裸眼3D視覺錯覺原理 產生立體感 3D眼鏡/3D熒幕｜STEM教室
2024-09-11 14:00 
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；而現在同學們已可以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3D裸視技術 (Autostereoscopic 3D Displays)，即是不用戴上眼鏡也能看到3D影像，又是怎樣做到的呢？
香港戶外3D熒幕廣告例子：
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（3D Glasses）
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（Polarized Glasses）
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（Liquid Crystal Shutter Glasses）
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。
香港3D熒幕應用及展覽例子：
國內戶外3D熒幕例子：
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，從下圖推想，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 2022年推出了「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（如下圖所示，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！
文：劉心、星島中學學生報《S-FILE》編輯部；圖：星島圖片庫、維基百科、Groove Jones、「香港品牌」、《翱翔天地》、網上圖片；資料來源：裸眼3D原理、柱狀透鏡「隱身」功能
最新回應