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視覺的錯覺? 裸眼3D 立體感走出來

2021.10.20
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今期熱話

回想當初疫情嚴重時,電影院關閉,大家只能通過手機或電腦屏幕觀看影片;隨着防疫措施逐步放寬,同學們有更多外出的機會,大家或已把握時間約三五知己一同去戲院觀賞手機或電腦看不到的3D電影。在欣賞這些大作時,你們有沒有想到,為何在家中即使戴了3D眼鏡,面對着一般的電視或電腦亦不能看到3D電影呢?另外,近年常說的裸眼3D(即是不用戴上眼鏡也能看到3D影像)又是怎樣做到的呢?



人腦如何塑造立體感?

首先,人們是如何分辨到2D和3D影像呢?如果人類的眼睛各自運作的話,每邊只能接收到一個2D平面(試試閉上一隻眼,雖然人類憑單眼仍能通過大腦產生一定程度的視覺立體感,但所看到的東西一定不及一雙眼看起來立體)。然而,由於雙眼有一定距離(平均距離約6.5cm),因此望向同一物件時,觀看角度和距離是不同的,這亦導致兩隻眼睛看到的畫面是稍有不同,通過大腦的整合,就能產生立體感。

3D眼鏡的演進

大家應該知道,一般屏幕只能播出平面畫面(即2D畫面),那怎樣能在呈現物件時「增加」一個維度呢?其實是不能的,只有在播放電影時利用一些光學原理,配合3D眼鏡,令雙眼接收到不同的訊息,而這種不同會「欺騙」大腦以為是3D影像。以下是幾種常用的「欺騙」手法:

1.紅藍眼鏡

紅藍眼鏡,顧名思義是利用紅、藍兩種顏色的鏡片造成的3D眼鏡。如果單看螢幕畫面,會看到紅色和藍色的影像近乎完全交疊,但戴上紅藍眼鏡後,每邊鏡片都只會看到其中一種顏色,而由於兩種顏色的畫面有些微差別,導致每邊眼睛看到的畫面有偏差,而這種偏差經過大腦會形成視覺立體感。

要留意的是,紅色鏡片之所以是紅色,是由於紅色光遇到鏡片會遭到反射並進入我們的眼睛,從而讓我們認為該塊鏡片呈紅色,因此當觀看紅藍影像時,紅色光並不能穿透紅色鏡片,反而是藍光會穿過,反之亦然。



2.偏振光眼鏡

我們可以理解光以波的形式向前進,但其波動的角度在一個普通的顯示器上通常是任意的。因此,可以利用偏光片選取我們想要的偏振角度的光,過濾掉其他角度的波動,而這亦是偏振光眼鏡的原理。

就如事先把紅藍影像投射在熒幕上,我們把垂直偏振和水平偏振的光綫投映出來(我們肉眼並不能分辨出來),然後戴上偏振光眼鏡——一塊鏡片過濾垂直偏振光,另一塊過濾水平偏振光,如此一來,雙眼各自看到的影像又會有些微差別,通過視差形成立體感。由於這方法不會如紅藍眼鏡般受顏色所限制,因此亦是電影院常用的3D呈現方式。當然,由於光綫進入鏡片時會受到過濾,強度亦會有所下降。

3.液晶快門眼鏡/高頻掃描顯示器

有別於紅藍眼鏡和偏振光眼鏡都是「被動」地接收信號,液晶快門眼鏡是屬於「主動式」,通過「主動」控制快門開關決定使用者所看到的東西。

首先,顯示器會以高頻率地交替顯示左眼和右眼的畫面(約120 Hz,Hz是頻率單位,即一秒內發生的次數),高頻率的目的是為了不會令屏幕出現「閃爍」的情況。

然後,液晶快門眼鏡會依同樣頻率開關左右鏡片的快門,一邊看到熒幕時,另一邊會出現「黑幕」。由於高頻轉換的關係,我們的腦會反應不過來,造成「視覺暫留」,我們不會看到全黑的畫面,而通過兩眼接收到的信號有差別,構成3D感覺。由於要主動控制快門,這款眼鏡需要電池運作並定時充電,造價亦較昂貴。



裸眼3D的原理

3D眼鏡確實能讓我們「看到」立體物件,但亦有一定缺點。除了偏振光眼鏡會減弱光綫強度外,一些人戴得久也會出現眼睛疲累甚至暈眩的感覺,而對於本身已佩戴眼鏡的人來說,再加上一副3D眼鏡或會比較麻煩。因此,一些人開始研究怎樣毋須佩戴特定眼鏡亦能「看到」3D影像,以下會介紹幾項我們稱為「裸眼」3D(Autostereoscopic 3D)的原理。

1.戶外3D熒幕



這種立體效果是由大型熒幕配合特製影片而成,並不如上述3D眼鏡般會造成視覺差,只是通過畫面的陰影令我們產生對深度的錯覺,因此,如果我們站在不同角度觀看,就未必體驗到如此強烈的立體感。

2.光欄柵式3D熒幕

由大型熒幕縮至小型裝置的畫面,要做到3D效果就不能單靠陰影,而要真的如3D眼鏡般做到雙眼視覺差。但是否直接把3D眼鏡技術搬至3D熒幕上呢?不是,因為此時眼睛已不再受限於鏡片所接收到的影像,所以我們需要其他方法,而光欄柵法是較常見的做法。

首先,熒幕上的像素(pixels)會分成專為左眼和右眼所看到的影像,然後在像素前加上一層視差柵欄(parallax barrier),這其實是一系列明暗相間的條紋,由液晶層和偏振膜製造出來。有了這個柵欄,「左眼像素」就只能進入左眼而右眼不會看到,反之亦然,再因循此視覺差製造立體效果。任天堂推出的3DS正是運用了此技術。

可是,從圖二推想,其實只要使用者的觀看角度有所改變,有些本來該看到的像素就會被柵欄遮擋,從而影響視覺接收。



3.柱狀透鏡式3D熒幕

簡單來說,此設計就是純粹把光欄柵改成柱狀透鏡,左右眼像素則維持不變。由於透鏡與空氣的折射率不同,因此光走進透鏡時會改變方向,而通過精密計算,我們不但可以令特定像素的光綫指向某一邊眼睛,即使改變了一點觀看角度,大致上還能夠保持這種立體感。

柱狀透鏡與普通透鏡的不同,在於普通透鏡會左右及上下反轉影像,而柱狀透鏡只會改變光綫左右角度,這樣,我們就能正面望着熒幕而不用調整觀看角度。



裸眼3D+電子控制

雖然柱狀透鏡能增加我們的觀看角度,但如果我們在旁觀看時能如立體全像投影般,全無死角地看到物件的側面,那麼立體效果會更佳。Sony去年推出了新型「空間實境」(Spatial Reality)裝置,名為「ELF-SR1」,就以電子控制配合柱狀透鏡做到類似立體全像投影的效果。

‧首先,用上4K解析度熒幕,以克服柱狀透鏡帶來的低解析度問題。

‧接着,此裝置利用臉部識別技術追蹤我們的觀看角度,再因而調整像素排列,形成能夠平滑移動的立體畫面。

當然,由於要進行臉部追蹤,ELF-SR1只適用於單人使用,並不像Looking Glass公司等推出的全像顯示器——在熒幕表面加上一塊玻璃面板,通過立體玻璃折射,可同時支援45個觀看角度,適合多人同時觀看。

補充資料

「隱身」功能揭秘

裸眼3D除了應用在公眾大型布景板及遊戲熒幕外,其實還可以有其他用途,例如博物館以立體全像投影展品、科學家展示複雜的分子結構模型作更仔細觀察等。

前文提及柱狀透鏡,其實這種透鏡還能做到「隱身」功能呢!我們可以聯想放大鏡,大家有否試過,當放大鏡距離目標「足夠遠」時,影像反而會變小呢?這是由於光綫折射會受物件與鏡之間的距離所影響,而在「足夠遠」時,我們亦看到目標物件左右和上下倒轉。

然而,柱狀透鏡只有一個維度是曲面,因此只會在有曲面的維度產生倒轉及縮小的效果。如把一系列柱狀透鏡排列在一起,並將物件垂直於折射方向放在透鏡後面(如圖四所示,紅色垂直柱子放在把水平方向縮小的透鏡陣列之後),就會造成紅柱子「消失了」的效果。大家在家中也能試試看呢!



載自2021年10月20日《S-file STEM/理科》

文:劉心 部分圖片:星島圖片庫
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