裸眼立體顯示技術_專題_電腦愛好者

需要佩戴眼鏡觀看的立體顯示會帶來很多不便，而且大都對圖像質量有影響，更難以進行多人互動操控，這些恰恰就裸眼立體顯示技術的優勢。與3D眼鏡方式不同，裸眼立體顯示的原理差距非常大， 常見的技術包括全息式、體積式、多平面式和2D多工式等。

1.全息式（Holographic）

→優勢：技術成熟容易取得，是能夠進行較好互動和替代真實物品的選擇

→劣勢：影像大小常受限於設備的大小。

全息式又稱為全像式、立體照相術，是利用幹涉和衍射原理記錄並再現物體真實三維圖像的技術（圖12）。全息圖上的每一部分都記錄了物體各個點的信息，所以每一部分都可以再現整個原物的立體圖像，甚至可以通過多次曝光在同一張底片上記錄多個不同的立體圖像。

全息顯示技術在各種很多大型場合進行展示使用，如在運動會、舞臺上進行物體重現或交互，也可在博物館中精確地重現展品，人們無需任何額外設備就可以直接觀看全息技術重現的立體圖像（圖13）。

2.體積式（Volumetric）

→優勢：真正能夠實現動態效果3D圖像。

→劣勢：影像中央有旋轉軸，越靠近軸心的影像旋轉速度則越慢，所產生的立體影像也因此較為模糊。

體積式是一種利用雷射掃描立體影像的顯示器，所以其被稱為體積式顯示器。它主要是利用一個快速旋轉的垂直圓盤，配合由底下投影的雷射光源，利用雷射光源投射到快速旋轉的旋轉面時會產生的散射效應，掃描空間中的每一點（圖14）。它是真正能夠實現動態效果的3D技術，它也可以讓你看到科幻電影中一般「懸浮」在半空中的三維透視圖像。它的缺點是影像中央必須有一個旋轉軸，靠近軸心的影像旋轉速度較慢，立體影像較不清晰。

體積式三維顯示技術可分為掃描體顯示器（Swept-Volume Display）和固態體顯示（Solid-Volume Display）器，代表分別為Felix3D和Perspecta，以及DepthCube。其中DepthCube是比較先進的技術，它是一種背投立體式顯示器，採用層疊液晶屏幕方式來實現立體顯示，20層顯示屏沿著X軸從前至後排在一起，這20張顯示屏都是可以開關的液晶顯示屏，只有一張是工作的，其他為透明的，而圖片也只投射到工作的顯示屏上（圖15）。它使用高速數字光處理（DLP）投影器，每秒可以投射1000張「圖片片斷」，讓每個屏幕的刷新率都可以達到50Hz，足夠欺騙我們的眼睛，當然它需要的1000Hz圖像刷新速度對主機是一個比較大的負擔。

3.多平面式（Multi-Planar）

→優勢：成本容易控制。

→劣勢：前後面板的對位困難，對觀賞角度有較高要求。

多平面式立體顯示主要原理為利用兩個面重疊的液晶面板，在兩個面板顯示大小相同的影響，利用物體和觀賞者之間遠近不同的距離，會有明度及顏色上的差別，進而重疊前後物體影像，使觀賞者在視覺上產生立體感。由於此形態的立體顯示是將兩個二維影像重疊，因此只有在特定的正視方向觀賞，才會有較佳的立體顯示效果，其餘觀賞角度效果不佳。

4.2D多工式（2D Multiplexed）

→優勢：目前常見的裸視3D技術。

→劣勢：亮度衰減和視角問題仍存在。

2D多工式（2D Multiplexed）是近年來廠商普遍採用的3D成像方式，其基本原理是將兩張或數張具有視差的2D畫面分別分割成不同的像素組合，再交叉排列起來，用特殊的光學元件形成針對左右眼不同的視域，然後分片或分時顯示針對左右眼的畫面。這樣不需要透過特殊眼鏡，就可以讓用戶的左、右眼看到視角不同的平面影像，可產生立體的感覺。

2D多工式又可再細分為空間多工式、時間多工式、自動觀者追跡式。空間多工式把顯示畫面間隔劃分為左、右眼影像顯示區域，利用視差屏障或柱狀透鏡陣列同時把影像分別投向左右眼，以達到立體效果。所謂視差屏障是一種黑色與透明相間的直線條紋，用以進行分光，並置於距離液晶面板一小段距離處，讓觀賞者的右眼只能接收到液晶面板投給右眼的像素區，左眼則只能接收到液晶面板投給左眼的像素區（圖16）。但是當光線通過黑色直線條紋區域時，由於光線被吸收，亮度會減少一半以上，所以對圖像總體亮度有影響。

目前較成熟的空間多工式3D成像方法為柱狀透鏡式（Lenticular Lens），柱狀透鏡是利用製作成長條狀的凸透鏡，將奇數和偶數列像素的光線以不同角度平行射出，因此在一定距離和角度內，左右眼就會看到不同的影像。柱狀透鏡的優點在於不會犧牲屏幕亮度，不過多視角會造成解析度嚴重下降的問題。由於透鏡的製作精度以及與顯示面板對位準度的困難度極高，因此製作成本也較高。

相較於空間多工式，時間多工式是利用特殊設計的分光機制，如顯示器前方加上透明與不透明線條交錯的光柵，在不同的時間點把左、右眼影像連續投射至觀賞者的左、右眼，讓左右眼僅能透過光柵看到屬於不同視域的像素，以達到立體顯示效果。由於此視差光柵可以採用印刷式光學膜設計，因此成本比空間多工式低。並且，只要在顯示面板上方再增加一片LCD面板開關，就能做到不固定區域的2D和3D任意切換（圖17）。

自動觀者追跡式3D顯示技術是結合攝影機追蹤觀者眼睛，自動動態調整左右眼圖像視角以跟隨人眼位置，由於只產生兩個視角，可提供較好的3D解析度，適合單人使用，較偏重在特定專業應用上。

從原理可以看出，實現方式相對簡單，成本較低的2D多工式立體顯示，是最適合個人用戶的裸眼立體顯示方式，事實上，相關產品也已經出現在了市場上。1999元的SuperD 3D Box是一種相當輕巧的裸眼3D設備，它採用摺疊結構，合蓋時的尺寸類似於帶有硬套的iPad mini（圖18）。它採用人眼追蹤技術和柱狀透鏡式3D顯示屏，可以實現全高清的裸眼3D。SuperD 3D Box的主要應用方向是與手機連接，可以用3D模式玩手機遊戲、看手機視頻和直播等，是目前比較成熟的個人裸眼3D設備。另外SuperD還推出了使用柱狀透鏡式3D顯示屏，並且對VR進行了優化的手機，價格只有1299元，不過其硬體配置較低，除非對立體顯示有特殊要求，否則並不建議購買。

對於喜歡玩掌機遊戲的用戶，New 3DS或New 3DS XL/LL則是裸眼3D最佳的選擇，它是3DS的新版產品，也採用了柱狀透鏡式3D顯示屏，可以實現立體顯示，並且支持3D攝像。New 3DS的屏幕比3DS略大（圖19），New 3DS XL/LL則和前一代，其解析度都沒有變化，相對於目前的實際應用來說，它們400×240的3D圖像顯示能力顯得有些過時。

○ 總結

立體顯示並非只有所謂的VR設備一種形式，而且其他的立體顯示方式在分享、互動等能力上還有可能比VR更強。特別是未來在真正的虛擬實境應用中，可以多人同時觀看裸眼3D，特別是能夠與多用戶實現即時互動和反饋操作的投影式立體顯示，才是家庭娛樂，商業應用等領域最好的選擇，同樣是非常值得我們關注的技術。