相較於2D顯示，3D顯示多了一維深度的視覺，優於2D顯示所能提供的逼真感受與刺激。3D電影是3D顯示最早也最普遍的應用，在CRT螢幕時代，3D顯示也應用在一些特殊用途，例如科學研究、工業設計及醫學影像。不過隨著高畫質數位平面顯示技術的發展，大幅改善了3D顯示效果，眼鏡式或裸眼式3D顯示應用，逐漸試探性地在資通訊及消費性電子市場上出現。

3D電影崛起

近年來3D電影技術精進，雖然仍必須藉助特殊眼鏡，但是視覺不適的情形已大幅降低，而且，所發行的3D電影比2D電影賣座，營收大於2D電影數倍，加上3D內容盜拍不易，更能帶來一些新賣點與新產品應用契機，因此美國八大影業紛紛投入拍攝3D電影，不僅投資在拍攝設備，而且在放映電影院的建設投資數量上也愈來愈多，將3D電影的拍製列為今後電影產業發展的重點。

3D立體顯示標準水到渠成

全球產業推動方面，電影電視工業標準組織SMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers）已於2008年特別成立3D Home Display Formats Task Force，正式開始著手訂定3D立體內容製作標準，以加速家用3D顯示應用。而國際顯示器量測委員會ICDM（International Committee for Display Metrology）也會在2009年出版的顯示器量測標準DMS v3.0中，將3D顯示器標準涵蓋進來。

3D顯示消費電子應用方興未艾

至於3D顯示在消費性電子產品的應用，各國際大廠亦在世界各地的消費性電子展中陸續展出。由於看好3D顯示在消費性電子產品所帶動的商機，美國的消費性電子產品協會CEA（Consumer Electronics Association）也開始投入標準規範的制訂。此外，藍光光碟協會BDA（Blu-ray Disc Association）也已宣告將3D列入規格。

《圖一　已發行與預定發行之3D電影》

3D顯示技術應用開始分流

3D顯示技術的應用非常廣範及多元，由於3D電玩及3D電影內容較成熟，眼鏡式3D顯示預期將會最先進入家庭。裸眼式3D顯示由於效果仍不如眼鏡式3D顯示，短期內的應用發展將會偏重在利基市場，尤其是像小型個人資通訊產品或大型公眾廣告方面的應用，例如3D數位相框、3D數位相機、3D手機及3D數位看板等。不過以目前技術在產品應用推動上所得到的調查，3D效果、視覺舒適性及殺手級的3D應用，將是決定市場是否快速發展的關鍵因素，未來技術改善也需面對相同挑戰。

《圖二　3D顯示技術的應用》

3D顯示技術

3D顯示技術原理

在1838年，英國發明家Charles Wheatstone發現人類眼睛各別觀看略有不同視角內容的圖像，經由大腦的組合與解析會產生立體感，這種差異，讓一個人從兩個二維照片看到三維圖像（立體圖）。170年來，人類就根據左右眼視差的原理，發展了各種3D顯示的方法。

眼鏡式3D顯示技術

3D顯示分成眼鏡式及裸眼式兩類，眼鏡式依眼鏡的不同又分為被動式眼鏡（Passive Glasses）與主動式眼鏡（Active Glasses）3D顯示技術。被動式眼鏡3D顯示技術，依左右眼影像分離所採用的光學方法，有偏振濾光（Polarization）及光譜濾波（Spectral Filters）兩種。另外，眼鏡式3D顯示技術依影像顯示方法，又可分出時間依序（Time Sequential）、空間分隔（Spatial Separation）與同位圖像（Co-Located Pixels）三種。

《圖三　立體視覺（a）影像突出螢幕（b）影像朝螢幕內延伸》

三種主要影像顯示方法

時間依序是將影像一左一右依序顯示，所以顯示器的畫面頻率至少要圖框頻率（Frame Rate)）的兩倍（120Hz），配合主動式快門眼鏡將左右眼影像分開給各別眼睛。空間分隔是將左右眼影像在顯示圖框上依奇數列與偶數列垂直穿插排列方式，或是在顯示圖框每一列依左右眼影像水平畫素穿插排列，再配合微位相差膜（Microretarder）及被動式偏振眼鏡將左右眼影像分開給左右眼睛。空間分隔左右眼影像垂直（或水平）解析度只有2D顯示的一半。同位圖像是將左右眼影像同時間重疊顯示，左右眼影像在光學上利用偏振濾光或光譜濾波方法將影像分離，同位圖像方法可以做到全畫面解析度3D顯示，影像圖框頻率與2D顯示相同。

《圖四　3D顯示技術分類樹狀示意表》

《圖五　時間依序顯示方法示意圖》

《圖六　空間分隔顯示方法示意圖》

被動式眼鏡3D顯示技術應用

目前3D顯示技術應用在3D電影所採用的技術有雙投影機的同位圖像偏振濾光或光譜濾波，以及單投影機時間依序偏振濾光或光譜濾波。單投影機偏振濾光是在投影機鏡頭前加裝一片與投影機同步的快門式偏振濾光片（Z-Screen），為降低畫面閃爍，作法上會將左右眼影像同一圖框顯示兩次，總頻率達4倍；因圖框頻率高，所以採用DLP影像顯示技術。

主動式眼鏡3D顯示技術應用

主動式眼鏡技術主要是快門式偏振眼鏡，搭配時間依序3D顯示器，眼鏡左右眼交替開關與螢幕同步，同樣由於顯示圖框頻率速度的要求，以往都是搭配DLP或PDP顯示器技術。LCD 3D顯示早先以空間分隔搭配被動式偏振眼鏡為主，隨著LCD面板圖像更新率（Refresh Rate）的提昇，時間依序偏振濾光因有全畫面解析度3D的優點，LCD以時間依序搭配快門式偏振眼鏡也普遍被看好，目前有國際繪圖晶片大廠nVidia將此技術推動在電腦3D顯示的應用。不過相較於被動式偏振眼鏡3D顯示的方式，主動式眼鏡3D顯示所用的快門式偏振眼鏡價格高，仍有待降低成本。

裸眼式3D顯示技術

裸眼式3D顯示有2D顯示使用上同樣的方便性，是3D顯示發展的終極目標。目前所看到的裸眼式3D顯示技術包括柱狀透鏡式（Lenticular Plate）、視差光柵式（Parallax Barrier）、自動觀者追跡式（Auto Viewer-Tracking）、空間體積式（Volumetric）及全像式（Holographic）。

一般柱狀透鏡式及視差光柵式

柱狀透鏡式及視差光柵式技術已經普遍應用在裸眼式多視角平面3D顯示器，也是目前使用較普遍的技術。柱狀透鏡或視差光柵裸眼式3D顯示可以是兩個視角（Two-view）或多視角（Multi-view）的設計，其技術原理是利用柱狀透鏡折射或利用光柵屏幕遮掩影像顯示板上由多個不同視角影像交錯組成的影像，讓各個視角影像投射在空間中，相臨視角影像依序展開，觀者在適當距離左右眼各收視到相臨視角影像，視覺上產生3D影像效果。柱狀透鏡式光通效率高（大於80％），相較於視差光柵式有較佳的亮度（視視角數及光柵寬度而定），不過技術難度及製作成本高。

斜向柱狀透鏡式及斜向視差光柵式

傳統直式柱狀透鏡及直式視差光柵屏幕多視角3D顯示技術，因會大幅降低3D影像水平方向解析度，3D影像只有全畫面解析度的1/N（N為視角數）。於是有斜向柱狀透鏡式（Slanted Lenticular Plate）及斜向視差光柵式（Slanted Parallax Barrier）的技術產生，此技術可將解析度降低的比例適當分配在垂直及水平方向，以提高整體3D影像的畫質。以上兩種技術各有多家廠商使用，尤其是斜向視差光柵式技術，製作簡單且成本低，從3D手機、3D數位相框等小型產品到多人觀看的大型3D數位看板都有產品應用推出。

《圖七　兩個視角及多個視角3D影像》

《圖八　柱狀透鏡多視角3D顯示原理》

《圖九　視差光柵多視角3D顯示原理》

《圖十　（a）斜向柱狀透鏡；（b）斜向視差光柵》

自動觀者追跡式

自動觀者追跡式3D顯示技術，結合攝影機追蹤觀者眼睛來自動動態調整左右眼影像視角以跟隨人眼位置，由於只產生兩個視角，可提供較好的3D解析度，適合單人使用，較偏重在特定專業應用上，目前研發以SeeReal Technologies公司最具代表性。

空間體積式

上述眼鏡式或裸眼式3D顯示技術都是以平面螢幕依兩眼視差原理讓視覺感知3D的立體影像，3D顯示最多就是在螢幕前180度的範圍，我們將其稱為平面式3D立體影像。而空間體積式3D顯示及全像式3D顯示技術，則是以光學的方法在空間中產生3D影像，視覺類同具體存在的3D物體，我們將其稱為為空間式3D立體影像。空間式3D立體影像需要的資料量龐大且需要高速的影像處理，相對技術難度高很多。

空間體積式3D通常是以360度環繞中心投射及反射影像技術，利用人眼視覺暫留的特性，觀者可看到360度具體3D立體影像。此技術通常需要運用快速360度旋轉的機械動作，機械旋轉所產生的振動與噪音，以及中心軸的穩定度，都是需克服的技術問題，由於機械結構的關係，此技術也不易做到大的3D影像顯示。

空間體積式3D技術，比較有名的有美國Actuality Systems公司所發展的Perspecta Volumetric 3D Display產品，目前應用在醫學影像及石油探勘地質影像方面，此外最近也看到有其它公司將其應用在商展上，運用此技術呈現展品。

《圖十一　Perspecta Volumetric 3D Display（Actuality Systems Inc.）》

全像式

至於全像式3D顯示技術，雖然可以提供較理想的3D視覺效果，國際上有很多研究機構在發展，不過由於技術難度甚高，仍屬實驗室研發階段。據瞭解，日本正發展以全像式3D顯示為核心的高擬真通訊技術，預定產品化時間為2025年。

工研院發展3D顯示技術之成果

微位相差膜

微位相差膜（Microretarder）是將相位延遲膜（Phase Retarder Film）經過加工處理，形成相位延遲0度及180度（λ/ 2）水平或垂直間隔交錯的條紋圖案（Stripe Pattern），以空間分隔對應左右眼影像，配合被動式偏振眼鏡，呈現3D的視覺效果。

以往此加工製作為化學製程，工研院的微位相差膜技術專利，是以雷射加工製程取代化學製程，利用雷射能量將180度的相位轉化成0度，此技術所採用的設備簡單，裝設容易，成本低，彈性易擴充，還兼顧環保，目前此技術已移轉給奇美電子。

微位相差膜使用上可以是外貼於顯示器螢幕，不過此方式的垂直（或水平；視條紋圖案方向而定）方向3D可視範圍較窄，改善的方法為將微位相差膜移入面板內層（In-Cell），成為面板製程的一道程序，技術上可做到。

《圖十二　微位相差膜在空間分隔的應用》

《圖十三　工研院微位相差膜雷射製程技術》

2D/3D模式切換

工研院在多視角3D顯示技術，以發展2D/3D模式可切換之斜向視差光柵式多視角3D顯示技術為重點。裸眼式多視角3D顯示技術之3D影像解析度隨影像視角數增加而等比例降低，導致文字嚴重模糊不清，另外應用上相對於2D影像內容，也必須考慮到2D顯示的相容性問題。因此2D/3D模式切換技術應用上，可經由系統就2D文字與3D影像內容及其顯示區域範圍，以全部或局部區域2D/3D模式的切換，產生最適當的呈現。

工研院所開發的2D/3D模式切換技術，其技術要點為在背光板與液晶面板間加上微位相差膜及電控高分子分散液晶（Polymer-Dispersed Liquid Crystals；PDLC）層，利用微位相差膜偏光的特性當做視差光柵，搭配電控高分子分散液晶的可控制光學散射特性，產生2D/3D模式切換的效果，可以依應用需要做到全部或局部區域2D/3D切換。由於微位相差膜與電控高分子分散液晶層會明顯造成不同模式下亮度差異，技術上必須針對此問題改善。

《圖十四　局部區域2D/3D畫面顯示》

《圖十五　全部或局部區域2D/3D模式切換技術顯示器結構》

高畫質寬視域3D顯示

多視角3D顯示雖然可以將柱狀透鏡及視差光柵以斜向方式設計來改善3D畫面的畫質，但終究整體3D的解析度仍是以視角數比例減少，在思考如何增加3D解析度，可以從增加整個螢幕的總畫素下手。

比如以2K（1920×1080）的顯示面板，在9-view的多視角3D顯示時，以斜向設計，3D解析度只有640×360，但若採用4K（3840×2160）的顯示面板，則3D解析度提高為1280×720。另外若要提高3D的視域，就必須增加視角數（View Number），不過若只單純增加視角數則又會影響到3D解析度，所以必須要有不同的作法。

為解決目前多視角3D顯示的問題，工研院研發集積式微投影（Integrated Screen；iScreen）3D顯示技術，類似現有2D電視牆的方式，以微投影機陣列組成超高畫素數顯示螢幕，採用柱狀透鏡設計多視角3D顯示。由於畫素數增加，視角數／視域及3D影像解析度均可有效提升。此方式可以做成微投影模組，易於組成大尺寸3D顯示器。這技術的困難度在各個微投影模組的誤差控制及調整，以及相臨投影影像間的銜接。

另外，為了提高多視角3D顯示的影像視角數及3D影像解析度，結合空間分隔及時間依序之時空混合式（Spatial-Temporal Multiplexing）的超多視角（Super Multi-view）3D顯示技術也是工研院前瞻技術研發的方向。

《圖十六　工研院集積式微投影3D顯示技術系統結構》

《圖十七　工研院集積式微投影3D顯示畫面》

3D內容產生技術革新

3D顯示技術已進入應用的階段，3D內容來源是後續應用是否普及的關鍵因素，未來除了3D電影家用版的發行可有效刺激3D顯示應用產品的開發，數位相機或相機手機加入3D拍照功能，或是提供2D轉3D功能，也將是未來相機的趨勢。3D拍照一般採用雙鏡頭取像，工研院針對3D相機已開發雙鏡頭立體拍攝技術，技術中包括雙鏡頭自動同步取像及X-Y空間圖像校正。

另外製作3D內容最直接的做法就是將為數眾多的2D影像轉成3D影像，這個技術的困難度甚高。基本上要產生視覺上可見的3D影像，必須要有左右眼視差的兩個影像，2D影像內容不具備各景物深度位置的資料，所以如何將2D轉3D，最關鍵技術就是如何分析及判別景物的相對深度關係，找出2D影像的正確深度圖（Depth Map）。工研院目前已開發出能將2D照片轉成3D照片、及2D影片轉成3D影片的技術，技術上可以做到自動2D轉3D，整體3D顯示效果已達國際水準。此技術可以運用在眼鏡式3D內容及裸眼式多視角3D內容的產生，目前極力推動在3D數位相框、3D PC/NB、3D影音播放機及3D數位看板的應用。

《圖十八　工研院2D轉3D技術示意圖》

結語

3D顯示已是繼高畫質數位影像，成為產業應用發展的目標，未來除了將從3D電影往家用3D影音發展，資通訊及商業廣告也將是3D顯示技術相當具潛力的應用方向。裸眼式3D顯示技術仍是3D顯示的終極目標，3D畫質及視覺人因技術問題待克服，在政府科專計畫的支持下，工研院研發團隊累積相當多技術發展成果及經驗，未來將繼續朝此方向發展，祈能展現高擬真3D影像顯示技術成果，帶動及協助台灣3D顯示及3D內容產業的發展。

（本文作者為工研院電光所立體影像系統組專案經理）

＜參考資料：

1.3D互動影像顯示產業聯盟(3DIDA) “3D互動立體影像產業技術白皮書”, 2008。

2.Insight Media “ 3D Television : An Analysis of Technologies, Suppliers and Market Prospects”, 2008。

3.Fujiwara-Rothchild, Ltd “3Dの新たな波と将来像”, 2009＞