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創新裸眼/眼鏡式技術 3D顯示器指日可待

2009/8  陳政一/李汪洋
顯示器的演進過程中,從最早的黑白陰極射線管(CRT)、彩色CRT顯示器,至近年來已成為主流的液晶顯示器(LCD),除了為使用者帶來高畫質的享受外,也因為輕薄的特色使得空間利用率更加提高。至於消費者心目中下一階段的顯示器主流?很明顯的,答案已呼之欲出,就是在近幾年各家面板廠都頻頻投入研發人力的立體(3D)顯示器。
人類對立體顯示的追求從早期的亂點印刷立體圖(SIRDS),使用者在一張看似隨機的黑白雜點圖上,利用鬥雞眼的方法來達到欺騙大腦以達到立體的效果,發展到僅須配戴紅藍眼鏡就可看到立體畫面的3D顯示技術,後來的偏光眼鏡立體技術更能達到全彩的立體畫質,並已成功地將觀眾帶到另一種感官的享受。3D顯示技術在歷經幾10年的發展,已可達成商品化,但仍只限於數量有限的立體電影院,現在則要思考能讓終端用戶在家中即能享受到3D畫質帶來的全新視覺感官。  

今年台北光電展的展場中,映入眼簾的除了各式各樣輕薄的LCD面板外,最吸引大家目光的不外乎是立體顯示器。由於技術的不斷進步,目前要在LCD看到立體畫面已不再是夢想,再輔以好萊塢不斷推出新的3D電影(如今年已上演的3D血腥情人節、怪獸大戰外星人等),好萊塢夢工廠(Dreamworks)更宣布往後的動畫電影都將以3D的方式呈現,藍光光碟陣營也正如火如荼地為3D影片的儲存傳送制定標準化,無不加速推廣此技術的發展,立體顯示可說是已成為全民運動,以下將介紹立體的成像原理及目前幾項較為重要的立體顯示技術。  

視差造成立體感  

要在平面顯示器上顯示立體感,必須欺騙大腦讓大腦誤以為是立體的影像,也就是要模擬現實生活中左、右眼看到的不同畫面(圖1),左眼影像中,位於前方的鳳梨位子是在其他兩顆鳳梨中間;但在右眼影像中,卻變成在另兩顆鳳梨的左邊,這種位子的相對移動可簡稱為視差,當具有視差的兩張影像分別在左、右眼視網膜成像時,大腦會自主性地將畫面融合成一張有立體感的影像。

圖1 立體顯示技術原理

微相位差板技術影響畫質有限  

去過立體電影院都應該看過電影開演前所發送的偏光眼鏡,它是利用光的不同偏極狀態來達到分光的效果,而這裡所介紹的微相位差板(Micro-retarder)也是利用相同的原理達成,只是立體電影院通常是採用兩台分離的投影機,各自在投影機前端掛上不同角度的偏光片,當觀眾戴上偏光眼鏡後,左眼就只能看到左投影機的畫面,右眼也只能看到右投影機的畫面。雖然液晶顯示器只有一個顯示畫面,但要掛上兩個偏光片的方法其實很簡單。在液晶顯示器外掛一經特殊處理過的微相位差板(圖2),藉以將奇偶數行的偏光方向改變成彼此垂直的偏光方向,如45度與135度,此時使用者僅須配戴左眼45度、右眼135度的偏光眼鏡,左眼只會看到奇數行的畫面;而右眼只能看到偶數行的畫面,此就符合要成為立體顯示器的最基本需求。

圖2 微相位差板3D顯示器架構圖

但將畫面分成奇偶數行後,解析度亦將減半為此技術的缺點之一,雖然犧牲解析度,但卻可利用人眼在垂直方向較不敏感的特性,將掉半的解析度分配至垂直方向,而不是水平方向,如此即便解析度降低,仍能維持相當不錯的顯示畫質。  

快門式眼鏡排除解析度下降弊病  

若將上述微相位差板技術看成是在空間上切割成奇偶數不同畫面,接下來要介紹的快門式眼鏡(Shutter Glasses)技術即是在時間上將畫面切割,也就是顯示螢幕必須不斷切換左、右眼畫面,此時使用者配載和顯示螢幕同步切換的快門眼鏡,在顯示左眼畫面的瞬間打開左眼的眼鏡,同時關閉右眼眼鏡以防止右眼看到左眼畫面;而在顯示右眼畫面時,一樣只打開右眼眼鏡及關閉左眼眼鏡,同樣可達到左、右看到不同畫面的需求,也能夠達到立體顯示的功能。  

但傳統而言,LCD顯示器的更新頻率只有每秒六十張,若再將之切割成左右各三十張的話,人眼是很容易感覺到閃爍的。因此要達到不閃爍的立體顯示,必須搭配倍頻的顯示螢幕,也就是螢幕的更新頻率要達到每秒一百二十張以上。歸功於液晶技術的不斷突破,要達到每秒一百二十張已非難事,使得快門式眼鏡立體顯示技術能在液晶顯示器上實現。  

而搭配如此高規格的顯示面板,其立體顯示的畫質是目前所有立體顯示器所無法比擬。除了完全沒有犧牲解析度的問題外,由於左右眼在時間上被完全隔離,也沒有立體顯示器常被人詬病的殘影(Crosstalk)問題,即為左眼看到右眼畫面或右眼看到左眼畫面,造成立體感不足或甚至沒有立體感。除了高規格的面板外,同時使用者亦須要配戴與螢幕同步的快門式眼鏡,奇美電子領先同業在2008年已正式量產可搭配NVIDIA快門眼鏡的22吋立體顯示螢幕,提供使用者追求最高品質的立體顯示畫質。  

光柵式可實現裸眼式3D顯示器  

如圖3所示,若在顯示器前端加上一光柵(Barrier),光柵的功能是要擋光,讓左眼透過光柵時只能看到部分的畫素;右眼也只能看到另外一半的畫素,於是就能讓左右眼看到不同影像並形成立體,此時毋須配戴眼鏡。而光柵本身亦可由顯示器所形成,也就是將兩片液晶面板重疊組合而成,當位於前端的液晶面板顯示條紋狀的黑白畫面時,即可變成立體顯示器;而當前端的液晶面板顯示全白的畫面時,不但可以顯示3D的影像,亦可同時相容於現有2D的顯示器。

圖3 光柵3D顯示技術原理介紹

但其實光柵式立體顯示器隱藏著一個很大的問題,就是使用者眼睛必須在對的位子,一旦使用者的頭稍微移動一下,就會感受不到立體感。這種天生的缺點使得光柵式立體顯示技術大多應用於手機上,因為使用者在手機的應用只須動手而非動頭,可以降低此缺陷的影響。  

另外的做法是設計成多視點的光柵,主要是改變光柵的寬度和位子,將兩個視點擴大到四個視點,只要左、右眼位子落在四個視點間的範圍內都可以看到立體影像,視角也就相對變大許多,這樣的方法稱為多視角(Multi-view),四視點又稱為四視角,當然也有五視角、九視角甚至到幾十個視角都有。但視點並非愈多愈好,愈多的視點代表得犧牲愈多的解析度,以上述四視角的系統而言,解析度便是原來的四分之一,所以九視角便是九分之一的解析度,由於在追求高畫質的玩家眼中是無法被接受的,因此多視角的應用大多被限制在戶外看板,因為其具有較多的視點可以容許較多人同時觀看,而且戶外看板的觀看距離較遠,比較不會對解析度有太大的需求。  

柱狀稜鏡式 易降低解析度  

另一種可以達到祼眼立體顯示的技術便是柱狀稜鏡式(Lenticular),稜鏡本身是一種凸透鏡,只是將之製做成長條狀。就凸透鏡原理而言,如圖4(a),當一道平行光從遠端射到凸透鏡時,所有光線會聚在凸透鏡的另一端,又稱為焦點;圖4(b)中,由於光的可逆性,若在焦點上有一點光源,就會在凸透鏡另一端形成平行光束;此時若將點光源稍微移動一下,如圖4(c)所示,則會形成有方向性的平行光束。

圖4 凸透鏡原理說明

若在凸透鏡的一端平行排列一串的點光源(如LCD上的紅、綠、藍畫素)(圖5),在透鏡的另一端就有各種不同角度的平行光射出,在某個距離下,左眼只會看到某個角度的平行光,右眼則看到另一個角度的平行光,亦即等同於讓左、右眼看到不同影像。

圖5 柱狀稜鏡六視角解析圖

在柱狀稜鏡式立體顯示器中也有所謂的雙視角及多視角(圖5例子應為六視角,每個凸透鏡負責將六種光線投向六個不同角度),而且跟光柵式問題一樣,雙視角在視角上也很小;多視角則會犧牲很多解析度,唯一不同的地方在於稜鏡式的亮度比光柵式亮度亮,因為光柵會將光給吸收,自然亮度會下降許多;至於稜鏡式只是改變光線的路徑,並沒有擋住或吸收任何的光線,所以可以保持全部的亮度。  

根據上述四種比較主流的立體顯示技術介紹後,可以發現各有優缺點,眼鏡式雖然須要配戴特殊眼鏡,在使用上稍嫌不便,但可以達到完全不犧牲解析度的超高畫質,滿足許多玩家級的需求,尤其在遊戲畫面中,高解析度更是必備的條件之一。想像一下,當在遊戲中與敵人廝殺的過程中,總不希望見到模糊畫面,以致於看不清敵人長相。至於祼眼式則必須克服解析度與視角的問題,因為魚與熊掌無法兼得,時至今日,祼眼顯示器仍很難在畫質跟眼鏡式做比較。而今後技術發展重點應該是如何結合兩者優點,希望有朝一日可看到裸眼式、視角不受限又不犧牲解析度的立體顯示器!  

(本文作者依序為奇美電子技術開發中心總處長、副課長)

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