3D成像原理與如何運作

甚麼是3D?

一般的2D(2 Dimensions)所指的是透過點與線所組合而成的2D平面,而3D(3 Dimensions)則是透過點、線、面三維矩陣所產生的立體面。對於人體來說,我們眼前所看到的畫面是由左右眼兩個單獨畫面所組成、聚焦的3D立體畫面。

透過所謂的立體化過程(Stereopsis),我們的大腦將左右兩眼所各自接受到的單獨畫面進行合併,並且在立體化的過程中將看到的畫面合併成具有三維立體面,且具備景深的3D立體畫面。

   

觀看一個畫面時將會產生所謂的『死角』,而左右兩眼在接收到不同的畫面時,會產生各自不同的死角。

 

為了讓死角處呈現立體感,在接近觀看者處所呈現的死角處,於左右兩眼則呈現了不同的觀看角度。

 

而3D眼鏡在成像上則需在左右眼各自顯示符合的死角顯示角度 。

3D影片系統及觀看3D

3D影片系統的目的在於播放影片時,複製出近似於人眼所觀看畫面的立體視覺體驗。透過提供左右眼接收的單獨畫面,並藉由人在觀看畫面時所自動產生的立體化過程,3D畫面就因此產生。

而在3D影片中的物體在透過3D化之後將顯示於整體觀看畫面的前與後,也因此就有所謂的3D景深。為了確保能夠順暢的觀看3D影片,3D顯示器與3D眼鏡的搭配時,必須能夠確保使用者在觀看時,左右眼都能夠各自接受到交替的不同畫面。目前在3D顯示上有許多不同的顯示技術,並且在對應的顯示效果、品質、建置成本上均有所不同。

Anaglyphic 3D  (被動式紅藍眼鏡3D技術)

談到立體3D成像,首先必須提到的就是「Anaglyphic 3D」,也就是大家較為熟悉的,使用紅藍眼鏡呈現3D影像的技術。

這種紅藍眼鏡系統多半用於製造3D電視效果,或用於早期的3D電影播放。此類型的紅藍眼鏡是使用光線穿透的濾鏡原理來顯示出3D影像。

在成像原理上,是將一張3D立體圖片以2個不同顏色交疊顯示,而透過紅藍眼鏡各自濾出可視的圖像內容,並將左右2邊的影像重疊,產生3D的立體視覺效果。

以右圖為例,當使用者戴上紅藍眼鏡進行觀看時,3D 影像中的藍色影像畫面由紅色濾鏡顯示,而紅色的影像畫面則由藍色濾鏡顯示,在此種情形下,觀賞者的左右眼只能看到指定濾出的影像,而兩眼所接收的影像透過視覺聚焦後就形成了基本的3D影像。

但值得注意的是,由於Anaglyphic 3D是屬於早期的3D成像技術,因此在畫面的品質和穩定度上都較為不佳,並且不適合長久觀看,一旦長期觀看,較容易出現殘影、顏色失真及暈眩不適情形產生。

 偏光顯示器及偏光眼鏡(被動式)

我們都瞭解到,光線是以波長方式進行移動,因此當遭遇垂直或是水平的偏光濾鏡後將會產生折射。當光線經過具備垂直過濾的濾鏡或遮罩,則可穿越過下一個同樣是垂直過濾的濾鏡或遮罩,卻無法穿越使用平行過濾的濾鏡或遮罩。

也基於此原理,原本的解析度在經過偏光折射之後,解析度將較原本減半。此種技術目前多半運用於3D電影院、劇院如迪士尼樂園、IMAX戲院等..。

此種偏光顯示原理,是讓左右眼在配戴偏光眼鏡配合偏光螢幕後,左右眼各自接受到不同掃瞄角度的畫面內容。也就是說,以右圖為例,在觀看者的左眼看到畫面中奇數行(橘色光線)掃描形成的畫面,而右眼則看見偶數行(綠色光線)掃描形成的畫面。

左右兩邊的偏光鏡片都有1個相反的極(opposite polarization),而偏光螢幕所顯示的影像,只針對個別左右眼呈現指定的影像內容,也就是說左眼看不到右眼內容,右眼看不到左眼的內容,而左右兩眼在看到不同影像畫面而形成視差後,就會產生3D立體影像。

 


 


高倍頻掃瞄顯示器(主動式)

目前新式的3D LCD顯示器多半具備了此種倍頻式掃瞄技術,能夠將左眼及右眼的畫面以交替頻率方式顯示來達到3D顯示的效果。而為了避免『閃爍』的情形,此類型的顯示器以高於120 Hz的倍頻掃瞄方式運作。一台具備120 Hz的3D顯示器在提供完整解析度(高達1080p)的情況下,可讓單眼接收1秒120 Hz的畫面,而另一眼則在下一秒同樣接受1秒120 Hz的畫面。換句話說,每1眼可接受到1秒60個畫格以上的畫面,並且感受不出畫面在左右交替切換時所產生的視覺差異。

目前倍頻式掃瞄的顯示器多半搭配主動式快門眼鏡(active shutter glasses),以完整顯示出3D影像內容。此類快門式眼鏡如:NVIDIA® 3D Vision™眼鏡,在眼鏡的鏡片選擇上是使用液晶鏡片,並利用電子訊號來控制液晶鏡片的「全黑」(遮蔽)與「透明」(開啟)。以右圖為例,當倍頻式螢幕進行影像交替顯示,並送出左眼的影像時,此時快門眼鏡的左眼接收到「開啟」訊號,並且再同時將右眼「遮蔽」。相反的,當螢幕送出右眼的影像訊號時,則反之同步將左眼遮蔽起來。如此一直反覆運作,並以高於人眼視覺暫留的速度進行交替顯示,左右眼同樣產生視覺差,3D立體影像就這樣產生。