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三度空間科技:3D漂浮顯示與凌空觸控技術

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科技來自於人類無窮的欲望

時代在變遷,技術在進步,許多幾十年前被認為天方夜譚的科技幻想產品,今日都已一一化為現實,也隨著知識增長、技術精進而跨越了當初在技術上所遇到的高牆。然而,人類會滿足於現況而停止做夢嗎?不,人類的欲望是無窮的,對任何事物不只要求從有到好,還要更好,藉由欲望來刺激創造,許多科技產品也就因應而出,造就出更美滿豐富的生活。

回首過往,在民國五、六十年代,全村厝邊男女老少相約在庭院空地,看著一臺訊號不穩定的黑白電視,就只為能在第一時間看紅葉少棒隊贏球為國爭光。過了二十年,隨著經濟起飛,家家戶戶盯著畫面清晰但笨重的彩色CRT電視,爭睹巨星鄧麗君華麗的丰采。如今,隨著顯示科技革命,兼具輕、薄、畫面大、畫質好的液晶顯示器當道,取代了傳統笨拙厚重的電視,不僅讓觀賞時更加舒適,還大幅節省占用的空間。這世代,「電視」早已不只是家電,還是精美的藝術品。

對於傳統電視所具備的功能,不管在畫面、畫質還是外觀上似乎都已推展到了極致,然而,這就是顯示器這條道路上的盡頭嗎?不,科技產自人類的欲望,欲望無限,科技豈會停擺?近年來,科技發展開始著重在3D立體顯示技術,相關的研究與發明也層出不窮,不斷地探討、更新和整合。大至結合電影拍攝技術,讓3D影像能夠在電影院大螢幕播放;小到千家萬戶都能夠各自擁有3D液晶螢幕顯示器,隨時觀看立體影像。讓3D影像顯示在生活的周遭,看來已經是必然的趨勢。

使不同科技整合是當前熱門的話題和走向。目前最成功的例子,就是那小小一臺可以隨身攜帶的智慧型手機了。它不只具備傳統手機的功能,能夠熱線你和我;整合螢幕觸控系統使操作更便利;還有無線網路通訊系統,讓使用者能夠隨時獲取第一手資訊。

智慧型手機採用了隨身攜帶的小型液晶螢幕顯示技術,使得隨時觀看地圖和影音娛樂不再只是幻想;搭配了輕巧的小型相機鏡頭,隨時能記錄所見所聞的七彩世界。若再結合陀螺儀、定位感測系統和許多應用軟體,這種多合一的技術產品使人類生活更方便、更增添色彩。

一項劃時代的重大發明,往往能夠引發一場浩瀚革命,大幅改變人類的生活習慣。在這人手一機隨時滑動螢幕的世代,很難想像五、六年前智慧型手機還未問世時的情景。

這時,不禁會開始幻想:假使能夠使3D顯示技術和目前充斥在生活上的顯示型電子產品結合,比如說智慧型手機或平板螢幕,再搭配凌空感測觸控技術,如此一來,在生活中不管是通訊、開會或是休閒娛樂,都能有即時的3D畫面與互動系統,讓科技產品不僅拉近彼此間的距離,還可真實感地「身」入其境到對方的世界中。一想到這裡,就對未來有著無限憧憬,夢,總有一天會實現。

人眼對立體影像的判斷

眼睛是人類的靈魂視窗。藉由不斷演化,貴為萬物之靈的人類,雙眼分布在臉部同一平面上,雖然不像草食性動物的眼睛分布在兩側擁有接近360度的視野,但具備著一項絕對的優勢:對環境、物體能夠產生立體的影像,可以輕易分辨距離及凹凸。至於人類如何辨別環境、遠近、距離及立體影像呢?在進入3D世界之前,就先深入探討成像到視網膜上,分辨物體距離的人眼視覺系統吧!

線性的透視 ─ 對於立體物體外觀的一種相對距離感覺。對於一望無際排列整齊的遼闊景色,在視網膜上的影像會產生線性的延伸,最終在無窮遠處匯聚成一點,藉此可判斷影像的距離。

物體的重疊 ─ 對於不同物體遠近距離判斷的感覺。當映入眼簾的影像有不同的非透明物體時,若有前後互相重疊的情形,則距離較遠的物體會有一部分被距離較近的物體擋住而看不到,可藉由這得知物體間的相對距離。

陰影的辨識 ─ 對於立體物體形狀的空間關係線索。藉由物體的陰影位置,可以明確辨別物體的凹凸。對於實心的物體,陰影會在形狀邊緣的外側;反之,對於空心物體的陰影,則會在外緣輪廓的內側。

紋理的梯度 ─ 對於物體小尺度結構上的細微辨識能力。眼睛是個出色的感知器官,即使不刻意去觀察,仍然能夠對物體的細微紋理做自動辨識。由於感官上的清晰程度與距離遠近相關,可進而推斷物體的距離和方向。

熟知的物體 ─ 大腦對於看到的影像和記憶畫面進行連結的經驗法則。當人眼看到一個熟知的物體,把影像傳遞到大腦時,會自動和記憶中的形狀大小連結,藉由兩者的比較可以判斷出物體的大小和距離。

運動的視差 ─ 捕捉移動物體影像畫面並辨識的視覺系統。當眼睛看向遠方,有一近一遠移動速度相同的兩物體,透過人眼的辨識並和外在環境的相對移動比較,會產生距離近的物體移動變化較大的感覺,藉此可感知不同物體的遠近。

根據上述的諸多原理,挑選合適的畫面,讓左眼與右眼看到具有橫向偏移量的影像,再藉由大腦對影像的認知、判斷與重新聚焦,就能夠順利營造出具有三維立體空間的環境,讓觀賞者有身歷其境的觀感。

顯示器的成像原理

在探討3D立體顯示技術之前,先介紹當前大宗的液晶螢幕顯示器的結構和原理。

簡單來說,可以把顯示器看成是由許多各司其職的平面光學元件所組成的。首先,均勻的白色面光源從背光源射出,當光經過偏振片時,過濾吸收特定偏振態的光,使穿透光具有偏振特性。接著光傳遞到液晶層後,由於液晶本身具有雙折射和導電特性,可藉由施加不同電壓來控制液晶的排列形態,並進一步掌握旋光特性來旋轉光的偏振方向。

當光穿過彩色濾光片後,在不同的位置上會分別產生紅綠藍三種不同顏色的子像素,來控制顏色並構成一個完整的像素。最後,光再經過偏振方向與先前互相垂直的第二偏振片,藉由光的偏振方向在液晶層的旋轉程度來控制畫面的亮度。

3D立體顯示技術

3D立體顯示技術的發展已有段時間,目前趨近成熟。2009年電影〈阿凡達〉使用嶄新的拍攝技術和炫麗的呈現手法,一舉創下許多得獎紀錄,並把3D顯示技術發揚光大。它震撼的畫面和讓觀眾身歷其境的立體影像,讓世人看到顯示時代的進步。在這之後,3D影像和電影緊密結合成為每家電影院不可或缺的技術。

在家用電視方面,民眾不但要求尺寸更大更薄,選擇能夠搭載3D顯示切換系統的電視也逐漸成為必然。目前的3D電視都配備把2D原始訊號直接藉由內部計算轉換成3D訊號的功能,去除了必須另外加購3D藍光播放器和訊號片源不易獲得的麻煩,使民眾在使用上能更加便利地觀看3D立體影像。

既然3D影像技術如此熱門和普遍,那麼,立體影像究竟是如何呈現的呢?就讓我們來一窺其中奧祕!

戴眼鏡式3D成像系統 目前市面上主要採用的3D立體顯示技術,根據欣賞者的觀看方式,簡單分成需要和不需要戴眼鏡兩大類別。一般來說,需要戴眼鏡的3D顯示技術能夠獲得較佳的立體影像品質,已廣泛運用在電影院中。若深入探討細節,又可依原理的不同而分成兩種:

快門式眼鏡3D立體顯示器 人眼對於連續移動影像的辨識能力,大約是每秒27張畫面,只需要使訊號更新頻率大於人眼辨識能力,就能夠看到連續影片。根據相似的原理,利用時序上的切割,把影片分成左眼和右眼的訊號源。在第一時間點顯示一隻眼睛的訊號,隨後切換到顯示另一眼的訊號,不斷重複交替輸出不同眼的訊號,搭配眼鏡上設計的特殊開關系統,在不同時間點分別開起單一眼的開關,並與訊號源同步。如此一來,就可使雙眼在相互交錯的時間點上,觀看到各自所需要的影像。

這方法主要是利用時序上的切割,畫面解析度不會下降,也不容易在其中一隻眼睛上觀看到另一隻眼的錯位訊號,因此畫面的品質和立體效果都比較好。不過,畫面切換的更新速率要求較高,一般需要240‭ ‬Hz以上的頻率。此外,這類顯示器有項缺點,就是眼鏡因為要加裝電池,所以較重且須定期更換電池。

偏極式眼鏡3D立體顯示器 另一項技術是利用光的不同偏振型態來控制影像,是目前電影院中使用最廣的一項技術。架構上需要擺放兩臺相鄰的投影機,分別輸出偏振態互相正交的影像訊號,利用訊號光源打到屏幕後再反射給觀賞者。這時偏振眼鏡扮演著過濾的角色,利用左右眼鏡上互相正交的偏振片分別吸收不需要的光源,僅讓正確的訊號穿透,讓雙眼都能獲得正確的訊號且不受其他雜訊干擾。這項技術具備眼鏡較輕、不需電池、空間和時間解析度都不會下降的優點,但需要另外架設一臺投影機。

但在家用電視上,由於無法另外加裝一臺投影機,因此需要利用空間切割的概念降低解析度:在相鄰兩排的畫素中,輸出偏振方向正交的訊號分別給左右眼接收。利用這種方法也可得到相同的結果,但除了解析度折半外,眼睛獲取到的訊號光強度減弱,看到的畫面會比較暗淡。

不需戴眼鏡式3D成像系統 這種類別的技術最大優勢是觀賞者可直接觀看3D影像,不需要戴附加的眼鏡,免去一大麻煩。但天下無白吃的午餐,在享受好處的同時,也必須付出代價。這類技術設計的概念,主要是利用附加光學元件來控制光場的方向,讓左右眼各別觀看該有的畫面來結合成立體影像。因此,空間解析度通常會往下掉,且有特定觀賞位置的限制。由於難以完美地控制光場,常發生左右眼看到一部分另一隻眼的訊號,而造成3D影像中產生鬼影。

目前市面上販售的電視或筆記型電腦,也有為數不少的產品採用這類空間多工光場控制系統,來達到能夠裸視觀看3D立體影像的目的。若探討更細節的架構,可進一步分成兩大類:視差屏障系統和柱狀透鏡系統,主要都是藉由外加不同的光學元件,來控制光場方向達到所想要的位置。

3D懸浮顯示技術

透過平面顯示器展現出水平視野的3D立體影像,目前技術已成熟且廣泛運用在產品上,不過,這樣的成果就令人滿足了嗎?這就是3D成像技術的極限了嗎?我們不禁會繼續幻想,是否能夠在一張水平擺設的桌子上,投影出懸浮在桌面上真正騰空的3D物體影像?夾帶著這一個想法,3D懸浮顯示技術因應而生,開始受到關注與研發。

技術的研發需要與產品的實用性結合,因此在架構設計上,以不需要配戴外加眼鏡的形式為主。至於技術的內容細節,也是五花八門、百家爭鳴,但基本設計概念都一樣,就是設法讓觀賞者的左右眼能夠看到各自需要的不同影像。在諸多不同技術中,控制光場方向的技術脫穎而出成為大宗。

利用投影機做為光源,把經過特殊設計和對位的原始訊號射出,再利用不同的光學元件(例如透鏡、針孔、特殊屏幕等)控制光場方向,使不同位置的光線都能夠有效地控制到所需角度的方向上,進而產生在特定位置的漂浮影像。若要讓觀賞者在欣賞時處在環場觀賞位置,則可以利用多臺環繞的投影機來達成目標。

有朝一日,像〈鋼鐵人〉電影情節中的3D懸浮影像顯示技術,不會只是一個夢想,而是能夠真實存在於現實社會中。目前,已經有許多大型演唱會採用相關的顯示技術,讓現場場面看起來更加奇幻與絢麗。
此外,這項技術不僅能夠用在娛樂上,還可有效結合不同產業。例如在醫療方面,透過即時的3D立體影像,讓外科醫生能夠精準掌握操刀位置和進行術前模擬手術,對於實習醫生來說,平常就能夠練習開刀的細節並大幅減少大體的需求量。夾帶著諸多優勢,可以大膽地預言,未來生活環境中充斥著3D顯示影像是必然的趨勢。

不只看得到還要「摸」得到

3D影像顯示技術或許能夠展現出震撼的立體影像,卻只能單方面傳播而缺乏互動,就好比是到北投不泡溫泉、到彰化不吃肉圓一樣,總感覺有那麼點美中不足,實為一大憾事。於是凌空觸控技術也在3D顯示技術發展的同時拿來探討和研究,讓3D技術不僅是單向的影像輸出,還能夠判讀使用者的動作反應來做出相對應的回饋,結合成為雙向互動的系統,讓運用範圍更加廣泛。就技術層面來看,凌空觸控技術主要可以分成三大類別:

第一類是使用外加的元件來感測,觀賞者需要另外配戴頭盔、眼鏡、手套等器具。由於可把各司其職的不同元件和顯示系統有效整合為一體,因此有精確感測雙手在立體空間的位置、手勢、移動方向等優勢。但也有一個最根本的先天性缺陷,就是需要配戴龐大繁重的儀器,這項致命的弱點是導致這技術無法廣泛運用的原因。

第二類技術是在顯示系統之外再添加光學接受器,例如照相機、CCD、CMOS等。當觀賞者對於3D影像做出手部動作反應時,感光系統就能抓取各時間點的影像,再利用相關演算法計算,判讀肢體動作並做出對應的回饋系統反應。這種類型的技術直覺、直觀且精確,缺點是可操作區域有所局限,只能在特定受限範圍內使用。

第三類系統則採用光學感光微元件來執行。由於元件輕薄短小,通常可把感光元件隱藏置入光學顯示系統中,使產品既美觀又自成一體不需分開擺設。這項技術的缺點在於工作範圍僅能在距離螢幕不遠處,並無法遠距離操作;而且當許多人同時操作時,影像訊號處理系統仍有一些困難待克服。

3D顯示系統與凌空觸控裝置分別具備展示與互動功能,把兩者結合可以廣泛運用在許多方面。採用原理的部分,除本文介紹的幾項分類之外,還有其他各種形形色色具不同創意的技術仍在發展中。在這科技日益進步的世代中,如何使各種固有技術整合,得到多功能且具創意的產品,是很重要的一環。以人類敏銳智慧的頭腦,一定能夠讓這個世界更加美好。想著那充滿任何可能性的未來,就著實令人期待。

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