利用人类两眼视差产生立体景深的3d显示技术由来已久,数十年前就有廉价的红蓝滤光眼镜,应用于电影院;2009年电影阿凡达(avatar)所带动的全球3d显示应用的狂热,从3d电视、显示器、投影机,到显卡、笔电、平板、游乐器、手机等加入3d立体显示应用,后来结合穿戴式装置的头盔显示器等扩增实境/浸润式显示技术,让画面人物变得更立体、更生动…
3d显示技术演进趋势
3d显示技术,依照是否携带辅助观察的装置配件与否,而区分成眼镜3d(stereo 3d with glasses)与裸眼3d(naked 3d without glasses)两大类。3d眼镜广为目前大尺寸液晶电视、显示器、显示卡与笔电所使用,至于裸眼3d技术仍在开发阶段,受限于液晶面板成本高且有可视点数的限制,初期以掌上型游乐器、手机、平板等中小型液晶面板为主的应用,后面将详述其技术分类以及相关应用。
3d立体显示技术趋势逐渐从主动式眼镜、偏光式眼镜,朝向裸眼3d技术发展。
裸眼3d应用于掌上游乐器、智慧手机、超大尺寸电视。
眼镜3d又可分为快门式眼镜(shutter glasses)与偏光眼镜(polarization glasses),以及头戴显示器(head mount displays;hmd)三大类。快门式眼镜又称为主动式3d眼镜技术(active 3d glasses)。
3d显示器以高达120~240hz的萤幕刷新频率,连续性的交叉显示左、右眼的画面;藉由快门眼镜快速切换、遮蔽左右眼,使左右眼各自看到正确的左右眼画面,在大脑内呈现出具深度感的立体影像。此技术不会牺牲3d画面解析度且立体效果良好,但少数人观看主动式3d眼镜的显示会有头晕不舒服的情况。
目前像三星(samsung)、panasonic、sony bravia等3d电视、nvidia 3d vision、3d vision2等产品均是使用此快门式眼镜技术。
至于偏光眼镜又称被动式3d眼镜(passsive 3d glasses)技术。在tv/monitor前面贴上一层微偏光膜(micro-retarder),利用光的偏振方向将左眼与右眼的影像分离,当观赏者戴上偏光眼镜时即可正确地分别看到左、右眼画面产生3d效果。其优点在于成本低,但解析度会降为原来一半,且亮度也会拉低。目前以乐金(lg)3d电视,宏碁(acer)、联想(lenovo)笔电采取偏光眼镜技术。
头戴显示器(head mount displays;hmd),头盔装置内部分别有供左右眼独立观赏的微型显示器,于大脑内形成视觉暂留并合成立体图像,不仅能带来浸润式的还场显示效果,应用在虚拟实境或扩增实境(ar)的应用上也极为普遍。
眼镜3d显示的应用
在阿凡达带动3d显示热潮下,2010年各电视大厂纷纷推出采主动式3d或被动式3d眼镜的3d电视。全盛时期具备3d眼镜的3d电视,在全球电视的市场渗透率超越3成;即便2011年市场焦点转向智慧连网电视(smart tv/connected tv),各电视大厂仍然在主力中高阶机种保留了3d眼镜做为选配规格。
至于在x86架构的桌机、笔电方面,绘图晶片龙头辉达(nvidia),从13年前geforce3 ti500,就推出运用两眼视差使pc具备3d立体显示技术的3d眼镜技术。2009年geforce gtx 200系列显示卡开始推nvidia 3d vision套件。
到2011年推出第二代3d vision2套件,由一组红外线技术的主动快门式眼镜,须搭配nvidia的显示卡/图形晶片,120hz垂直更新频率的显示器,就可以游玩具备3d立体显像效果的游戏、蓝光电影、3d相片与youtube 3d网路影片。华硕 g53j、g73,惠普(hp) envy 17 3d、新力(sony) vaio f217、f219等3d笔电,便采用nvidia的3d vision2技术。
amd则是在 radeon hd 5000绘图晶片/显示卡产品,提供amd hd3d技术来做3d立体显示的输出。搭配tridef 3d、iz3d等第三方3d显示软体技术,只要显示器符合hdmi 1.4a所规范的frame packing(1080p@24hz、720p@50/60hz)、side-by-side(1080i@50/60hz)与top-and- bottom(1080p@24hz、720p@50/60hz)等3d格式,搭配第三方厂商提供的3d眼镜(主动式快门或偏光式),就可以驱动游戏、youtube 3d影视或blu-ray蓝光影碟的3d立体显示技术。目前有宏碁(acer) 5738dg/3740dg等3d笔电,支援偏光式3d眼镜的显示。
至于intel从第二代core i3/5/7处理器(sandy bridge)的intel hd graphics 2000绘图处理器开始,到第四代core i3/5/7/-4xxx系列所搭配的intel hd graphics 4200/4400/4600/5000,iris graphics 5100与 iris pro graphics 5200绘图晶片,搭配支援hdmi 1.4a的s3d显示器,搭配第三方厂商提供的主动快门式3d眼镜,就可以驱动游戏、youtube 3d影视或blu-ray蓝光影碟做3d立体显示。但支援intru 3d显示技术的厂商与产品较为少见。
裸眼3d显示的应用
裸眼3d技术目前有:1.全像投影(holographic)。2.体积式(volumetric)。3.视差光栅(parallax barrier)。4.柱状透镜(lenticular;lc)。5.分时多工(time-multiplexed)。
全像投影式利用红、绿、蓝3色雷射光源各自经过调变器产生相位型光栅,雷射光在经过全像片合并之后,以垂直扫描镜及多面镜进行垂直及水平的扫描,使立体影像呈现出来。2014年5月billboard音乐颁奖现场,就利用全像投影技术,让已逝的摇滚巨星麦克.杰克逊,活生生的重现于现场观众与世人面前。
体积式则是由德仪所开发的雷射3d投影技术,以雷射光照射在一个高速旋转盘上的散射现象,于一个玻璃密闭空间内显示立体物件的每一个点并组成立体影像。但缺点在于投影物件体积受到限制,且越靠近中央转轴解析度越低。
视差光栅则是利用透光栅栏來控制左右眼画面的光线前进、折射方向,成本较低但有亮度与可观视角/点数限制,显示2d文字时较不清晰。目前为lg optimus 3d、htc evo 3d等智慧手机,任天堂3ds游戏器与佳的美(gadmei)裸眼3d平板所采用。而2013年则分别有飞利浦、友达、东芝、京东方等开发出具备9个视点55寸显示电视/面板。
柱状透镜利用液晶分子因通电的扭转使光线通过时造成折射现象,形成垂直柱状透镜的聚焦效果,优点是亮度高;若搭配摄影镜头追踪观赏者还可以作到全视角,但相对成本偏高。友达于2011~2012年展示出柱状透镜技术,搭配摄影机的全视角裸眼3d显示面板。东芝(toshiba)的qosmio f750、f855,华硕(asus) rog g53sx等笔电机种使用柱状透镜的裸眼3d面板技术。
分时多工技术又称为指向背光板 (directional backlight)技术。以一组指向性背光板搭配快速反应面板,快速切换显示左、右眼影像让使用者观看形成3d影像。目前3m掌握相关专利,并曾开发出 10寸中小尺寸显示面板,能够在不减低光源、色泽与亮度下,达到某个范围视角内裸眼3d显示效果。
浸润式vr将取代近距离3d立体显示
新一代的浸润式虚拟实境(immersion vr)显示技术,像是google glass引领的智慧眼镜、虚拟实境眼镜(vr glasses)旋风,其技术是以迷你投影机透过棱镜反射之后,进入眼睛在视网膜中成像,营造出从2.4公尺的距离来看25寸萤幕一样,且具备640x360的解析度。epson moverio bt-200则把耳机与控制主机另外做成配件,眼镜配件上仅960x540解析度的display、camera与sensor。
在专业领域市场则有sbg labs的digilens系列、microoptical的mv-1产品等。innovega在ces 2014首度展示的ioptik隐形眼镜+智慧眼镜的全新产品。
头戴式显示装置(hmd)部分,例如sony的hmz-t1、hmz-t3w可直接戴在头上即可,享受剧院级的蓝光电影或进行游戏。被facebook 于2014年3月购并的oculus公司rift dk2,解析度提升至full hd,玩家可透过头部与身体的移动来控制游戏主角。
technical illusions公司的castar为结合看穿式hmd功能的智慧眼镜,搭配魔杖(castar wand)以手势控制来进虚拟游戏。2014年9月meta推出meta pro spaceglasses,比google glass画面大15倍与40度视角之先进ar,能将用户的手机或电脑萤幕投射在眼镜上。
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