「3D 立體顯示」可說是近來娛樂產業相當熱門的話題,不但有好萊塢推出《阿凡達》等賣座 3D 立體電影,全球各大家電廠商也積極佈局準備推出一系列支援 3D 立體顯示的播放機與電視機等家電產品,NVIDIA 也推出支援 3D 立體顯示的 PC 繪圖卡與周邊,甚至連 SCE 與任天堂也陸續發表 PS3 與 NDS 後繼機種的 3D 立體顯示支援。
本次的專題將針對 3D 立體顯示的原理與應用作一簡單介紹,了解各種 3D 立體顯示是如何重現現實世界的立體感,以及 3D 立體顯示在遊戲領域的實際應用,供玩家參考。
雙鏡筒式的專屬觀看設備可以明確分隔左右眼的視線,不需要讓觀看者自己憑感覺去調整視線來捕捉立體感,因此大多數人都能適應,這個方式後續也發展為頭 戴式 3D 立體顯示螢幕,透過左右兩組螢幕讓左右眼觀看不同畫面產生視差以呈現立體畫面。
19 世紀製造的雙鏡筒式專屬觀看設備
不過上述幾種方式每次只能讓一個人觀賞,並不適合有多人欣賞需求的應用。
◆ 眼鏡式 3D 立體顯示技術
為了滿足像是電影等多人觀看需求的應用,因此後續也出現了以特製眼鏡來同時提供多人觀看的各種 3D 立體顯示方式,並根據運作模式分為被動式與主動式兩大類。
【被動式 3D 立體眼鏡】
被動式 3D 立體眼鏡指的是眼鏡本身是單純的鏡片 + 鏡架所構成,不牽涉到任何機械式或電子式的運作。雖然此類眼鏡所採用的技術有很多種,不過基本原理都是透過光學方式讓兩組畫面分別只能穿過左右其中一眼的 鏡片,讓左右眼觀看到具備視差的影像。
˙紅藍濾色片式 3D 立體眼鏡
最早問世的是採用紅色與藍色(或紅色與綠色)濾色片構成的 3D 立體眼鏡,眼鏡本身的成本很低(可使用紅藍玻璃紙與紙板製作),早期的 3D 立體電影多採用此方式,分別投射出經紅色濾光與藍色濾光的畫面,再讓觀看者配戴紅藍 3D 立體眼鏡來觀看。
紅藍濾色式 3D 立體眼鏡
紅藍濾色片方式可適用於平面印刷媒體或是一般顯示設備。
以紅藍 3D 模式顯示的《蝙蝠俠:小丑大逃亡》
由於紅藍濾色片式 3D 立體眼鏡有著無法正確重現原本畫面色彩的缺點,因此後續有廠商推出了改良式的「ColorCode 3D」,透過琥珀色與藍色濾色片分別呈現彩色與單色兩組畫面,由於大腦會自動結合雙眼觀看到的影像,因此可以獲得彩色的立體畫面。
˙偏光式 3D 立體眼鏡
後續在偏光技術普及後,開始有廠商採用偏光式的被動式 3D 立體眼鏡。偏光片是透過如百葉窗般排列的矽晶體塗料薄膜(偏光膜)來過濾原本朝不同方向震動的光線,會擋住與偏光膜方向垂直的光線,只讓與偏光膜方向相同 的光線通過。由於偏光片只會過濾光線的方向,而不會像濾色片那樣過濾光線的顏色,因此可以完整保留畫面的色彩。
偏光原理
播放時只要使用兩組設備分別透過偏光片投射出垂直偏光與水平偏光畫面,或是使用一組設備搭配可切換偏光方向的主動式偏光片交替投射出垂直偏光與水平畫 面,再讓觀看者配戴垂直偏光片與水平偏光片組合的偏光式 3D 立體眼鏡,就可以觀看到立體畫面。
近年的 3D 立體電影多半採用偏光方式來呈現。不過偏光方式必須使用特殊的投影機或是螢幕等顯示設備才能呈現,因此並無法適用於平面印刷媒體或是一般顯示設備。
【主動式 3D 立體眼鏡】
主動式 3D 立體眼鏡是透過眼鏡本身的主動運作來達成 3D 立體顯示效果。
˙雙顯示器式 3D 立體眼鏡
雙顯示器式 3D 立體眼鏡雖然無法提供多人觀看需求,不過仍就算是主動式 3D 立體眼鏡的一種,運作的原理非常簡單,透過左右眼鏡中配置的兩組小型顯示器來個別顯示左右眼畫面,來達成立體顯示的效果。由於必須配置兩組獨立的顯示器, 因此成本較高,而且只能讓單人觀看。因此通常只應用在特殊用途,像是搭配頭部偵測應用在虛擬實境。
頭戴式顯示器
任天堂於 1995 年推出的可攜式遊樂器「Virtual Boy(VB)」就是此類設計。
˙液晶式 3D 立體眼鏡
液晶式 3D 立體眼鏡是採用主動式液晶鏡片所構成的 3D 立體眼鏡,運用液晶可藉由電場來改變透光狀態的原理,以每秒數十次的頻率交替遮蔽左右眼視線。播放時只要交替顯示左右眼畫面,再透過同步訊號讓液晶式 3D 立體眼鏡與畫面同步運作,播出左眼畫面時讓右眼鏡片變黑、播出右眼畫面時讓左眼鏡片變黑,就可以達成立體顯示的效果。
由於液晶式 3D 立體眼鏡不需要濾色或偏光等特殊構造的播放設備就能呈現,只需要提升播放設備畫面更新頻率及添加同步訊號發送裝置即可,因此可適用於大尺寸多人觀賞需求, 是目前最廣泛應用於 3D 電視等民生娛樂領域的方式。包括 PC 上由 NVIDIA 推出的「3D Vision」以及各家電大廠最近狂推猛打的 3D 立體電視產品,都是採用此方式。
由於畫面是採左右交替方式播放,同一時間內只有一隻眼睛能看到畫面,因此當開啟 3D 立體顯示模式時,畫面更新頻率會變為原本的一半。如果只搭配現有的每秒 60 次更新標準規格時,畫面更新頻率會降到每秒 30 次,讓觀看者感受到明顯的閃爍。因此目前各廠商所推出的方案都是將螢幕更新頻率加倍到每秒 120 次,來避免閃爍的問題。
液晶式 3D 立體眼鏡由於必須主動運作,因此構造上比被動式 3D 立體眼鏡複雜,雖然播放設備的成本較低,不過眼鏡的成本高出不少。以目前主流的紅外線同步方式來說,就必須配備額外的接收控制電路與電池。而且液晶鏡片的 交錯遮蔽會影響畫面的亮度。
雖然液晶式 3D 立體眼鏡這一兩年才隨著新產品的推出開始發燒,不過在遊戲領域的應用事實上已經超過 20 年,最早是 SEGA 在 1986 年推出 SEGA MarkIII / Master System 用的「3D 眼鏡」,任天堂也在 1987 年推出 Famicom 用的「Famicom 3D 系統」。
不過當年的液晶式 3D 立體眼鏡周邊在設計上遷就於既有 NTSC / PAL 規格映像管螢幕,遊玩時畫面的亮度低閃爍感強烈,加上當時的遊樂器完全沒有 3D 繪圖能力,只能概略呈現具備前後層次感的平面圖層,因此並未獲得市場青睞,支援遊戲款數相當少。
◆ 裸視 3D 立體顯示技術
雖然眼鏡方式能滿足多人共同觀看的需求,不過觀看時必須配戴特殊眼鏡仍舊是個相當大的障礙,各家廠商於是投入不需要配戴特殊眼鏡的裸視 3D 立體顯示技術研發。
所謂的「裸視 3D 立體顯示」,是指在不配戴任何特殊配件的狀態下以裸眼視覺就能直接觀看到 3D 立體顯示的效果。雖然基本原理仍舊是讓左右眼觀看不同畫面產生視差來營造立體感,不過前提是不配戴眼鏡,因此必須透過特殊設計的螢幕來達成目標。
由於裸視 3D 立體顯示在技術上仍有許多限制,因此主要用於個人化小型化的顯示用途,如行動電話、數位相機等,較少用於多人化大型化的顯示用途,如電視螢幕等。
裸視 3D 立體顯示根據運作模式又分為空間多功式與分時多功式兩大類。
【空間多功式裸視 3D 立體顯示】
空間多功式裸視 3D 立體顯示是在同一個螢幕上,以分割顯示區域(空間)同時顯示左右兩眼畫面(多功)來達成 3D 立體顯示效果的方式,因此被稱為「空間多功」。
˙柱狀透鏡式 3D 立體顯示(Lenticular Lenses)
柱狀透鏡式 3D 立體顯示螢幕,是在螢幕表面設置垂直排列的圓柱狀凸透鏡薄膜,透過透鏡折射來控制光線行進方向,讓左右兩眼接受不同影像產生視差呈現立體效果。
由於 3D 立體顯示具備高度的娛樂性,因此很早就應用於娛樂產業,不過由於拍攝、製作與播映的成本高,因此普及率有限。不過近年來 3D 顯示軟硬體技術逐漸成熟普及,加上電影與家電廠商有計劃的強力推廣,因此自 2009 年以來一躍而成為熱門話題。
同屬娛樂產業一環的遊戲產業,應用 3D 立體顯示技術也已經有 20 多年的時間,從 1986 年 SEGA 推出的「3D 眼鏡」,到 1987 年任天堂推出的「Famicom 3D 系統」,1995 年任天堂推出的「Virtual Boy」,2010 年中 SCE 預定透過系統軟體更新支援的 PS3 3D 立體顯示功能,一直到 2010 年度內任天堂預定推出的「Nintendo 3DS」,可說是相當豐富。
˙SEGA MarkIII / Master System「3D 眼鏡(3D Glasses)」
SEGA 於 1986 年 6 月在北美推出以 SEGA MarkIII 架構搭配嶄新外型設計的「SEGA Master System」,並於同年推出了遊樂器史上首款 3D 立體眼鏡周邊「3D 眼鏡」,採用有線連接的液晶式 3D 立體眼鏡,在 SEGA MarkIII 與北美版 Master System 上必須透過卡片式轉接裝置來連接,在日本版 Master System 上則是直接提供專屬的連接端子。
Virtual Boy 採用 NEC 製造的 32 位元微處理器,可提供一定的 3D 繪圖處理能力。為了克服雙顯示器設計的高成本,Virtual Boy 採用獨特的紅色 LED 陣列掃描成像,左右眼分別配置 384 個水平排列的紅色 LED 陣列,透過每秒擺動 50 次的反射鏡與每次擺動間閃爍 224 次的紅色 LED 陣列,來構成 384 × 224 每秒更新 50 次的 4 段紅黑色階畫面。
雖然 Virtual Boy 提供了貨真價實的 3D 立體顯示效果,不過由於紅黑色階的單調畫面不吸引消費者目光,相較於同期的 PlayStation / SEGA Saturn 來說毫不討喜,加上遊玩時旁觀者完全無法一窺究竟,而且有傳聞指出 Virtual Boy 對兒童的視力有負面影響,因此銷售狀況欠佳,前後只推出 19 款遊戲就下台一鞠躬,是任天堂歷來最短命的遊樂器。