立體液晶顯示器工作原理

前言

由于人類的眼睛已經(jīng)習(xí)慣日常生活中三次元立體影像，因此認(rèn)為包含電影在內(nèi)及其它顯示器所顯示的畫面也應(yīng)該是立體影像，然而令人訝異的是這種潛意識的需求，長久以來卻礙于科技上的束縛，快速且毫無抗拒的接受平面二次元影像。數(shù)字信息革命后除了帶動多媒體社會提早來臨之外，也再次點(diǎn)燃醫(yī)療、動畫、CAD/CAM等領(lǐng)域?qū)τ谌卧Ⅲw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觀賞立體動態(tài)影像，基本上它是根據(jù)視差障礙(parallax barrier)原理使影像交互排列先通過細(xì)長的縱列光柵后才由兩眼捕捉觀察，由于進(jìn)入左、右眼的縱向影像因視差障礙器被分開，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(dāng)作三維影像讀取(圖1)。



利用這種原理可以針對觀視者觀賞畫面時的最適當(dāng)位置，除了提供觀視者左右兩眼影像之外，由影像正面的顯示區(qū)到最適距離所函蓋的區(qū)域，對觀視者而言就變成正常的立體三次元影像。不過兩眼視線相鄰處的影像，會被左、右兩眼在無意識狀態(tài)下捕捉讀取形成所謂的逆視領(lǐng)域，換句話說使用這種三維立體影像分割器的觀視者必需固定在一定的觀視位置才能產(chǎn)生立體視覺效果(圖2)。


        
為了改善上述缺失因此開發(fā)出頭部檢測系統(tǒng)(head tracking system)，利用這種檢測系統(tǒng)可隨時偵測觀視者頭部位置，一旦產(chǎn)生逆視領(lǐng)域時顯示器會立即切換左右兩眼所讀取的影像，如此一來不但可以防止逆視問題的發(fā)生，還可以擴(kuò)大三次元立體影像的可觀視范圍.
        
然而實(shí)際使用上頭部檢測系統(tǒng)時，卻發(fā)現(xiàn)各菱形區(qū)域界面非長狹窄，造成觀視者感受到微妙的重疊影像、失真(crosstalk)與黑色縱紋(moire)等觀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(tǒng)改成由液晶所構(gòu)成的電子驅(qū)動型可動式頭部檢測系統(tǒng)(圖4)，如果觀視者的頭部移動至界面區(qū)域時，該新型頭部檢測系統(tǒng)可以立即檢測，同時移動上述三維立體影像分割器的開口部(圖5)，也就是說它是利用檢測器隨時偵測、監(jiān)控觀視者的頭部位置，并將偵測結(jié)果feed back給影像分割器，調(diào)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)觀視者可以觀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(qū)動液晶頭部檢測系統(tǒng)最大缺憾是立體觀視區(qū)域內(nèi)的觀視距離(由顯示器的畫面到觀視者之距離)依然存在，因此在應(yīng)用上受到極多的限制。為了縮短觀視距離并擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，因此開發(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(kuò)大立體觀視范圍(比以往提高三倍)

傳統(tǒng)的不需專用眼鏡的三維立體影像顯示器，同樣水平方向時小畫面的前后方向的立體可視范圍比大畫面的立體可視范圍大(圖7)，這是因?yàn)樾‘嬅娴囊暯潜容^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(xiàn)象將液晶顯示器與影像分割器，藉由電子方式分割成16等份各別掌控專屬區(qū)域(圖8)




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





(B).可有效掌控最適當(dāng)?shù)牧Ⅲw觀視區(qū)

以往的顯示器立體觀視區(qū)以外的部位極易發(fā)生波紋、失真或局部逆視等問題，造成觀視者眼睛容易疲勞、不易觀賞立體影像等問題。上述新型電子式影像分割器與液晶顯示器，可以隨時監(jiān)控觀視者的狀況，保持最適當(dāng)?shù)牧Ⅲw觀視位置。

(C).可顯示高畫質(zhì)二次元影像

只需關(guān)閉電子驅(qū)動的液晶顯示器的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(jié)構(gòu)都非常簡單，因此它具有低價化的潛力。

三維影像顯示器的應(yīng)用

目前三維影像顯示器主要是應(yīng)用在工作站(work station)、漫畫、卡通等動畫制作、醫(yī)療用途、教育用途以及航空、汽車仿真教學(xué)、電子游樂器等領(lǐng)域。例如醫(yī)療用途的立體內(nèi)視鏡、立體顯微鏡、利用導(dǎo)引系統(tǒng)之手術(shù)、利用CT、MRI之醫(yī)療診斷、視覺機(jī)能檢查、醫(yī)療教育、醫(yī)療訓(xùn)練等等。

結(jié)語

雖然新世代三次元立體顯示器解決許多缺點(diǎn)，并大幅增加立體觀視范圍，不過卻也面臨消費(fèi)者認(rèn)知度不足、價格昂貴、祇能單人使用等實(shí)用面的挑戰(zhàn)。有關(guān)單人使用的問題，目前已擬定計(jì)劃朝多方向探索、開發(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(xiàng)目之一。預(yù)期未來三次元立體影像的市場會隨著軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步不斷的擴(kuò)大，這意味著隨時掌握市場的脈動，適時提供相關(guān)技術(shù)變的更加重要。