立體顯示技術簡介 五、空間多工的平面裸眼立體顯示系統

前面幾篇已經把主要幾種要戴眼鏡的立體技術都講了一下，而接下來，要介紹的就是不用戴特殊眼鏡的裸眼立體系統了∼而在這邊，先大致將裸眼立體的技術分為兩大類：

• 一種是用一般的平面顯示器（LCD 螢幕、電視）來作立體呈現
• 另一種則是用特殊的裝置，真正產生三度空間立體影像的技術

在這一篇，會先以平面顯示器的為主。

平面式裸眼立體顯示系統

在前面介紹要戴眼鏡的立體技術時，各項技術不管是用什麼方法，最基本的概念，其實都是一樣的，那就是：「在同一個顯示的平面區域上，同時顯示兩眼不同的影像，再透過對應的眼鏡做過濾，讓兩眼各自只看到鼠於自己的影像」。（HMD 不是這樣就是了。）

而在平面的裸眼立體顯示系統裡，最大的問題，就是「怎樣在不用眼鏡過濾的情況下，讓兩隻眼睛看到不同的影像」了！

要做到這件事，目前的技術就是透過精密的光學計算、控制，讓左右兩眼影像的每個畫素所發出的光線，只會射向空間中的特定位置，進而讓觀賞者在特定的區域時，左眼接受到的都是左眼影像、右眼接受到的都是右眼的影像！

而要做到這樣的光線控制技術，又有許多種不同的方法，目前主要的方法，有「空間多工（Spatial-multiplexed）」和「分時多工（time-multiplexed）」兩種。

在這篇文章裡，主要是先介紹所謂「空間多工」的方法。這種方法主要的原理，就是是透過在同一個畫面、以畫素交錯的方式，同時顯示左右眼的影像，然後再搭配特殊的光線控制技術來讓兩眼看到不同的畫素。

像左邊的示意圖就是一種交錯式（interlace）的排列方法；最上方的 L、R 是代表一般螢幕上顯示出來的左右眼原始影像；而中間的圖，則是代表螢幕個別用奇數／偶數垂直線上的畫素、分別顯示左右眼影像的樣子。最下方，則就是透過這種方法，將左右眼影像一起顯示出來的樣子（奇數列是左眼的眼鏡、偶數列是右眼的影像）了∼

也就是說，在這種顯示模式下，如果兩眼影像的原始解析度是 16 x 16 的話（最上方的圖），那兩眼各自的取出來的解析度就會變成一半、也就是是 8 x 16（中間的圖）；而實際上在螢幕顯示時，就是會像最下方的圖一樣，交錯地顯示兩眼的影像，而這時後的解析度會和原來一樣，是 16 x 16。

而因為這樣的顯示裝置經過精密的光學設計，所以使用者在正確的位置觀看時，左眼只會看到奇數列的畫素（左眼的影像、中間右邊的圖）、右眼只會看到偶數列的畫素（右眼的影像、中間左邊的圖）；也由於兩隻眼睛可以看到不同的影像，所以也可以產生立體的效果！不過，實際上在看的時候，是會覺得畫面比較粗的∼這是兩眼各自看到的影像，解析度都只是一半、也就是 8 x 16 而已。

這邊這種畫素的排列方法只是一種簡單的範例，實際上還有許多種不同的排列方式（例如棋盤式的排列）；但是基本上這類的方法就是在同一個畫面、透過不同的像素同時顯示兩眼的影像，所以實際上都是會犧牲解析度的∼

在一個畫面裡面同時顯示左右兩眼的影像的技術有了之後，接下來就是要控制光現了∼目前這類型的立體顯示器控制光線方向的方法，基本上有 lenticular（透鏡）和 barrier（屏障）這兩類，接下來會大概介紹一下這兩種技術。

使用 lenticular（透鏡）的立體顯示器

顧名思義，這種技術就是透過在面板前方放置經過精密計算、設計的透鏡，來改變光線的方向了∼

右圖是簡單的示意圖，下方是螢幕的面板，下方紅色的點，是代表用來顯示右眼影像的畫素、綠色的點則是代表用來顯示左眼影像的畫素。這種技術的基本原理就是在面板前方，放上經過精確計算的透鏡（藍色的部分），來改變光線的方向了。在這樣的設計之下，由左眼影像像素（綠色）發出的光，會經過透鏡的折射，都進入左眼的區域、而不會跑到右眼去；同樣的右眼的像素也不會被左眼看到，所以可以控制兩眼各自看到螢幕上不同的像素，進而讓兩眼看到不同的影像、產生立體效果。

而這些透鏡的製作，又有不同的技術，像是 active lens、passive lens、LC lens 等等，各自都有各自的優缺點，不過在這邊就不詳談這些差異了（Heresy 不是做這行的，也沒辦法解是多少…）。

另外，這種技術目前面也可以做到能夠切換透鏡的狀態，讓螢幕可以在 2D（平面）和 3D（立體）模式中做切換，如此一來，立體螢幕也可以在一般非立體的場合時，也可以當作一般的螢幕使用。（如果不能切換的話，在一般平面顯示時，會有部分的像素看不到）

使用 barrier（屏障）的立體顯示器

和 lenticular 是去改變光線方向的原理不同，parallax barrier 的基本設計，是在螢幕前再加上一些遮蔽物，把部分方向的光遮住，只讓某些角度的光可以傳出去。

右圖就是簡單的示意圖，barrier 就是在眼睛和面板中間的黑色方塊了∼這些方塊的位置是經過精密地計算的，可以檔掉由左眼影像畫素（綠色）發出、本來會進入右眼的光，讓這些畫素只被左眼看到；同樣的情況也會發生在右眼影像的畫素（紅色）上，所以右眼的畫素也只會被右眼看到。如此一來，也可以和使用 lenticular 時一樣，控制兩眼各自看到螢幕上不同的畫素。

在實作上，除了將 barrier 放在面板前，似乎也有將 barrier 放在面板之後、介於面板和背光之間的設計。而對於 barrier 的製作，同樣也有不同的材質與方法；像是如果採用可切換狀態的 LC Barrier 的話，同樣也可以做到 2D / 3D 的顯示模式切換，讓螢幕的通用性更廣、可以當作一般螢幕使用。

lenticular 和 barrier 的比較

整體來說，由於這兩者的差異，只在於控制光線方向的方法，所以其實算是相當接近的。

兩者技術最大的差異應該會是在亮度的部分。在於使用 lenticular 的技術，由於是改變光線的方向，所以螢幕的亮度不會被犧牲太多；而採用 barrier 的話，則會因為需要把相當多的光線給檔掉，所以會讓螢幕的亮度降低不少（不過廠商一般也會提高背光亮度，把損失的部分補回來）。

當然，除了亮度以外，由於技術、設計的不同，在立體呈現的效果上，也是會有些差異的，不過在 Heresy 來看，差異並不會非常明顯。而目前台灣的面板廠商有在製作的這類型立體顯示螢幕，主要應該都是使用 barrier 技術的。

2-View 以及 Multi-View

另外，這種類型的螢幕，還有視角數目的分別。由於立體顯示的原理就是讓人的兩眼看到不同視角的影像，所以前面在講的，也都是以左眼影像和右眼影像來做說明；不過實際上，在看這類型的立體螢幕的規格的時候，可以發現除了有透過左右眼影像（兩個視角、2-view）來做顯示的螢幕之外，還有所謂的多視角（Multi-view）的螢幕。

為什麼要 multi-view 呢？這點要先從 2-View 在實際使用的狀況來講。

平面式的裸眼立體顯示系統，由於是要精確地控制光線，所以大多是先設定好一個距離、以及幾個預設的觀賞位置後，再來做光學上的設計；而根據設計，可以讓每一個畫素的光線在這些位置，可以如預期般地被看到。也就是只要在這些預設的位置裡，理論上都是可以看到正確的立體效果的∼不過相對的，如果不是在這些位置看的話，也就看不到正確的立體效果了。

在 2-view 的情形下，大致上可以用下圖來表示。下方的綠色長條是代表螢幕、上方則是螢幕的前方，而螢幕所發出的光線，則是會射到空間中的不同位置；圖中上方的 R 或 L，即是代表該區域看到的畫面是左眼或右眼的畫面，而紅線則是兩個區域間的間隔。不過實際上由於螢幕的光源不只一個點，所以左右眼各自的視區實際上不會是像下圖一樣的扇形，而是根據視角、位置的不同，有更複雜的形狀；同時，在實際狀況中，這些視區也會更小。

在這樣的一個系統裡，如果一個人的右眼在 R 的區域、同時左眼也在 L 個區域的話（也就是位於圖上方綠色弧形的位置），那他的右眼就可以看到右眼的影像、左眼則會看到左眼的影像，所以在這個情況下，就可以看到正確立體的效果！而要能達到這樣的狀況，除了和螢幕的距離要在設計的觀賞距離的範圍內以外，和螢幕的相對位置，也是需要調整的∼不然就有可能會變成左眼看到右眼的影像、右眼看到左眼的影像（上圖中紅色弧形打叉的區域），這樣的話，看到的立體效果就會是完全相反的了！

而參考上圖的正確區域（綠色弧形）和錯誤區域（紅色弧形），可以發現其時會看到錯誤的立體的地方，其實是相當多的！也就是你隨便在 2-view 立體螢幕前一站、直接往螢幕看的話，會有超過一半的機會，是看不到正確的立體效果的！

而要解決這種可視範圍過少的情形，目前比較普遍的方法，就是在原來只有左右眼的兩個視角，加入更多不同角度的視角！這樣的話，可以正確看到立體效果的區域，大概就會如下方的示意圖：

這個示意圖是代表一個5-view 的系統，圖中的 1 ~ 5 就是代表由右到左的五個不同視角的影像、數字不同就是代表不同的視角（view）；而這樣的 5 個 view 大致會是像下圖這樣子（如果是 2-view 的話，可能就是儘有 2 和 4 兩個視角來當作右眼和左眼）。

由於變成五個 view 了，所以只要順序是對的，像是右眼看到 1、左眼看到 2，或是右眼看到 4、左眼看到 5 的時候，都會有正確的立體效果∼唯一會有問題的組合，就變成剩下「右眼看到 5、左眼看到 1」這種左右相反的情況了！也因此，使用 multi-view 的情況下，不但可以讓看到正確立體效果的區域變大，某種程度上也可以讓使用者在用不同角度看的時候，感覺到不同的立體效果（View View 2 的立體效果會和 View 4 View 5 差滿多的）∼

不過相對的，使用 multi-view 的缺點，第一個就是在來源端要能夠有多視角的影像。這也增加了訊號源取得的難度∼不過實際上，這點在某種程度上是可以用軟體的模擬來做掉的。

第二個問題則又是解析度方面的影響。本來 2-View 時為了在同一塊面版上，顯示左右眼的影像，是會把面板的話素分一半給左眼、一半給右眼，這樣兩眼影像的解析度只有螢幕面板實際解析度的一半；而在 n 個 view 的情況下，為了能同時顯示 n 個 view 的影像，就變成每個 view 都只有面板解析度的 1/n 了！也就是 view 越多，實際上的影像解析度就越低∼而這樣的問題雖然可以透過增加面板的解析度來解決，但是實際上還是有其限制的…

小結

由於裸眼式立體顯示器不需要額外配帶眼鏡，所以在實際使用上，會比虛要配戴特殊眼鏡的立體顯示方案來的方便、輕鬆；同時在多人觀看的時候，也不需要考慮眼鏡的成本（更不怕眼鏡被人帶走 :p）。

但是實際上，這類型的裸眼立體顯示方案的限制也是相當地多的。大部分的裸眼立體顯示方案，都需要在特定的距離、特定的位置，才會有比較好的立體顯示效果；在這些以外的位置看的話，則是有可能會看到不佳或錯誤的立體效果、甚至完全感覺不到立體感。

所以除非有辦法限制觀賞者的位置，不然 Heresy 是覺得效果不會非常好。而在 Heresy 來看，裸演式立體系統就算是最好的立體效果，也還是遠遠比不上需要配帶立體眼鏡的顯示系統的立體效果。

另外，這種透過畫素排列來同時顯示多視角影像的技術，在解析度上的問題仍然是有待克服的。不然在為了增加視角的同時，也降低了相當程度的解析度，畫質的損失也是相當明顯的！所以 Heresy 會認為，這類型的立體顯示技術真的要廣為接受的話，應該還要相當程度的進展才行…