全像素 (Hologram) 與 3D 立體影像 2

Phase-Modulation Based 3D technology

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一年前，我曾經寫過一篇關於 3D 影像科技的文章 -- 全像素 (Hologram) 與 3D 立體影像，其點閱率還算不錯 (與本小站其他文章相比 ...)，但當時小弟只是個看看網路資料或相關書籍的外行人，故文章中解釋得不夠清楚，甚至還有些小地方不甚正確。進入業界之後，有幸接觸到 3D 科技的一些細節，並且在閒暇之餘閱讀了一些研討會的文獻，故來跟大家分享一下。

上面的投影片是我在公司的書報討論會上用的投影片，報告的是一種新式 3D 顯示技術 -- Phase Modulation based 3D (Electro-Holography) [1]，故在本篇文章中，那些使用在現今 3D 顯示裝置裡的 shutter、lenticular lens 等玩意就不會被多加著墨，僅在大方向上拿來與其他新技術做比較。如果只是想知道現代消費型 3D 顯示器的原理，就不用繼續看下去了，因為可能會浪費你的時間；如果不是，那就開始吧～

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何謂 3D 顯示技術？簡單的說就是模擬人眼視物。那麼，人是如何能感受得到 "立體感" 的呢？大致上可以分為兩個部份，也就是進入眼簾之光的能量強弱 (intensity) 與時間先後 (phase，相位)，藉由這些資訊，經過大腦的解釋 (我稱之為 "compile" 編譯) 之後，人對於周圍的世界就有了 "立體感" 的認知 (也就是說人所認知的立體感並不是與生俱來的)。

3D 顯示技術發展已久，其中不乏一些實驗階段的新奇想法，但是它們都有一個特點 -- 利用平面顯示器 (2D) 去欺騙大腦，特別是 "捏造" 出時間差 (相位) 的資訊，使大腦認為那是立體 (3D) 的影像。依我個人的看法，目前比較可行的 3D 技術有三種：

1. 雙眼視差型：也就是目前消費性 3D 影像裝置所使用的技術，其中又可細分成 "需要 / 不需要戴 3D 眼鏡" 兩種。所謂的 3D 眼鏡不外乎快門 (shutter) 眼鏡及偏光 (polarizer) 眼鏡，所作之事就是讓進入左右眼的影像不同，造成一定程度的視差，而顯示器及 3D 眼鏡也要能相互配合，不能混搭。至於不需要戴眼鏡的類型又稱為裸眼 3D，實作方法有很多種我先不在這裡提，總而言之就是將不同的影像 "有方向性" 地投射到觀看者的左 / 右眼視區 (如下圖的例子)，著名的 3DS 就是運用裸眼 3D 的技術。

1. 臉部 (頭部) 追蹤型：這種類型的 3D 技術我在之前的文章裡提過好幾次，最初的概念我是在 Johnny Li 的演講中聽到的 (影片如下)，之後再加上臉部辨識及追蹤的功能，一個新式的裸眼 3D 技術就儼然而生。基本的原理相當簡單，就是將映入視網膜上的影像忠實地呈現，當觀看的位置改變時，影像也要跟著改變，藉此營造出 3D 的效果。這種技術雖然沒有提供 "相位" 差的資訊，但利用全面性的 "強度" 資訊來彌補，效果比起雙眼視差型還要好得多。目前尚未有任何顯示器主打這種 3D 技術 (這當然是有原因的，請看後面的分析比較)，如果想嘗鮮，可以下載 i3D 回來玩玩看 (前提是你的 iOS device 要有前置攝影鏡頭)，懶得下載的人可以看這兩位日本宅宅的 demo 影片 ....

1. Phase Modulation (相位調變)：這就是此 paper 所使用的方法，雖然它不是原創，但是它在 "廣視角" 的缺點上下了一番功夫，接下來我將仔細地介紹這項技術。

其實所謂的 "相位調變" 技術，就是 "Electro-Holography" (電子全像素)，簡單的說就是利用各種方法，製造出數位式的全像素底片，以本例來說，它所採用的是 Spatial Light Modulator (SLM)。SLM 的結構很像一般的液晶面板，但是它沒有彩色濾光片 (Color Filter)，而且畫素非常小 (8*8 um) [2]，主要的功用是利用液晶的偏轉，再配上偏光版 (Polarizer) 的設置，以控制進出光的相位差 (其實它也可以控制強度，但在此先不提)，進而使輸出的影像產生立體感。

不過，若以上述的方法來使用 SLM，產生的 3D 效果非常有限，視角也非常小 (因為很難提供給不同位置的觀看者不同的相位組合)，故在本篇 paper 中，它將 SLM 當作是動態的全像素底片，以超小超精細的解析度，模擬成全像素底片上的干涉條紋 (全像素底片及影像還原後的示範圖如下)，最後再利用背景光 (一般而言是雷射光) 通過 SLM，產生光的繞射現象，如此一來就可以重建 "含有相位資訊" 的全像素影像。

左上角的圖片為全像素的底片 ... 鬼才看得出來裡面是啥東西，而其他三個圖片則是以背景參考光進行影像重建之後的結果。

在這篇 paper 中，作者以兩種形式實作出電子全像素的影像，其中一種是純光學模擬，另一種是半模擬半實驗 (影像源是由電腦計算出來的，輸出的影像是以紅光雷射重建而成)。實驗結果的照片倒不是重點，反正就是一堆醜醜的茶壺照，但我們的確可以看出這種方法的可行性，以及一些重大的缺點。

最後，我來將三種 3D 技術做個比較：

1. 雙眼視差型：
   優點：1. 可輸出靜態及動態的影像；2. 多媒體檔案佔用的儲存空間最小 (使用特別的 codec 壓縮，可以壓到一般 2D影片的 1.5 倍左右)；3. 目前唯一可以商業化的 3D 技術。
   缺點：1. 輸出的 3D 影像很假；2. 戴 3D 眼鏡很蠢；3. 視角很小 (裸眼 3D)；4. 螢幕解析度可能會降低至一半以下 (某些類型有此缺點)；5. 眼睛容易疲勞 (因為這種 3D 給予大腦非常非常多的矛盾點)。
2. 臉部追蹤型：
   優點：1. 真正的 3D 影像；2. 解析度不會降低；3. 眼睛不會因觀看 3D 影像而感到疲勞 (以現今的顯示技術來說，其實每一種看久了都會累)。
   缺點：1. 每個視角都要有不同的影像，故檔案的體積誇張地大，而且檔案的來源也是問題，光是一張靜態照片就可以讓攝影師拍到累死 .... 因此這個技術目前只能使用在靜態圖片上，或許未來的 3D 遊戲有可能採用？2. 由於現今的顯示器很難一次顯示兩種以上不同的影像 (嚴格說起來，若分割解析度還是可以啦)， 何況還要投射到任意方向 .... 因此這個技術目前只適用於單一使用者，且需搭配具廣視角能力的顯示器；3. 臉部辨識的演算法要好，如果你實際玩過 i3D，應該知道它常常會抓不到你的臉 .... 然後 3D 影像就停在那裡了 ....
3. 相位調變 (電子全像素)：
   優點：1. 真正的 3D 影像；2. 靜態及動態影像皆可呈現 (反正就改變 SLM 上的條紋而已)；3. 眼睛不會因觀看 3D 影像而疲勞。
   缺點：1. 解析度超低，因為解析度有很大一部份拿去儲存相位的資訊，而且光在繞射時所附帶的光學雜訊也吃掉了一些解析度；2. 視角超小，由於全像素必須藉由背景光通過底片上的干涉條紋以重建影像，但 SLM 的畫素大小遠大於可見光的波長，故繞射角趨近於零，使得全像素的 3D 表現消失殆盡，而這也是本篇 paper 在實驗架設中放置 "同步旋轉鏡" 的原因，為的就是增加視角；3. 因為全像素嚴格地要求正確的相位資訊，故背景光的相位必須非常純，一般光源均無法滿足，只有雷射光能夠勝任，而雷射光大多為單色光 (其實多色的雷射光對於全像素的繞射效應一點幫助也沒有)，使得呈現出來的結果均為很難看的單色影像 [3]。

Well, 不管如何，3D 影像的呈現勢必為未來的趨勢，縱使目前的 3D 技術都還不夠成熟，但還是希望未來能看到 "真正的"、"清晰漂亮的"、"不造成眼睛負擔的"、"人人都能負擔得起的" 的 3D 影像產品。老話一句，stay tuned～


附註
1. 這篇文章的內容一定會比我的現場報告來得豐富，除了我補充了一些東西之外，當時很緊張講得語無倫次，甚至還有些重點忘記強調 .... (汗) 不過，依本公司的慣例 .... 其實也沒啥人在聽 ..........
2. 一般來說，一個主動式液晶顯示器的畫素最小也要 60*60 um 以上 (這已經是視網膜解析度等級的了)，故 SLM 的驅動方式應該是被動式 (passive) 的 ...... 好，這不是重點  XD
3. 沒有錯，彩色全像素的確存在，大多以反射式的板子或貼紙呈現，其運作原理跟本文提到的 "穿透式全像素" 完全不同，有興趣的網友可以去查查看。