產業特輯: 3D來了
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2010-02-11 00:00
前言:
好萊塢的3D電影,風擁而至。面板廠商,備妥待戰。3D電子看板,前途看俏。未來的電玩遊戲、街頭的電子看板以及家中的客廳,皆是3D顯示欲攻進的市場。50年代與80年代,3D電影曾經像一陣風,呼嘯而過,宛如狼來了情節,這一回會是狼來了的翻版嗎?還是真的來了,請看本文的解析。
3D影像的風向球
就在2009/5,HDMI Licensing急速地宣告HDMI 1.4之來臨,除了乙太網路與4Kx2K的高解析度支援之外,最受注目地該是3D影像的支援了。
DisplayPort也不甘示弱,在Computex 2009,先行發布DisplayPort 1.2將支援4Kx2K與3D。這兩個組織似乎有點抓狂了,規格也還沒底定就先放話拼聲勢,況且新增的規格有這麼迫切嗎?舊的連接線,是否可以沿用,誰敢拍胸脯?不過,都宣言將支援3D影像,倒是一個好觀察的風向球。
大約從2005年開始,美國華德迪斯奈(Walt Disney Pictures)上映3D電影四眼天雞(Chicken little)之後,3D影片逐漸呈現增加的趨勢。2008的地心冒險(Journey to the Center of the Earth 3D)、星際大戰-複製人之戰(Star wars:the clone wars)等,均是有名的影片。2009,好萊塢知名大導演喬治盧卡斯、史提芬史匹柏、以及鐵達尼號的詹姆斯卡麥隆,都有強烈的意志要推出3D的作品。
事實上,詹姆斯卡麥隆近期推出即破票房紀錄的Avatar(阿凡達)就是3D立體科幻電影的典範。
美日的3D較勁
也許該是3D電影的熱銷,3D電影館才會急速地增加。2005時,全美也不會超過200個顯像銀幕,到了2008/9全球就超過1600個了。
2008/7,美國SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)針對家庭用途的3D顯示,成立一個工作小組,力求標準化。
2007/12,日本BS放送「BS11」頻道,針對專用電視開始世界初的3D放送。比如說,現代(Hundai IT)就針對BS11開發專用電視。也需要專用的眼鏡。到電氣街秋葉原,有「3D立體放送」的體驗角落。日商奧林帕斯子公司OVC,就與BS放送協力合作,使用「OLYMPUS POWER3D」的3D影像技術製作CM廣告。
3D Consortium於2003年日本設立。而家電廠商中反應最為積極,莫過於韓商三星,2007/2008的3D對應後投影或是電漿電視,打在前頭。又與飛利浦等公司成立3D@Home Consortium,志在家庭視聽與3D遊戲。來勢洶洶!
2008/8,日本相機工會CIPA組織,決議了3D畫像的格式。
日本總務省、NHK放送技術研究所(NHK技研)以及通信技術總合機構NICT,共同成立了URCF(Ultra-Realistic Communications Forum)超臨場感論壇。於2008/6發表了未來藍圖;預估2010,3D技術進入家庭;2015,普及於手機;2020,3D電視放送正式化。
雖然,3D電影的開發歷史已經有百年的歷史了。而且,每一次都是來去匆匆(1950年代與1980年代都曾經小小轟動),這一回又會再度上演同樣的劇情呢?其實,仔細來觀察,這一回真的局勢大不同,機器業者、影片內容製造業者還有技術的成熟,都已經非昔日可比。HDTV時代的普及,已經確保了影像的一定精細度。
甚至連英特爾在IDF 2008還公開表示,爾後的公開作品會以3D的方式來製作。IDF Fall 2008,還請夢工場(DreamWorks Animation)的執行總裁來講演站台呢!
夢工場的第一部3D電影大作「怪獸大戰外星人(Monsters vs. Aliens)」,2009年也登場了。福斯的冰河歷險記(Ice Age)也演到了第三集。
顯而易見,觀眾對新一代電影立體科技(3D Technology)的接受度很高,成為好萊塢擺脫經濟衰退陰霾的新希望。
3D影像發展的原動力
總之,我們可以嚐試從內容製作、面板廠商以及現實的技術背景等三個層面來探索為何會是3D影像向前奔跑的原動力。
就影像產業、內容製作端來說;他們在2D作品的製作上逐漸面臨閉塞感;在山寨風起,天下四處有賊的環境下,也需要尋求新的著作權保護方式;3D製作的基礎環境也齊備;加上數位化後廣播的競爭激烈化。大家希望找到新樂園。
就顯示面板廠商來說,在薄型化以及大畫面之爭,逐漸走到了界限;數位看板廣告(Digital Signage)急速成長;尋求手機的新功能;以及搭配感應器的組合新利用體驗功能的探索。
2008/8,日商Seiko Epson就針對手機應用開發了XGA畫素的2.57吋裸眼3D顯示。3D鑑賞距離450mm,3D視野角度正負12.5度。
而現實的技術背景環境下,HDTV對應的面板精細度合乎3D所求;GPU的高功能化,圖像的打底簡單許多;影像的數位化,讓2D的作品轉化為3D更為容易;最後,寬頻的普及可說是一大助力,讓龐大3D資料的傳收化為可能。
綜合各種跡象顯示,來自於好萊塢影像製作的壓力,面板廠商力求突破以及技術的開發背景之下,三個因緣的美妙聚合,在在說明此回不是狼來了,而是3D真的來了。
註:日本曾經風行一陣子的立體圖,稱為3D魔力眼,打著每天三分鐘,遠離眼鏡的口號。筆者也好奇地訓練自己看3D圖的能力。後來,發現看立體圖不希罕,利用鬥雞眼的方式,將原來的立體圖豬羊變色,凹凸互換,對老花眼才有效。於是又花了一翻功夫訓練,總算現在縮放自如。相機是基於人類的眼睛來發明的,現在人類也可以善用相機的焦點伸縮來鍛鍊眼睛的構造。個人心得是覺得值得學習與日常鍛鍊用。
一般而言,當前3D影像的投射方式,大致上有兩個種類。
1.「Real D 3D」;美商Real D推廣的方式,使用偏光眼鏡。
2「Dolby 3D Digital Cinema」;專用眼鏡。
兩種方式,皆是以德州儀器的DLP技術為基礎的數位影像技術。也都需要額外的眼鏡。
「Dolby 3D Digital Cinema」的專用眼鏡,左右鏡片各使用了50層的彩色濾光膜(Color Filter)。
從技術觀點來激盪
伴隨著3D影像與數位看板用途的開拓,3D顯示技術的開發也同步地進行。從眼鏡式、裸眼式到究極的全像 攝影術(Holography),技術開發的競爭越來越激烈。未來,這股風潮延燒到手機、電玩,3D產品會席捲整個市場也說不定。
3D顯像的技術,可以說是在這三年間附近,大幅進化。以前的3D,使用藍紅眼鏡或直線偏光眼鏡,色再限性低,左右影像混入的重疊干擾(Crosstalk),容易眼睛疲勞,長時間使用有如暈車的症狀。
以裸眼的3D影像顯示來說,過去是非常地昂貴,而且,解析度比起SDTV畫質還要低,實用化路途遙遠。然而,隨著HDTV面板的普及以及低價化,解像度超過一定的水準,先從電子看板(digital Signage)的領域開始實用化。然而,面板廠商鑒於這個大好機會,追求更自然的3D影像,因而開發更高解析度的製品。有的廠商甚至喊出,有如SF科幻電影,出現的影像與實體難以區別的立體像為開發的先進目標。
就帶眼鏡式以及裸眼式來說,有無帶專用眼鏡,大大不同。正是因為「運動視差」有無的關係。影像之所以能夠看到3D的要素有二,也就是「運動視差(motion parallax)」以及「兩眼視差」。
運動視差,是指因為觀測者本身的移動而造成不同遠近的物體有移動速度的差異,使觀測者從而判斷物體間相對遠近關係。兩眼視差,當然就是指左右兩眼所見影像的差異,也就是眼睛的角度差異,腦部能夠認知,可感受到影像的深度效果。眼鏡式有兩眼視差,少有運動視差。裸眼式3D,多數是實現運動視差。
那麼,有什麼方法讓影像具有運動視差呢?其中的一個方法,就是影像的攝影時,最少要3台攝影機。盡可能多台攝影機配置在各個方向。如此一來,看見影像的人目的位置就會移動,因應著方向映入眼簾,無須特殊專用的眼鏡,能夠看見更為自然的3D影像。裸眼式的進化,也許是3D影像普及的東風吹。現在,裸眼式的3D顯示,通常是使用6~9台攝影機。至於研究開發機關,為了追求更為自然的立體像,也有數十台到100台的案例。以NHK技研來說,模仿昆蟲的複眼,在攝影機之前配置了鏡頭陣列(Lens Array),目標是期望能夠獲得與數萬台攝影機有相同的效果,追求極致的全像攝影(Holography)。全像攝影,可以說是嚴密獲得與實體難以差別空間立體像的技術。理論上,攝影機增加無限時,不僅光的強度、波長,含有光相位的實體發光與反射,可以完全再現。這是技術者追求自然3D影像的終極目標。
礙於現實技術的制約,攝影機不能夠任意增加。這是侷限於顯示能夠表示的畫素數。意思是說,畫素數有上限,當增加攝影機台數時,影像資料量增加,而犧牲了2D方向的資訊量,亦即2D解析度滑落。因為,一般的總畫素數就等於「視點數」乗上「2D方向的有效畫素數」。「視點數」可以看成攝影機的台數。「視點數」又稱為「指向性數」。
假設視點數為100,而顯示的總畫素數沒有增加的場合,2D的解像度成為百分之一。
因此,這個要命的妥協關係乃是裸眼式顯示開發技術者,要去挑戰的一大課題。也許目前礙於這個緣故,3D技術的運用盡量採用適材適所的策略。裸眼式有光柵片(Lenticular Lens)一次元並列的「多眼式」以及二次元並列的「集成(Integral)方式」。應用於街道的電子看板,可選擇多少犧牲點2D解析度,視點數多,維持一定運動視差的「多眼式」。畢竟,這種場合,路過的隨機行人是不可能帶著專用眼鏡的。而,聆聽聆賞視聽的場合,是坐著在觀賞,運動視差較不重要,視聽者對於解析度相當敏感,故,採用專用眼鏡的策略會比較妥當。
話說採用紅藍眼鏡式,看立體照片(Anaglyph)的歷史超過150年。過去的發展簡直是活化石,始終沒有驚人的突破發展。大約直到2003年,德國Daimler Chrysler AG分出去的INFITEC GmbH,開發了「色分割方式」才算有漂亮的成績單。
它會將可見光分割成6個帶域,三個顏色分散成兩組,而製作成眼鏡的左右薄膜。課題就是成本高。因此,起初的用途也僅能局限於產業上的用途。美國杜比實驗室於2005年採用為數位電影院的影像系統之後,即使將價格降落了不少,依然還是嫌貴。若是採用回收利用500次,費用就可以攤平了。
另外一方面,Real D開發的回轉偏光。是將左回轉與右回轉的偏光鏡張貼成薄膜。偏光眼鏡的歷史也是有點古早,以前是利用直線偏光。當頭部有微斜時,偏光眼鏡往往就會無法完全濾掉另一方向的光。回轉偏光就是要去改善這個問題。而且成本低廉,使用後無須回收是其優點。但是,集中偏光銀幕的反射率低下,影像的銀幕從白色改裝成鍍鋁的Silver Screen是必要的。這是其缺點。
無論是Dolby方式還是Real D方式,多不會陷入解像度滑落的問題。左右影像以144Hz的高速切換。
裸眼式,在總畫素一定的場合,顯示的2D解像度與視點數,呈現反比的關係。目前,兩者均要滿足視聽者有所困難。伴隨著放送數位化,電視主流從SDTV進化到Full HDTV。電視的解析度約提高了四倍。視點數約6~9的3D顯示,其2D方向的解析度仍略為遜於SDTV,但是比過去進步多了。
然而,依據研究報告,若要獲得眼睛不疲勞感的運動視差,光是水平方向的視點數,就需要64~128。要依賴面板的高精細度,有點杯水車薪。NHK所開發的8Kx4K(Super Hi-Vision),畫素數量是HDTV的16倍。就是要與限界挑戰。
註:長時間帶專用眼鏡觀看3D影片,眼睛會疲勞,像暈車般的症狀,實在是一個課題。觀看3D影像眼睛之所以會疲勞的原因,大致上有底下幾個主要理由:
之一,3D影像的色彩、解析度低。
之二,為了強調3D影像的飛出效果,極端飛出失真影像連續觀看之故。
之三,調節與集中的矛盾問題。這是說人類眼睛的焦點調節機能與依據左右眼角度,腦部預測能見對象距離的機能。焦點調節,乃是腦能夠認識影像在顯示的位置。當腦看3D影像前後距離時,兩個測距機能呈現矛盾,腦部會有混亂的感受。
之四,眼鏡式的觀賞,沒有運動視差,影像不自然。
對於裸眼式的顯示,各家都具體地朝實用化條件進行檢討與設計。即以Epson開發的小型2.57吋面板來說,偌小的尺寸也有1024x768畫素500ppi的高解像度。視點的間隔距離6.5cm向來是業界共有的常識。而該公司的做法是將視點距離縮小成一半3.25cm,幾乎沒有看見2D的領域。如何讓眼睛不會疲勞,即是該公司評價的重心之一。
以技術的眼光來說,3D影像的究極目標,可以說是「即時的全像攝影放送」。這句話說的有點早,卻也是學術研究機關的開發目標。當前的視訊框(Frame)處理速度,已經每秒可以達到10個視訊框。剩餘的大課題是如何來將光學系統給小型化。
德商SeeReal Technology GmbH(成立於2002)有一個致命的武器「視點追蹤」的技術。不僅可以克服全像攝影的處理速度遲延問題,也可以降低大幅的演算量。全像技術,60年前就已經存在,然而即時全像作成卻相當不容易。原因是需要得到必要視野角度0.6μm的高解像度顯示以及超高運算能力的計算機。
使用全像攝影,全彩又具有3D的HDTV,不久之後,就會如海浪般襲過來,也說不定。
註:全像攝影術(Holography)簡單的說乃一項三度空間的攝影技術﹐不同於一般的攝影僅儲存了亮度(Intensity)的資料﹐全像攝影儲存了亮度(Intensity)及相位(Phase)的資料。
3D影像的新用途
而3D影像的應用,不僅局限於動畫,還延伸到印刷物。印刷技術也是同樣解析度提高,而利用3D技術來印刷,立體的寫真集就不會是夢。應用乃寄望於諸如百貨公司的廣告等。在秋葉原,就有據稱是世界最大等級的3D海報。
大日本印刷使用電子束EB裝置作成的全像術(Hologram),也能夠達到全彩。
世界初家用星相儀(Planetarium),也進化到3D投影的境地了。
日本先鋒於Computex 2009展示了裸眼式的3D Floating Vision(其實在日本已經展示多年),著眼點在於人與3D影像的通信互動,是空中描繪影像的人機介面。爾候,人類的手與3D影像的手互相握手寒暄,利用靜電容量型觸覺感應器,即可以實現。這種概念應用於遊戲的對手,將是非常新鮮有趣。東芝研究開發中心與先鋒熱衷於這個新領域的開發。醫療領域3D化,對於診斷的精確率有幫助。
美商EON Reality利用微軟的「TouchLight」技術,開發了用手操作3D影像的系統。阿湯哥在電影「關鍵報告」中的片段,不再是科幻的情節。
將現實世界與影像融合的表現手段,一般稱呼為AR(Augmented Reality)或是MR(Mixed Reality)。最後的追擊目標就是『超臨場感』,3D影像就如同五感資訊來彼此通訊。
綜合以上的分析,您還會相信是狼來了嗎?
[ 參考資料暨延伸閱讀:]
1. http://cct.me.ntut.edu.tw/chchting/aiahtm/optics/lecture94-1/holography.pdf。
2. http://www.3dc.gr.jp/english/index.html,3D Consortium官方網站。
3. http://www.bs11.jp/。BS11頻道節目介紹。
4. http://www.scat.or.jp/urcf/。URCF(Ultra-Realistic Communications Forum)。
5. http://bp.cocolog-nifty.com/bp/2007/12/3dreal_dvsdolby_5219.html,究極影像研究所。
6. http://www.tcat.ne.jp/~oguchi/3D%20system.html,立體影像系統的原理。
7. http://www-vizj.kgt.co.jp/contents/57/index.xml,INFITEC立體視。
8. http://www.hd.club.tw/。精研事務所。
9. http://www.pioneer-pcc.jp/corp/haruka.html,3D Floating Vision。
10. 2009年版 3Dディスプレイ市場の現状と将来展望,矢野經濟研究所。
11. http://www.sonypcl.jp/ 。
12. http://www.vuzix.com/_jp/。
13. http://www.seereal.com/。
14. http://www.eonreality.com/。
15. http://journal.mycom.co.jp/articles/2006/08/11/siggraph06/002.html。