本帖最後由 常樂 於 12-07-09 19:36 編輯
戴上眼鏡 看 立體影像
從電視機發明以來，人們想盡辦法追求更逼真生動的視覺感受，近年在電影工業催化下，立體顯示技術更是蓬勃發展，日新月異。科技來自於人們對生活品質的追求，電視從黑白到彩色，從體積龐大的映像管顯示器到壁畫般輕薄的平面顯示器，視聽設備日益先進。2010年電影「阿凡達」更掀起了全球3D電影風潮，除娛樂用途之外，立體影像技術可多元應用於影像教學、科學研究、商業設計等領域，其視覺效果吸睛、示意與展示力求無死角，技術的發展前景十分看好，也因此備受矚目。
立體視覺的產生
立體顯示技術從19世紀末發展至今，經過不斷創新改良，最終目的要建立人們在三維空間中逼真的立體視覺感受。無論方式為何，基礎原理都是模擬雙眼視差（parallax）來造成立體視覺。人類左右眼距離5~7公分，在觀看物體時會因視角不同，投射到視網膜的成像也會有些微的位移差異，大腦接收到影像後，會將此差異自然融合成深度知覺（depth perception），而兩個略有差異的影像就變成一個帶有深度訊息（具有遠近線索）的視覺影像，即產生立體感，大腦藉此可判斷物體在空間中的相對位置。
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雙眼視差示意圖。人眼觀看物體時，會因視角不同而使成像也有些微差異，大腦會將此差異自然融合成深度知覺，使影像產生立體感。
因此，獲得立體感最主要的方式，就是「想辦法產生視差」，也就是「讓左右眼看到不同的影像」。為此，各研發者結合軟硬體設備，發展出各式各樣的觀賞方法與工具，大致可分為眼鏡式與非眼鏡式（裸視）立體顯示技術。
眼鏡式立體顯示技術
大眾較熟悉且發展久遠的眼鏡式立體顯示技術，是運用特殊眼鏡篩選出針對單眼產生的影像，讓大腦將兩眼影像自然合成立體視覺。原理是利用同時顯示或分時快速切換左右眼兩組畫面，讓某項訊息只進入單眼，而另一項訊息進入另一眼，藉此讓雙眼訊息產生視差，根據運作模式可分為被動式與主動式眼鏡。
被動式眼鏡的結構單純，只需要處理過的鏡片與一般鏡架，沒有其他機械或電子式的運作。傳統的紅藍眼鏡，深度訊息來自顏色差異，先對影像本身做顏色處理，再用眼鏡濾色，讓左右眼各自保留紅色或藍色訊息。優點是成本低，只需厚紙板與玻璃紙即可做成眼鏡，用紅藍色疊合而成一張的影像可適用於平面印刷；缺點是影像顏色訊息嚴重失真、色盲患者無法生成立體效果。
現今大部份電影院使用的偏光眼鏡，是目前運用最廣的立體顯示技術，其深度訊息來自光的偏振性，即兩眼的鏡片上分別有縱向與橫向光柵，配合播放時投影出的垂直偏振光與水平偏振光畫面。垂直偏振光的影像只能通過縱向光柵，而被水平光柵阻擋，反之亦然，如此使左右眼分別只能看到垂直偏振光或水平偏振光。優點是可完整保留畫面顏色，缺點是亮度和解析度會降低，以及當觀賞者頭部歪斜時，可能會因部份影像無法被阻擋而讓另一眼接收到，使觀賞者因此感到干擾與不適。
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偏光眼鏡示意圖。光有偏振性，左圖中的偏光鏡片上有垂直光柵，濾掉水平偏振的光線，僅能讓垂直偏振光通過，右圖的水平光柵則只讓水平偏振光通過，垂直偏振光和水平偏振光的畫面略有不同，使兩眼產生視差。
主動式眼鏡為電子裝置，目前市面上3D電視與電玩遊戲機多為此類，價格較高，較不易推廣，且只能單人觀看，無法滿足同時多人觀看的需求。
主動式眼鏡有兩種，其中一種是靠電壓控制是否透光來切換電子快門，交替遮蔽左右眼視線以產生立體感的眼鏡，稱為「快門式眼鏡」。快門式眼鏡是先將影像做奇偶數分配與處理，設定左右眼只觀看奇數或偶數影像，再配合同步的螢幕掃描頻率，給左眼訊息時，眼鏡開放左眼視覺、關閉右眼視覺，下一步則反過來，由於遮蔽時間極短，而影像在眼中會產生視覺暫留，因此觀賞者並不會感覺眼睛被遮蔽。
目前快門式眼鏡的掃描頻率以120Hz（每秒120個畫面）為主，交替分給左右眼每秒60個畫面，亦即每次遮蔽單眼1/120秒，切換頻率越高視覺影像越穩定，過低則會感到閃爍，長時間觀看眼睛容易疲勞。另一缺點為每隻眼睛只有一半時間看到影像，相當於影像亮度降低一半。眼鏡式立體顯示技術中，各式眼鏡裡體積最大、造價最昂貴的是頭戴式顯示器。配有雙顯示器，直接讓左右眼同時觀賞兩個螢幕，因螢幕距離眼睛很近，所以視覺感受上，會覺得看到的畫面很大，常應用於虛擬實境。
丟掉眼鏡 看 立體影像
人們還是想拿掉眼鏡，以更自然的方式看到3D影像，這必須在顯示器上下功夫。立體影像令人炫目，彷彿在伸手可觸及的眼前。然而戴著特殊眼鏡觀看畢竟有些滑稽，若能去除掉礙事的眼鏡，「隔閡」不再，3D畫面將更添奇幻。
裸視平面式立體顯示技術
裸視立體顯示技術需要軟硬體的相互支援與配合。在軟體方面，影像必須經過特殊處理或拍攝，將相同畫面分成給雙眼分別觀看且具有些微差異的影像，在硬體方面，則必須在平面顯示器的面板多加一層薄膜材料以進行影像分光；也就是把具有不同視角的影像疊合，讓畫素交錯穿插排列後融合於同一面影像上（無特殊裝置下直接觀看此影像，會是一片模糊疊影），經過精密的光學計算，透過薄膜材料強制分配每點畫素只投射在空間中的特定位置，藉此將影像光束分給左右眼兩視角區域，以形成立體感，且技術越精良，越可將左右兩大視區再分成更多小視區，以供多人觀賞。這是近年各家廠商普遍採用的方式，可分為空間多工的視差格柵（parallax barrier）與柱狀透鏡（lenticular lense），以及時間多工的方式。
空間多工式是指將螢幕本身分成不同視角區域，同時顯示給左右眼。視差格柵是以透光與不透光相間的縱向光柵進行分光，不透光處為屏障，作用為調整與控制光束投射方向，讓觀賞者從多條相鄰的透光處看到影像。柱狀透鏡則是利用緊密排列的柱狀凸透鏡陣列將光折射，製作技術上，每條柱狀透鏡陣列與顯示器面板上的畫素必須精準對位，才能有最佳的立體視覺效果。由於人的雙眼為水平排列（視角為橫向），且電視影像掃描為水平掃描，因此空間多工式的光柵與透鏡均製作成能將光束以橫向折射的縱向排列，但也因此使得水平解析度折半（若有更多視角數目，則會降低更多），亮度也會降低，且當螢幕旋轉90度便無法呈現立體感。
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空間多工式示意圖。A圖：視差格柵是以透光與不透光相間的縱向光柵，由不透光的光柵調整投射出不同視角的影像光束；B圖：柱狀透鏡是利用緊密排列的柱狀凸透鏡陣列，將光折射到不同視角。
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時間多工式示意圖。上圖是利用左右移動的液晶光柵來分光，在不同時間點，光柵同一處交替呈現透明與不透明，來顯示奇偶數畫面；下圖是指向背光方式，螢幕左右兩側有專給左右眼的背光源，顯示左眼畫面時亮左眼背光源，反之亦然，兩者交替切換投射，光線經過前方導光板和特製背光膜，會分別導向至觀賞者左右眼區域。
時間多工方式的原理類似主動式快門眼鏡，影像分成奇偶數，在不同時間點以頻率120Hz交替顯示左右眼畫面，當切換時間短於視覺暫留的時間，觀賞者便不會察覺閃爍。其中，有一種類似空間多工式的視差格柵，同樣利用不透光光柵，但以液晶控制光柵左右移動，同一處交替成為透明與不透明的顯示；另一種為指向背光方式（directional back light），顯示器內螢幕左右兩側有背光源，交替切換投射，光線也會交替被導向觀賞者左、右眼區域。分時切換的方式可讓觀賞者的單眼不會只看到相同畫素，解析度可因此提高；但因有遮蔽，亮度仍會減半，且因技術限制，無法做到多視角，較適合小型、個人使用的顯示裝置，如手機或掌上型遊戲機。
還有一種多層式的平面立體顯示，不屬於上述主流的空間或時間多工方式，其形成立體影像的概念較直接，不模擬兩眼視差，而是將兩片（含以上）液晶面板前後重疊，在兩片面板上直接顯示前景與後景影像，再調整前後景的顯示顏色，使其看起來不單只有兩層深度，其深度訊息是前後景深的自然形成，如此方式觀賞者較不易疲勞，不過缺點就是顯示器因多層面板而體積較大。
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多層式示意圖。 A圖：將兩片液晶面板前後重疊，於兩片面板上直接顯示前景與後景的平面影像； B圖：同片面板上的影像會經過顏色深淺調整，使其疊合後更加有不同層次的景深，觀賞者看到的影像會如圖中兩面板中間，三個顏色平均但有立體感的色塊。
真實3D立體影像技術
從戴眼鏡進步到不必戴眼鏡即可在螢幕上看到3D影像，人類的慾望尚不滿足，希望更進一步讓3D影像從平面躍入立體空間，從任何角度都可以看到，有如觀賞實物（即真實3D， true 3D）。目前多以雷射投影方式顯示，顯示介質三態均可，如螢幕、水幕或直接投影於空間中。平面式顯示只需2D畫面資訊再加上深度訊息，欲達到真實3D影像首先要製作或拍攝出360度全景資訊，再將資訊分割成不同區段，以光學投影方式顯示。
真實3D目前主要是使用「容積式（volumetric）顯示技術」，顯示器外觀像一顆具高科技感的水晶球，底座內含光學元件，外罩透明半球體外殼，中央立著一片半透明的圓盤形螢幕，全部元件以每秒15轉的轉速繞著中心軸旋轉。系統將擷取的影像資料經過繁複的數學運算後，把資料切割成198個徑向分佈區段，就像以蘋果核為中心，縱向將蘋果切成198張薄片，再經由精密設計的光學元件投射在高速旋轉的螢幕上，投影的體素（voxel，相對於2D的像素，為空間中顯示不同顏色的點）因視覺暫留而一直存在且形成立體影像，整體顯示出發亮的半透明影像。
而全像式（hologram）顯示技術，是目前立體顯示中最為複雜的技術，主要透過干涉光的波動來記錄和重建圖像，經由雷射照射，再將反射光束分散後利用全像片（特殊光學底片）重新合併以顯示立體影像，目前仍在技術發展階段。
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容積式立體顯示技術。上圖：透明的半球形外殼、半透明的螢幕和光學元件，全都以每秒鐘15轉的速度旋轉，構成立體影像。下圖：應用於電腦斷層掃描的影像資料，顯示出腦瘤核心（中央黃色菱形），以及放射線治療的可用途徑（綠色光線）。
柱狀透鏡陣列技術常見於日常用品
柱狀透鏡技術最簡單基礎的應用，不一定要有立體效果，不同圖像穿插排列成一張底圖，只要此底圖與上方透鏡（用指甲刮過可感覺如同洗衣板整齊排列的溝槽）精密疊合，稍微翻轉物品便可看到原不同圖像的變換（如照片所示）；若使用的底圖為大致相同但不同視角疊合的圖像，配合透鏡陣列即可呈現立體效果。因疊合後的底圖能用平面印刷出，且製作透鏡陣列技術成熟，此顯示技術常見於日常物品裝飾上，如立體貼紙、尺、卡片、磁鐵等文具用品，甚至成為廣告看板。
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柱狀透鏡陣列技術應用於證件卡套的裝飾。照片中物品的透鏡陣列為橫向，折射角度為縱向，因此看不同圖像需上下翻轉。
電視節目變立體 裸視3D即將走入家庭
你能想像進電影院看3D電影的視聽經驗，以後在家裡就可感受？不用選片，不用搶位，而且不必變成四眼田雞！近幾年走進各大賣場與資訊展，3D電視的攤位總是吸引人潮駐足觀望，螢幕前，人人戴著一副酷炫的立體眼鏡，體驗立體影像帶來的震撼。雖然人們已習慣於進電影院戴眼鏡看3D電影，但若是能在家裸視觀賞，才是更輕鬆無負擔的現代化視聽享受。
影像軟體開發 搭配裸視平面式立體技術
市面上早已出現五花八門的立體顯示技術，其中，相較於360度真實3D技術，平面式立體顯示技術較成熟，其軟硬體設備的規模與價格也較容易直接進入家庭。但要進駐家庭，還必須克服兩個很重要的問題：縱使有了先進的「立體電視」，卻缺乏「立體電視節目」可看，另外，也無法多視角觀看，最後全家人只能不嫌熱地全部擠在沙發正中央，看著沒太多選擇的幾部特製電影。
對此，中華大學資訊工程學系教授鄭芳炫表示，3D電視若要普及，勢必得增加可立體觀賞的影像內容與增加視角數目。然而，現在有另一種方式來讓觀眾觀看3D影像節目，就是將現今仍為2D影像的電視節目轉換為3D影像，並搭配其他硬體的相互支援與精密配合。這種「3D立體影像轉換技術，搭配裸視平面式立體顯示器」，是目前顯示科技發展的主流。
鄭芳炫與學生就是以「利用影像深度地圖即時產生雙眼立體影像」，獲得2011年瑞士日內瓦國際發明展銀牌，他們成功地開發出將2D圖片與影片自動轉換成3D立體影像的軟體技術，並研發出可即時處理多視角立體影像的晶片，讓台灣在裸視立體顯示技術上領先國際。
2D轉3D 電視節目都很「阿凡達」
要從2D影像「幻化成」3D影像，除了原本的2D影像訊號，需再加上深度（遠近）資訊，而運用視差是最直接獲得深度資訊的方式。傳統上製作3D影像，是以單機雙鏡頭模擬雙眼，實際拍攝出同時呈現左右眼視角的影像。但如果原本就是單純的2D影像（原始單眼影像），則必須先得知此影像內物體的遠近關係，再利用影像處理的方式，後製出原先不存在的不同視角的部份，以形成深度資訊。
鄭芳炫團隊從原始單眼影像建立相對應的影像深度地圖（image depth map）的方法，是以灰階方式表示影像內的物體遠近關係，再以此為基礎，對原始單眼影像中的物體做位移處理，模擬人的兩眼分別看到的影像（也可以說是模擬以單機雙鏡頭所拍攝出來的畫面）。如欲產生多視角，則可搭配觀賞者所使用的顯示器規格，選擇適合的視角數目，再從左右兩視角中間內插其他視角方向（即計算出不同方向的不同位移量）。但是因為多視角數會犧牲解析度（註），且遷就於現有Full HD的畫質（1920 x 1080畫素），目前研究團隊最多做到九個視角，解析度為640 x 360，相當於DVD的解析度，仍是一般觀賞者可接受的畫質。
位移處理的過程則運用建構虛擬場景模型的演算法，計算出雙眼視角影像畫素所對應的座標位置。一般3D影像設計，大多只計算風景的遠近距離，鄭芳炫團隊則將影像與場景型態做分類，如人體靜物、花草樹木、巷弄街道、遠山背景等，景深都不同，找出深度走向與物體前後關係，經由精密計算後顯示的立體影像更具真實感。
最後，以影像填補（image inpainting）技術，將先前因模擬視差位移而產生的空洞填補起來，過程也是經由精密計算後，往空洞區域中填塞合理的畫素，填補後的左右眼影像會接近人的雙眼所看見的影像，以達到立體視覺的效果。
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左圖為原始2D影像，右圖為影像深度地圖，已將原始影像內的物體以灰階值（0~255）表示，越近的物體數值越大、顏色越淺，越遠的背景數值越小、顏色越深，以此方式表示影像內物體的遠近關係。
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原始2D影像模擬產生人眼視差示意圖。左眼圖內的所有物體向右位移，右眼圖內所有的物體向左位移，越近的物體位移量越大，越遠的物體則漸漸沒有視差。左右眼兩圖最右方放大觀看後的蘋果顯示因位移而產生的空洞問題。
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空洞填補示意圖。以影像填補技術，將先前因位移而產生的空洞補上畫素，做法是以空洞周圍的紋路與結構為基礎，沿著空洞的輪廓邊界，搜尋且複製周圍相似的小區域填補到空洞中，在空洞區域中填塞合理的畫素。
由於上述2D影像轉換成3D影像的運算量十分龐大且費時，研究團隊已研發出晶片，可相容於現有的平面顯示裝置上，當接收2D資訊時，晶片可立即快速產生不同視角影像（即深度訊息）。未來待技術成熟，不僅原有2D顯示系統的模式與規格不需更動，新舊影片與電視節目也不需再投入大量人力物力重製或特製，甚至目前的數位相機或DV拍攝的影片，都將非常「阿凡達」。
鄭芳炫預測，五年內裸眼3D電視會上市進入家庭，而2D/3D轉換晶片更是未來3D電視內的基本配備，讓全家人共享立體視覺饗宴。
註：幾個視角即要產生幾個方向的影像，越多視角則代表越多方向的影像同時瓜分同一畫面，每個方向所看到的畫面解析度當然會降低。也因此，顯示器尺寸越大，內含畫素數越多，視角可切越細而不致使解析度降低太多，反之，顯示器尺寸越小，如手機、數位相框、掌上型遊樂器等，視角就不能太多。
顯示器
近年來隨著科技進步，個人電腦、網路及資訊傳播的普遍化，顯示器成為了人機互動不可或缺的重要角色，而不斷進步的顯示技術更是帶動了顯示器產業跨躍式的發展。傳統ㄧ般的CRT螢幕對使用者來說，顯得厚重、佔體積，因此已逐漸的被厚度較薄且大尺吋的PDP電漿顯示器及更輕薄的LCD液晶顯示器所取代。
薄膜電晶體液晶顯示器（Thin film transistor liquid crystal display，簡稱TFT-LCD）簡單說，TFT-LCD面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片（Color Filter）、而下層的玻璃則有電晶體鑲嵌於上。當電流通過電晶體產生電場變化，造成液晶分子偏轉，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定畫素（Pixel）的明暗狀態。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個畫素（Pixel）各包含紅藍綠三顏色，這些發出紅藍綠色彩的畫素便構成了面板上的影像畫面。
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有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，簡稱OLED）OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物（ITO），與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包括了：電洞傳輸層（HTL）、發光層（EL）與電子傳輸層（ETL）。當電力供應至適當電壓時，正極電洞與陰極電子便會在發光層中結合，產生光子，依其材料特性不同，產生紅、綠和藍 RGB 三原色，構成基本色彩。OLED的特性是自發光，不像 TFT LCD 需要背光，因此可視度和亮度均高，且無視角問題，其次是驅動電壓低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等，被視為 21世紀最具前途的產品之一。
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IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)為氧化銦鎵鋅的縮寫，是一種薄膜電晶體技術，在TFT-LCD主動層之上，打上一層金屬氧化物。IGZO技術由夏普(Sharp)掌握，是與日本半導體能源研究所共同開發的產品。IGZO的載子移動率大約為10cm2/Vs， 臨界電壓飄移幾乎一致。IGZO技術可提高面板性能、降低成本，但IGZO技術對光、水以及氧都相當敏感，長時間 使用之可靠度與穩定性，亦須增強。IGZO與非晶矽相比，IGZO能夠縮小電晶體尺寸，可提高液晶面板畫素的開口率，較易實現高精細化，電子遷移率快十倍，將簡單的外部電路整合至面板之中， 使移動裝置更輕薄，耗電量也降至2/3。