全像素 (Hologram) 與 3D 立體影像

隨著 Avatar 電影的上映，被遺忘許久的 3D 影像議題又被炒熱了起來，不管是電影還是遊戲，只要跟影像有關的東西都要拿來跟 3D 扯上關係，像前一陣子台北市科教館就舉辦了兩個很有趣的展覽 -- 蒙娜麗莎會說話、"奇幻。不思議" 日本 3D 幻視藝術畫展，大玩各種 2D、3D 影像的應用，這篇就來談談簡單的 3D 影像原理。

3D (Three dimensional) 立體影像的產生有很多種方法，它們跟 2D 平面影像的差異就是多給大腦一個 "遠近感" 的資訊，之後再讓大腦來解釋，建構出立體的虛擬影像。這種方法很早就運用在影像學上，稱為全像素 (Hologram)，其照片的拍攝方法不同於一般的攝影，如下圖 :

來源 : 維基百科

如果看不懂也沒有關係 (事實上我也沒時間看維基百科的那篇文章)，簡單的說，就是拍攝時，放射 (收取) 的光 (資訊) 分為兩部分，其中一部分是來自於欲拍攝物體傳回來的光 (資訊)；而另一部分是參考物傳回來的光，裡面帶有欲拍攝物體與參考物之間距離遠近的資訊。這樣的方法其實就是在模擬人眼視物，如下圖 :

簡單解釋一下，人的眼睛通常只有一隻在看東西 (sight beam)，另一隻的功用則是提供遠近的資訊 (reference beam)，如此建構出雙眼所及的三度空間世界。不過兩者的工作會不時地互換，而且各自取得的資訊並無不同，端看大腦如何解釋，故可以理解為何獨目人士無法判斷東西的遠近，因為缺少 reference beam 的關係 [1]。

不過呢 ..... 全像素攝影普及嗎 ? 我想答案很清楚，很多人聽都沒有聽過。原因倒不是攝影裝置的技術問題，而是 ..... 它拍攝出來的玩意根本不是一張照片 !! 試問，你要怎麼拿一個有遠近感的東西在手上 ? 拿模型嗎 ? 要觀看全像素的照片必須有一個參考幕，相當麻煩，乾脆在電腦上以立體影像來呈現還比較快 [2]，況且全像素照片的細膩程度也遠不如一般的照片。

那麼，該如何解決這個問題呢 ? 如何能在一個平面的畫面裡，看出物體的遠近 ? 目前的攝影技術都是利用攝影師本身的美感，以及人類共有的常識及經驗，去呈現三度空間的事物，坦白說若抓一個外星人來看我們拍的照片，他根本看不出物體間的相對關係，因為他的大腦中沒有那些 "自以為理所當然" 的經驗幫助他判斷。而我所謂的 "自以為理所當然" 並沒有貶意，而是人類常常受大腦中的既有印象，以及 (不由自主地) 與周圍環境的比較作用所影響，反而看不出眼前事物的真實，許多有趣的錯覺遊戲都是從這些盲點出發，目的不過是在欺騙大腦，有興趣可以看這個影片或這篇網誌。

所以解決的方法是 ? 其實概念很簡單，就是讓左右眼看到不一樣的東西。可是如何做呢 ? 當人在看平面的影像時，雙眼會同時看到一樣的東西，所以一般的做法是使用立體眼鏡。這種眼鏡在十幾年前就出現在遊樂園中，用來觀看僅僅數分鐘的迷你電影 (主題大多是星際冒險之類的 .....)，也就是所謂的紅藍濾光片眼鏡 (如本文的開頭圖片)，示範圖片如下 :

看起來邊緣很模糊對吧 ? 因為左右眼的要看的畫面有些許差距，但又同時顯示在螢幕上，故若不用立體眼鏡去觀看是很傷眼的。最近由於 3D 影像在市場上的活躍，也出現了另外幾款不同原理的立體眼鏡，例如將左右眼安裝不同的偏極片 (polarizer)，各收取不同極化方向 (polarization) 的光 (如下圖 A)；或是將螢幕以兩倍 fps (frames per second) 的速度分別播放影像給左右眼觀看，再以電動快門控制立體眼鏡去同步切換左右眼所看的東西 (如下圖 B)。(20110409 Update : 修正快門 3D 眼鏡的原理介紹)

由上述可知，如要觀看 3D 立體影像，除了要配戴特殊眼鏡，還要有軟硬體的支援，不然根本無法同時播放出兩倍的資訊供雙眼觀看，也因此一些 PC 或顯示器大廠才能以此作為噱頭，推銷新一代的產品。

不過，這真的是最好的解法嗎 ? 個人覺得這種方法一點都不人性化，老是要戴眼鏡像什麼話阿 ? 那有近視的人怎麼辦 ? 戴兩副眼鏡 ? 更糟的是有雙眼視差的人該怎麼辦 ? 這種欺騙大腦的虛擬 3D 影像本來就會讓大腦比較累，眼壓也容易上升，對於有視差的人來說更是痛苦萬分，因為雙眼的工作量一樣大，當兩隻眼睛看到的情報無法疊起來變成立體影像的時候，大腦就要更費力地去解釋 (或者說 ..... 編譯，電腦用語  :P) 該不健全的影像，如此一來大腦的負擔就大增，故有些人看完 3D 電影後會頭暈是很正常的。

所以，目前有些廠商積極地開發 "裸眼 3D" 的技術，基本上中心思想都相同，都是在模仿人眼視物，但是不須配戴眼鏡。這種構想並不容易實現，其中一個例子是 Youtube 的 3D 影片，"號稱" 不需要戴眼鏡 :

看得出立體感嗎 ? 我是沒辦法啦 ..... 可能需要特殊的觀看方法 ? 那這樣還有意義嗎 ? 戴眼鏡可能還比較容易，可見這種方法並非最佳解。至於從未出聲的 Apple 並不是在此領域毫無涉獵，目前也申請了相關專利，而且概念影片也出現了 (雖然不是官方發佈的) :

蠻有趣的，不是嗎 ? 重視使用者體驗的 Apple 當然不能容許使用者用它們的產品還要戴眼鏡 !! 推出的構想雖然不如一般 3D 影像主動 (物體會 "浮" 出來)，但是藉由 "深度" 去表達 3D 也不失為一個聰明的取代方案。但是這種做法的技術門檻非常高，因為它必須要模仿現實世界，幾乎每一個微小的區域 (甚至是畫素 pixel) 都要能依方向而給出不同的資訊，即使液晶面板的顯色本身就有觀看視角 (方向性) 的特性，但如何精準控制還是相當困難，必須要軟硬體的互相配合才有可能達成。

就我看來，目前的 3D 立體技術都還不夠成熟，需要戴眼鏡的那些玩意遲早都會被淘汰，因為實在太麻煩又太累，又沒有足夠的誘因及實質上的價值，何以推廣到一般家庭 ? 我無法預測裸眼 3D 的未來會如何，目前也想不到有哪些應用，總之老話一句 : Stay tuned !!

20120513 Update：延伸閱讀 -- 全像素 (Hologram) 與 3D 立體影像 2


附註
1. 話雖這麼說，不過人的大腦是很複雜的，感覺也不只視覺一種，有些經過訓練的人可以用其他四感 (觸覺等) 或第六感 (也就是直覺) 來判斷東西的遠近，那就不在這篇文章探討的範圍之內了。
2. 當然，這篇文章裡的 "立體" 字眼都被特殊化了，這句話所指的 "立體" 並不是這篇文章所指的 3D 立體，講起來有點饒口，不過我想大家應該能瞭解我的意思。