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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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通往3D新金礦,2D/3D隨你變

文 陳帝鴻

走出台北捷運西門站,忽然間發現一個虛擬的侯佩岑正開心地沈睡在一張撲滿櫻花的床上,原來是大型戶外廣告看板,正在播放她所代言的日系沐浴乳廣告。

經過台北信義區,一輛虛擬的火紅跑車Audi R8,突然對著你開過來,雖是大型戶外廣告看板的3D效果,卻跟實車一樣令人驚心動魄。

閒來在家上網拍挖寶,透過3D立體螢幕的效果,不必透過賣家所標示的產品尺寸去揣摩商品的真實比例,只要直接點選商品視窗,立即會有商品的3D影像顯現。

以手機拍下的2D照片,只要傳輸到電信業者的系統裡,經過雲端運算,就可以將2D的照片轉變為3D,只要將照片放進3D數位相框裡,就是一張能呈現3D效果的立體照片。

和旅居上海的家人打網路電話,透過Web Cam便可以在筆電螢幕上,以3D立體方式呈現出對方的影像,聊起天更加生動逼真,遠方的家人彷彿就在身邊。

3D電影帶動市場起飛

根據市調機構Displaybank推估,2010年到2015年,3D顯示器市場的年複合成長率為89%,預估2015年將達178萬台;市場總值的年複合成長率為69%,預估2015年將達新台幣5,000億元(約158億美元)。在3D顯示器無論在硬體和內容方面,都將開始普及化的大趨勢下,市調機構Displaysearch也預估,3D電視的市場將從2010年起開始萌芽;2009年銷售量雖僅約20萬台,但是自2011至2012年起市場即將開始起飛,2012年出貨量將接近千萬台水準,至2018年全球出貨量可達到6,800萬台。

其實,3D立體影像的發展,從第一波使用紅綠眼鏡(Anaglyph Glasses),到第二波使用偏光眼鏡(Polarizing Glasses)、快門眼鏡(Shutter Glasses)觀看立體電影,到如今因Full HD高畫質LCD/電漿顯示器而興起眼鏡式與裸眼式3D熱潮,已發展至第三波高潮。這意味著,過去我們必須走進電影院,戴上特定的偏光眼鏡或快門眼鏡,才能享受到活生生3D立體影像;但是從今年開始,戴上3D眼鏡就可以在電影院外觀看立體影像,甚至不需要戴特定眼鏡就能欣賞到3D效果的裸眼式3D影像,不但將逐漸攻占你我家裡客廳中的電視機,書房中的筆記型電腦、遊戲主機與臥房裡的數位相框,還將占據你隨身攜帶的手機、數位相機與數位錄影機,甚至將成為街頭上的戶外廣告看板,無所不在。

工研院電子與光電研究所立體影像系統組組長鄭尊仁指出:「雖然目前眼鏡式3D會比較快成為量產商品,但戴眼鏡畢竟比較不符合人性需求,也增加使用和持有成本;長遠來說,裸眼式的3D立體顯示技術,將會是未來主要發展趨勢。」

的確,在今年元月CES上大放異彩的3D電視,幾乎清一色以與電影《阿凡達》採用同樣技術來源的快門眼鏡為主流,合作對象都是美國3D技術業者RealD。韓國三星(Samsung)、日本Sony、東芝(Toshiba)和松下,都推出採用RealD快門式眼鏡的3D電視;其中,搭配快門式眼鏡的東芝「Cell系列」3D電視,更採用具強大運算功能的處理器,能夠達到即時2D轉3D的效果。

眼鏡式是當前主流

其實,3D立體顯示技術的商業化,大約自三十年前就開始。主要是利用人類左右眼所視角度略有不同,所接收影像會有小幅差異的視差效果,因而會在大腦中自動相互補償融合,並在使用者腦中形成虛擬的立體影像。早期的3D電影,就是利用紅綠眼鏡來呈現效果。不過由於紅綠眼鏡技術,僅能在灰階或是單調色彩背景下呈現效果,讓色彩很容易失真,因此很快就走入歷史。

接下來的偏光眼鏡技術,是在左右採用不同偏極角度的偏光鏡片,而影片本身也利用兩台投影設備,或是在LCD面板上外貼微位相差膜(Micro-Retarder),或另一片LCD面板開關,來分別對不同列畫素投射出不同偏極方向的光,使得左右眼分別僅能看到垂直或水平的偏極光。該技術是目前3D電影院和背投電視上應用最廣的技術,成本相對低廉且色彩不失真是其最大優點;不過缺點是應用在平面顯示器上時,會有亮度和解析度降低的情況,因此不利於平面顯示器上的應用。

至於快門眼鏡的原理,是將畫面分割為奇數和偶數影像快速交替播放,利用眼鏡本身的液晶開關,在不同時間分別正確關閉左/右眼,使得左右眼分別僅能看到奇數及偶數影像。此種技術最大優點,在於亮度和解析度都不會有所下降,使用者也不會因為移動位置而失去3D效果,可以應用在平面顯示器上;但缺點是倍頻面板成本較高,快門眼鏡成本高昂,除液晶開關螢幕外,還需要裝設電池與無線傳輸系統,以便與系統同步,不但成本較高、重量較重,也比較容易令使用者不耐久戴。

不過,雖然快門眼鏡式3D的電影與電視旋風,正如火如荼吹襲全球,但由於3D電視目前價格過高,售價約為一般2D電視的3倍以上,以及快門式眼鏡的售價,每副高達100美元以上,想要達到全面性的高穿透率並不容易。鄭尊仁表示:「我們認為裸眼式3D的發展,才會是3D立體顯示器普及化的關鍵。」他強調,在裸眼式3D的應用面方面,也不僅止於3D平面電視,「數位電子看板、網路業者、數位相框、手機等,都是穿透力更高、爆發力更強、商機更為龐大的3D顯示器未來應用。」

裸眼式成發展重點

如此一來,成為現今發展重點的裸眼式3D技術,不但注定將成為未來主流,更是當前3D立體影像「飛入尋常百姓家」的至要關鍵。目前主要的裸視3D技術,為2D多工式(2D Multiplexed)技術,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畫素組後,再交叉排列起來,加上特殊的形成視域之光學元件後,不需要透過特殊眼鏡,就可以使左右眼分別接收不同畫面而達成3D效果。目前已出現的小量商業化產品,視域形成元件主要可分為柱狀透鏡式(Lenticular Lens)與視差光柵式(Parallax Barrier)兩種技術。

柱狀透鏡是利用製作成長條狀的凸透鏡,將奇數和偶數列畫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,在於不會犧牲螢幕亮度,不過會有多視角會造成解析度嚴重下降的問題;此外,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,因此也使製作成本遠高於視差光柵式。

視差光柵式技術則是在顯示器前方加上一透明與不透明線條交錯的光柵,讓左右眼僅能透過光柵看到屬於不同視域的畫素,進而達到3D效果。由於此光柵可以採用印刷式光學膜設計,因此成本較柱狀透鏡低;工研院表示,視差光柵式3D顯示技術只要在面板製造過程或系統組裝過程當中,增加一道製程,就可以做出3D顯示器,3D製程設備投資金額不算大,以國內面板產業蓬勃發展的情況,對於發展3D顯示技術有很大的利基。即使要做到不固定區域的2D轉3D任意切換,只要在顯示面板上方再增加一片LCD面板開關,就可以做得到。

工研院電子與光電研究所立體影像系統組專案經理李錕指出:「相對於快門眼鏡式比較廣的視角,視差光柵式技術的缺點,就是立體視角較為有限。目前國際大廠已經上市的裸眼式3D立體影像顯示器產品中,數位相框、手機等多為2個視角點(view),而數位看板則普遍做到8至9個view。我們目前還已經能夠在同一個3D立體顯示器上,做到不固定大小的2D區域與3D區域的隨意切換;這對未來的3D立體顯示器應用,是非常重要的一項關鍵性技術。」

全面性攻擊,準備發動!

的確,裸眼式3D立體影像所擅長處理的,是較為大塊立體影像,遇上細碎的圖案或細小的文字,往往呈現破碎甚至無法閱讀的情況。只要利用2D/3D可切換技術,就能夠提供使用者觀賞更多元的影像內容,在悠遊於3D立體世界的同時,還能夠同時以2D的方式,清楚閱讀適合以2D呈現的文字內容。

對應3D在硬體方面的迅速發展,內容產業也積極急起直追。隨著3D攝影技術愈來愈成熟,愈來愈多的電影也跟《阿凡達》一樣,是以3D攝影機開拍,而不是以傳統的2D膠捲底片拍攝,全部拍攝完畢後才加工成為3D。不僅3D電影,電視頻道經營者也積極朝3D內容發展。

擁有探索頻道的探索傳播公司(Discovery Communications)、Sony以及IMAX Corporation今年元月宣布,三家公司已簽訂不具約束力的合作意向書,未來將攜手在美國推出業界首見的全天候(24小時/每週7天)付費3D電視頻道。英國的天空頻道(BSkyB),也有相同的開播計畫。另一家歐洲衛星電視營運商Eutelsat以及日本NHK,則已經免費試播3D節目約二十個月。迪士尼(Walt Disney Co.)旗下體育電視頻道ESPN也已宣布,將推出籌備測試時間超過兩年、業界首見的3D電視頻道「ESPN 3D」,第一場以3D現場轉播的比賽,就是6月11日的2010年世界杯足球賽的南非對墨西哥開幕戰。ESPN 3D頻道預計最多將轉播25場2010世界杯足球賽3D即時戰況。

鄭尊仁表示,在3D內容愈來愈多元的情況下,為了讓立體顯示器達到和2D顯示器一樣理想的觀影條件,裸眼式3D立體顯示器目前除了還要克服螢幕之2D/3D靈活切換、亮度、色彩等因素外,最理想的裸眼式3D立體螢幕,還必須要做到HD高畫質、多視角、可視距離廣、影像流暢度要夠(不能出現明顯的跳動)等要件。他強調:「這幾個要點都要吻合,才會是一般大眾所能接受的裸眼式3D立體影像的呈現。」目前工研院也已投入技術研發計畫,朝這個目標邁進,期望在三年至五年左右,就能夠有突破性的具體成果。

到時候,3D影像所發動的,將是結合電影、電視、手機、戶外大型廣告看板、網際網路、數位相機、數位攝影機等的全面性攻擊,商機極為龐大;不管是顯示器、通訊、光電、電玩、半導體晶片或內容業者,此刻都應該要好好檢視自己,是不是已經準備好通往未來3D新金礦的那一塊敲門磚了?



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