立體液晶顯示器工作原理

前言

由于人類(lèi)的眼睛已經(jīng)習慣日常生活中三次元立體影像，因此認為包含電影在內及其它顯示器所顯示的畫(huà)面也應該是立體影像，然而令人訝異的是這種潛意識的需求，長(cháng)久以來(lái)卻礙于科技上的束縛，快速且毫無(wú)抗拒的接受平面二次元影像。數字信息革命后除了帶動(dòng)多媒體社會(huì )提早來(lái)臨之外，也再次點(diǎn)燃醫療、動(dòng)畫(huà)、CAD/CAM等領(lǐng)域對于三次元立體影像的殷切需求。有鑒于此本文將介紹有關(guān)利用液晶顯示器制作三次元立體影像技術(shù)動(dòng)向。

三維影像分割器(image splitter)

日本SANYO公司是最早從事有關(guān)三維立體影像技術(shù)的研究，早在94年曾推出不需專(zhuān)用眼鏡的三維立體影像分割器，利用這種影像分割器可用來(lái)觀(guān)賞立體動(dòng)態(tài)影像，基本上它是根據視差障礙(parallax barrier)原理使影像交互排列先通過(guò)細長(cháng)的縱列光柵后才由兩眼捕捉觀(guān)察，由于進(jìn)入左、右眼的縱向影像因視差障礙器被分開(kāi)，造成左、右眼所捕捉的影像產(chǎn)生微小偏離，最后經(jīng)由視網(wǎng)膜當作三維影像讀取(圖1)。



利用這種原理可以針對觀(guān)視者觀(guān)賞畫(huà)面時(shí)的最適當位置，除了提供觀(guān)視者左右兩眼影像之外，由影像正面的顯示區到最適距離所函蓋的區域，對觀(guān)視者而言就變成正常的立體三次元影像。不過(guò)兩眼視線(xiàn)相鄰處的影像，會(huì )被左、右兩眼在無(wú)意識狀態(tài)下捕捉讀取形成所謂的逆視領(lǐng)域，換句話(huà)說(shuō)使用這種三維立體影像分割器的觀(guān)視者必需固定在一定的觀(guān)視位置才能產(chǎn)生立體視覺(jué)效果(圖2)。


        
為了改善上述缺失因此開(kāi)發(fā)出頭部檢測系統(head tracking system)，利用這種檢測系統可隨時(shí)偵測觀(guān)視者頭部位置，一旦產(chǎn)生逆視領(lǐng)域時(shí)顯示器會(huì )立即切換左右兩眼所讀取的影像，如此一來(lái)不但可以防止逆視問(wèn)題的發(fā)生，還可以擴大三次元立體影像的可觀(guān)視范圍.
        
然而實(shí)際使用上頭部檢測系統時(shí)，卻發(fā)現各菱形區域界面非長(cháng)狹窄，造成觀(guān)視者感受到微妙的重疊影像、失真(crosstalk)與黑色縱紋(moire)等觀(guān)視性不佳及眼睛極易酸痛疲勞反效果。有鑒于此SANYO將該系統改成由液晶所構成的電子驅動(dòng)型可動(dòng)式頭部檢測系統(圖4)，如果觀(guān)視者的頭部移動(dòng)至界面區域時(shí)，該新型頭部檢測系統可以立即檢測，同時(shí)移動(dòng)上述三維立體影像分割器的開(kāi)口部(圖5)，也就是說(shuō)它是利用檢測器隨時(shí)偵測、監控觀(guān)視者的頭部位置，并將偵測結果feed back給影像分割器，調整、控制液晶顯示器上所顯示的左、右兩眼的影像位置，利用這種新技術(shù)觀(guān)視者可以觀(guān)看到范圍極廣的三次元立體影像(圖6)。






        
三維影像顯示器

上述的電子驅動(dòng)液晶頭部檢測系統最大缺憾是立體觀(guān)視區域內的觀(guān)視距離(由顯示器的畫(huà)面到觀(guān)視者之距離)依然存在，因此在應用上受到極多的限制。為了縮短觀(guān)視距離并擴大應用領(lǐng)域，因此開(kāi)發(fā)出新世代三次元顯示器。這種新型顯示器的特征為:

(A).大幅擴大立體觀(guān)視范圍(比以往提高三倍)

傳統的不需專(zhuān)用眼鏡的三維立體影像顯示器，同樣水平方向時(shí)小畫(huà)面的前后方向的立體可視范圍比大畫(huà)面的立體可視范圍大(圖7)，這是因為小畫(huà)面的視角比較小，液晶顯示器與影像分割器較不容易產(chǎn)生所謂的moire干涉縞。利用這種物理現象將液晶顯示器與影像分割器，藉由電子方式分割成16等份各別掌控專(zhuān)屬區域(圖8)




        
換言之它可針對觀(guān)視者的位置將上述影像分割器的開(kāi)口部位置，以及液晶顯示器內的影像微調到最適當狀態(tài)，如此無(wú)論立體觀(guān)視遠、近，觀(guān)視者都可以觀(guān)賞到三次元立體影像。根據液晶顯示器上方的立體頭部檢測系統(stereo head track)所偵測有關(guān)的觀(guān)視者二次元位置數據(前后左右)，同時(shí)控制并切換液晶顯示器左、右眼影像，以及影像分割器的開(kāi)口部位置，對立體觀(guān)視區以外的觀(guān)視者則進(jìn)行上述個(gè)別影像分割控制(圖9)、(圖10)，其結果如圖11所示前后方向的立體觀(guān)視區比以往擴大三倍以上。





(B).可有效掌控最適當的立體觀(guān)視區

以往的顯示器立體觀(guān)視區以外的部位極易發(fā)生波紋、失真或局部逆視等問(wèn)題，造成觀(guān)視者眼睛容易疲勞、不易觀(guān)賞立體影像等問(wèn)題。上述新型電子式影像分割器與液晶顯示器，可以隨時(shí)監控觀(guān)視者的狀況，保持最適當的立體觀(guān)視位置。

(C).可顯示高畫(huà)質(zhì)二次元影像

只需關(guān)閉電子驅動(dòng)的液晶顯示器的shutter，便可獲得與一般平面顯示器同等質(zhì)的二次元影像。

(D).成本低廉

上述新型電子式影像分割器與液晶顯示器的控制方法與結構都非常簡(jiǎn)單，因此它具有低價(jià)化的潛力。

三維影像顯示器的應用

目前三維影像顯示器主要是應用在工作站(work station)、漫畫(huà)、卡通等動(dòng)畫(huà)制作、醫療用途、教育用途以及航空、汽車(chē)仿真教學(xué)、電子游樂(lè )器等領(lǐng)域。例如醫療用途的立體內視鏡、立體顯微鏡、利用導引系統之手術(shù)、利用CT、MRI之醫療診斷、視覺(jué)機能檢查、醫療教育、醫療訓練等等。

結語(yǔ)

雖然新世代三次元立體顯示器解決許多缺點(diǎn)，并大幅增加立體觀(guān)視范圍，不過(guò)卻也面臨消費者認知度不足、價(jià)格昂貴、祇能單人使用等實(shí)用面的挑戰。有關(guān)單人使用的問(wèn)題，目前已擬定計劃朝多方向探索、開(kāi)發(fā)多人使用的立體顯示器，除此之外制作精度、量產(chǎn)性與波紋的掌控也是有待克服的項目之一。預期未來(lái)三次元立體影像的市場(chǎng)會(huì )隨著(zhù)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步不斷的擴大，這意味著(zhù)隨時(shí)掌握市場(chǎng)的脈動(dòng)，適時(shí)提供相關(guān)技術(shù)變的更加重要。