼看到,所以可以控制兩眼各自看到螢幕上不同的像素,進而讓兩眼看到不同的影像、產生立體效果。

而這些透鏡的製作,又有不同的技術,像是 active lens、passive lens、LC lens 等等,各自都有各自的優缺點,不過在這邊就不詳談這些差異了(Heresy 不是做這行的,也沒辦法解是多少…)。

另外,這種技術目前面也可以做到能夠切換透鏡的狀態,讓螢幕可以在 2D(平面)和 3D(立體)模式中做切換,如此一來,立體螢幕也可以在一般非立體的場合時,也可以當作一般的螢幕使用。(如果不能切換的話,在一般平面顯示時,會有部分的像素看不到)


使用 barrier(屏障)的立體顯示器

和 lenticular 是去改變光線方向的原理不同,parallax barrier 的基本設計,是在螢幕前再加上一些遮蔽物,把部分方向的光遮住,只讓某些角度的光可以傳出去

右圖就是簡單的示意圖,barrier 就是在眼睛和面板中間的黑色方塊了~這些方塊的位置是經過精密地計算的,可以檔掉由左眼影像畫素(綠色)發出、本來會進入右眼的光,讓這些畫素只被左眼看到;同樣的情況也會發生在右眼影像的畫素(紅色)上,所以右眼的畫素也只會被右眼看到。如此一來,也可以和使用 lenticular 時一樣,控制兩眼各自看到螢幕上不同的畫素。

在實作上,除了將 barrier 放在面板前,似乎也有將 barrier 放在面板之後、介於面板和背光之間的設計。而對於 barrier 的製作,同樣也有不同的材質與方法;像是如果採用可切換狀態的 LC Barrier 的話,同樣也可以做到 2D / 3D 的顯示模式切換,讓螢幕的通用性更廣、可以當作一般螢幕使用。


lenticular 和 barrier 的比較

整體來說,由於這兩者的差異,只在於控制光線方向的方法,所以其實算是相當接近的。

兩者技術最大的差異應該會是在亮度的部分。在於使用 lenticular 的技術,由於是改變光線的方向,所以螢幕的亮度不會被犧牲太多;而採用 barrier 的話,則會因為需要把相當多的光線給檔掉,所以會讓螢幕的亮度降低不少(不過廠商一般也會提高背光亮度,把損失的部分補回來)。

當然,除了亮度以外,由於技術、設計的不同,在立體呈現的效果上,也是會有些差異的,不過在 Heresy 來看,差異並不會非常明顯。而目前台灣的面板廠商有在製作的這類型立體顯示螢幕,主要應該都是使用 barrier 技術的。


2-View 以及 Multi-View

另外,這種類型的螢幕,還有視角數目的分別。由於立體顯示的原理就是讓人的兩眼看到不同視角的影像,所以前面在講的,也都是以左眼影像和右眼影像來做說明;不過實際上,在看這類型的立體螢幕的規格的時候,可以發現除了有透過左右眼影像(兩個視角、2-view)來做顯示的螢幕之外,還有所謂的多視角(Multi-view)的螢幕。

為什麼要 multi-view 呢?這點要先從 2-View 在實際使用的狀況來講。

平面式的裸眼立體顯示系統,由於是要精確地控制光線,所以大多是先設定好一個距離、以及幾個預設的觀賞位置後,再來做光學上的設計;而根據設計,可以讓每一個畫素的光線在這些位置,可以如預期般地被看到。也就是只要在這些預設的位置裡,理論上都是可以看到正確的立體效果的~不過相對的,如果不是在這些位置看的話,也就看不到正確的立體效果了。

在 2-view 的情形下,大致上可以用下圖來表示。下方的綠色長條是代表螢幕、上方則是螢幕的前方,而螢幕所發出的光線,則是會射到空間中的不同位置;圖中上方的 R 或 L,即是代表該區域看到的畫面是左眼或右眼的畫面,而紅線則是兩個區域間的間隔。不過實際上由於螢幕的光源不只一個點,所以左右眼各自的視區實際上不會是像下圖一樣的扇形,而是根據視角、位置的不同,有更複雜的形狀;同時,在實際狀況中,這些視區也會更小。

在這樣的一個系統裡,如果一個人的右眼在 R 的區域、同時左眼也在 L 個區域的話(也就是位於圖上方綠色弧形的位置),那他的右眼就可以看到右眼的影像、左眼則會看到左眼的影像,所以在這個情況下,就可以看到正確立體的效果!而要能達到這樣的狀況,除了和螢幕的距離要在設計的觀賞距離的範圍內以外,和螢幕的相對位置,也是需要調整的~不然就有可能會變成左眼看到右眼的影像、右眼看到左眼的影像(上圖中紅色弧形打叉的區域),這樣的話,看到的立體效果就會是完全相反的了!

而參考上圖的正確區域(綠色弧形)和錯誤區域(紅色弧形),可以發現其時會看到錯誤的立體的地方,其實是相當多的!也就是你隨便在 2-view 立體螢幕前一站、直接往螢幕看的話,會有超過一半的機會,是看不到正確的立體效果的!

而要解決這種可視範圍過少的情形,目前比較普遍的方法,就是在原來只有左右眼的兩個視角,加入更多不同角度的視角!這樣的話,可以正確看到立體效果的區域,大概就會如下方的示意圖:

這個示意圖是代表一個5-view 的系統,圖中的 1 ~ 5 就是代表由右到左的五個不同視角的影像、數字不同就是代表不同的視角(view);而這樣的 5 個 view 大致會是像下圖這樣子(如果是 2-view 的話,可能就是儘有 2 和 4 兩個視角來當作右眼和左眼)。

由於變成五個 view 了,所以只要順序是對的,像是右眼看到 1、左眼看到 2,或是右眼看到 4、左眼看到 5 的時候,都會有正確的立體效果~唯一會有問題的組合,就變成剩下「右眼看到 5、左眼看到 1」這種左右相反的情況了!也因此,使用 multi-view 的情況下,不但可以讓看到正確立體效果的區域變大,某種程度上也可以讓使用者在用不同角度看的時候,感覺到不同的立體效果(View + View 2 的立體效果會和 View 4 + View 5 差滿多的)~

不過相對的,使用 multi-view 的缺點,第一個就是在來源端要能夠有多視角的影像。這也增加了訊號源取得的難度~不過實際上,這點在某種程度上是可以用軟體的模擬來做掉的。

第二個問題則又是解析度方面的影響。本來 2-View 時為了在同一塊面版上,顯示左右眼的影像,是會把面板的話素分一半給左眼、一半給右眼,這樣兩眼影像的解析度只有螢幕面板實際解析度的一半;而在 n 個 view 的情況下,為了能同時顯示 n 個 view 的影像,就變成每個 view 都只有面板解析度的 1/n 了!也就是 view 越多,實際上的影像解析度就越低~而這樣的問題雖然可以透過增加面板的解析度來解決,但是實際上還是有其限制的…


小結

由於裸眼式立體顯示器不需要額外配帶眼鏡,所以在實際使用上,會比虛要配戴特殊眼鏡的立體顯示方案來的方便、輕鬆;同時在多人觀看的時候,也不需要考慮眼鏡的成本(更不怕眼鏡被人帶走 :p)。

但是實際上,這類型的裸眼立體顯示方案的限制也是相當地多的。大部分的裸眼立體顯示方案,都需要在特定的距離、特定的位置,才會有比較好的立體顯示效果;在這些以外的位置看的話,則是有可能會看到不佳或錯誤的立體效果、甚至完全感覺不到立體感。

所以除非有辦法限制觀賞者的位置,不然 Heresy 是覺得效果不會非常好。而在 Heresy 來看,裸演式立體系統就算是最好的立體效果,也還是遠遠比不上需要配帶立體眼鏡的顯示系統的立體效果

另外,這種透過畫素排列來同時顯示多視角影像的技術,在解析度上的問題仍然是有待克服的。不然在為了增加視角的同時,也降低了相當程度的解析度,畫質的損失也是相當明顯的!所以 Heresy 會認為,這類型的立體顯示技術真的要廣為接受的話,應該還要相當程度的進展才行…


相關照片

由於 Heresy 這邊沒有這類型的立體顯示器,所也也沒有實物的照片,有興趣的人可以參考之前 Heresy 參加展覽時拍的照片:

本系列文章目錄

對「立體顯示技術簡介 五、空間多工的平面裸眼立體顯示系統」的想法

  1. 真是非常謝謝Heresy 的介紹,最近正在念這方面的paper,但有許多不懂的地方,看完您的文章後讓我對這個領域了解更多了!

  2. […] 在前一篇文章裡,除了大致介紹平面式裸眼立體顯示系統的概念外,也大概先介紹了使用空間來同時顯示多眼影像的顯示系統;而空間多工的顯示方法,最主要的缺點,就是會犧牲螢幕的解析度了~而在目前的裸眼立體顯示技術裡,除了這種會降低解析度的方法外,也還有所謂的「分時多工(time-multiplexed)」的方法,可以用面板全解析度來呈現立體效果! […]

  3. […] HTC 的 EVO 3D 算是最近滿熱門的一支內建了裸眼立體顯示的手機(技術的概念說明);而由於他有設計雙鏡頭的立體攝影功能,所以也可以直接拍出立體照片~Heresy 當場也有大概玩一下,基本上和 Heresy 預期的差不多。在正確的視角的時候,立體效果相當不錯!但是相對的,只要偏離了正確的視角,就出包了~基本上,這也是目前幾乎所有裸眼立體顯示器的問題了。 […]

  4. 另外一提,要解決可視位置的問題,實務上還有一種做法,是在螢幕上加入攝影機來追蹤人的位置、計算出光線應該要怎麼控制才會對這個人有立體感。

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