3D技术前世今生

序

2008好莱坞推出《阿凡达》等卖座 3D 立体电影，彻底将3D引爆。全球各大家电厂商也积极布局准备推出一系列支持3D 立体显示的播放机与电视机等家电产品，NVIDIA也推出支持 3D 立体显示卡与周边，甚至连 SCE 与任天堂也陆续发表 PS3 与 NDS 后继机种的 3D 立体显示支持。

本文将针对3D 立体显示的原理与应用作一简单介绍，了解各种3D 立体显示是如何重现现实世界的立体感，以及3D 立体显示在游戏领域的实际应用供参考。

一、3D立体显示的起源

3D 立体显示的历史相当久远，早在19 世纪摄影技术刚起步时就已经出现。做法是将2 台相机并列模拟双眼，同时拍下2 张有着些微差异的相片，之后再透过平行视线法、交叉视线法或类似双筒望远镜的专属观看设备等方式让双眼分别观看2 张并列的相片。

3D立体相机

藉由工具辅助来观看 3D 立体图片

19世纪制造的双镜筒式专属观看设备

　　不过上述几种方式每次只能让一个人观赏，并不适合有多人欣赏需求的应用。

　　为了满足像是电影等多人观看需求的应用，因此后续也出现了以特制眼镜来同时提供多人观看的各种3D 立体显示方式，并根据运作模式分为被动式与主动式两大类。

二、被动式 3D 立体眼镜

　　被动式 3D 立体眼镜指的是眼镜本身是单纯的镜片+ 镜架所构成，不牵涉到任何机械式或电子式的运作。虽然此类眼镜所采用的技术有很多种，不过基本原理都是透过光学方式让两组画面分别只能穿过左右其中一眼的镜片，让左右眼观看到具备视差的影像。

2.1、红蓝滤色片式 3D

最早问世的是采用红色与蓝色（或红色与绿色）滤色片构成的3D 立体眼镜，眼镜本身的成本很低（可使用红蓝玻璃纸与纸板制作），早期的3D 立体电影多采用此方式，分别投射出经红色滤光与蓝色滤光的画面，再让观看者配戴红蓝3D 立体眼镜来观看。

红蓝滤色片方式可适用于平面印刷媒体或是一般显示设备。

以红蓝 3D 模式显示的《蝙蝠侠：小丑大逃亡》

　　由于红蓝滤色片式 3D 立体眼镜有着无法正确重现原本画面色彩的缺点，因此后续有厂商推出了改良式的「ColorCode3D」，透过琥珀色与蓝色滤色片分别呈现彩色与单色两组画面，由于大脑会自动结合双眼观看到的影像，因此可以获得彩色的立体画面。

2.2、偏光式 3D

偏光原理：播放时只要使用两组设备分别透过偏光片投射出垂直偏光与水平偏光画面，或是使用一组设备搭配可切换偏光方向的主动式偏光片交替投射出垂直偏光与水平画面，再让观看者配戴垂直偏光片与水平偏光片组合的偏光式3D 立体眼镜，就可以观看到立体画面。

应用在液晶显示器时，可使用两片重叠的液晶面板各自显示垂直与水平偏光画面，此方式的成本较高。或者是在屏幕表面配置奇偶交错排列的垂直与水平偏光片，各利用一半像素显示垂直与水平偏光画面，此方式的成本较低，不过垂直或水平解析度会减半。

2.3、主动式 3D 立体眼镜

　　主动式 3D 立体眼镜是透过眼镜本身的主动运作来达成3D 立体显示效果。

　　双显示器式 3D 立体眼镜虽然无法提供多人观看需求，不过仍就算是主动式3D 立体眼镜的一种，运作的原理非常简单，透过左右眼镜中配置的两组小型显示器来个别显示左右眼画面，来达成立体显示的效果。由于必须配置两组独立的显示器，因此成本较高，而且只能让单人观看。因此通常只应用在特殊用途，像是搭配头部侦测应用在虚拟实境。

三、头戴式显示器

　　任天堂于 1995 年推出的便携式游戏机「VirtualBoy（VB）」就是此类设计。

˙液晶式 3D 立体眼镜

　　液晶式 3D 立体眼镜是采用主动式液晶镜片所构成的3D 立体眼镜，运用液晶可借由电场来改变透光状态的原理，以每秒数十次的频率交替遮蔽左右眼视线。播放时只要交替显示左右眼画面，再透过同步讯号让液晶式3D 立体眼镜与画面同步运作，播出左眼画面时让右眼镜片变黑、播出右眼画面时让左眼镜片变黑，就可以达成立体显示的效果。

　　由于液晶式 3D 立体眼镜不需要滤色或偏光等特殊构造的播放设备就能呈现，只需要提升播放设备画面更新频率及添加同步讯号发送装置即可，因此可适用于大尺寸多人观赏需求，是目前最广泛应用于3D 电视等民生娱乐领域的方式。包括PC 上由 NVIDIA 推出的「3D Vision」以及各家电大厂最近狂推猛打的 3D 立体电视产品，都是采用此方式。

　　由于画面是采左右交替方式播放，同一时间内只有一只眼睛能看到画面，因此当开启3D 立体显示模式时，画面刷新频率会变为原本的一半。如果只搭配现有的每秒60 次更新标准规格时，画面刷新频率会降到每秒30 次，让观看者感受到明显的闪烁。因此目前各厂商所推出的方案都是将屏幕刷新频率加倍到每秒120 次，来避免闪烁的问题。

　　液晶式 3D 立体眼镜由于必须主动运作，因此构造上比被动式3D 立体眼镜复杂，虽然播放设备的成本较低，不过眼镜的成本高出不少。以目前主流的红外线同步方式来说，就必须配备额外的接收控制电路与电池。而且液晶镜片的交错遮蔽会影响画面的亮度。

　　虽然液晶式 3D 立体眼镜这一两年才随着新产品的推出开始发烧，不过在游戏领域的应用事实上已经超过20 年，最早是 SEGA 在 1986 年推出 SEGAMarkIII / Master System 用的「3D眼镜」，任天堂也在 1987 年推出 Famicom 用的「Famicom3D 系统」。

　　不过当年的液晶式 3D 立体眼镜周边在设计上迁就于既有 NTSC /PAL 规格映像管屏幕，游玩时画面的亮度低闪烁感强烈，加上当时的游戏机完全没有3D 绘图能力，只能大概呈现具备前后层次感的平面图层，因此并未获得市场青睐，支持的游戏也相当少。

四、裸眼 3D 立体

　　虽然眼镜方式能满足多人共同观看的需求，不过观看时必须配戴特殊眼镜仍旧是个相当大的障碍，各家厂商于是投入不需要配戴特殊眼镜的裸眼3D 立体显示技术研发。

　　所谓的「裸眼 3D 立体显示」，是指在不配戴任何特殊配件的状态下以裸眼视觉就能直接观看到3D 立体显示的效果。虽然基本原理仍旧是让左右眼观看不同画面产生视差来营造立体感，不过前提是不配戴眼镜，因此必须透过特殊设计的屏幕来达成目标。

　　由于裸眼 3D 立体显示在技术上仍有许多限制，因此主要用于个人化小型化的显示用途，如手机、数码相机等，较少用于多人化大型化的显示用途，如电视屏幕等。

　　裸眼 3D 立体显示根据运作模式又分为空间多功式与分时多功式两大类。

　　【空间多功式裸眼 3D 立体显示】

　　空间多功式裸眼 3D 立体显示是在同一个屏幕上，以分割显示区域（空间）同时显示左右两眼画面（多功）来达成3D 立体显示效果的方式，因此被称为「空间多功」。

˙4.1、柱状透镜式 3D 立体显示（Lenticular Lenses）

　　柱状透镜式 3D 立体显示屏幕，是在屏幕表面设置垂直排列的圆柱状凸透镜薄膜，透过透镜折射来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同影像产生视差呈现立体效果。

　　由与光线在通过凸透镜时，行进方向会折射而产生变化，因此只要将左右眼画面以纵向方式交错排列，再透过一连串紧密排列的柱状透镜，就能让左右眼看到各自的画面。

　　柱状透镜方式的历史久远，应用范围也相当广泛，包括平面印刷或是屏幕显示器都能运用此方式来呈现3D 立体画面，市面上常见的立体垫板等产品就是利用相同的原理所制作。除了呈现立体影像之外，柱状透镜还能用来呈现会随观看角度而变化的影像。

《但丁的地狱之旅》死神特别版封面就是采用柱状透镜印刷

　　由于柱状透镜可以在多个角度下产生立体效果，因此可以适用於多人观看的应用，不过在不合适的角度观看时会出现影像重叠的状况。一般的柱状透镜是固定贴附在屏幕表面，而且是以单一方向排列，因此无法切换显示模式，水平解析度会降为原本的一半，画质也会受到透镜折射影响，屏幕旋转90 度时就会无法呈现立体感。不过也有厂商研发在柱状透镜中注入液晶来改变聚焦特性的技术，可关闭透镜的折射效果切换成2D 模式。

4.2、视差屏障式 3D 立体显示（Parallax Barriers）

　　视差屏障式 3D 立体显示屏幕，是在屏幕表面设置称为「视差屏障」的纵向栅栏状光学屏障来控制光线行进方向，让左右两眼接受不同影像产生视差达成立体显示效果。

　　由于左右眼视线通过栅栏状视差屏障的角度不同，因此会看到后面屏幕的不同部分，只要将左右眼画面以纵向方式交错排列，就能让左右眼看到各自的画面产生立体感。

　　由于是采用遮蔽方式来达成立体显示效果，必须将屏幕分为左右两画面显示，因此水平解析度会降为原本的一半，而且画面亮度会下降。之外还会还有观看距离、角度与方向的限制，必须在规定的距离与角度内观看，画面转90 度时就会无法呈现立体感。

　　后续厂商研发许多技术来改善视差屏障式3D 立体显示萤幕的先天限制，像是采用可开关的液晶薄膜来充当视差屏障，就能透过液晶屏障的开关来切换2D / 3D 显示模式，液晶屏障排列方式也可以制作成水平与垂直两种方向，配合横拿与直拿的需求切换。

4.3、分时多功式裸眼3D 立体显示

　　时间多功式裸眼 3D 立体显示是在同一个屏幕上，各切割一半时间来交替显示（分时）左右两眼画面（多功）以达成3D 立体显示效果的方式，因此被称为「分时多功」。

˙指向性背光分时式 3D 立体显示

　　指向性背光分时式 3D 立体显示，是藉由指向性背光膜搭配左右配置的背光光源，以高速交替方式分别朝左右眼显示不同画面来达成立体显示效果的方式。由于指向性背光膜可以控制光线射出的方向，因此能将左右画面分别投射到观看者的左右眼中。

　　当屏幕右侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝左眼方向的光线，用来显示左眼画面。当左侧的背光光源亮起时，就会透过指向性背光膜射出朝右眼方向的光线，用来显示右眼画面。藉由左右画面高速交替显示，就能平顺的显示立体影像。

　　由于指向性背光方式采用分时多功，因此每次都能以面板的完整解析度来显示画面，不像空间多功只能以面板的一半解析度来显示画面。而且只要左右两侧的背光光源同时亮起，就能切换为2D 显示模式。不过由於左右眼画面是以指向性的方式显示，因此只有从屏幕正面观看时才能看到立体影像，而且当屏幕旋转90 度时就无法显示立体影像。

　　指向性背光分时式 3D 立体显示产品目前仍处于研发阶段。

˙深度融合式 3D 立体显示（Depth-fused3D）

深度融合式3D 立体显示是将两片液晶面板前后重叠在一起，分别在前后两片液晶面板上以不同亮度显示前景与后景的影像，藉由实体的深浅差异来呈现出景深效果。

五、VA\AR\MR

现在大家都比较熟悉的了，就不在敖述。

六、案列

6.1、视差屏障式 3D 立体显示

是目前最广泛应用于可携式装置的方式，包括SHARP 与日立都不约而同的在任天堂发表N3DS 后紧接着发表了各自的行动电话用视差屏障式3D 立体显示屏幕。其中 SHARP 的产品将液晶屏障与触控薄膜整合在一起，而且同时支持横拿与直拿的应用，比较符合N3DS 的需求，不过目前还无法确定是否会获得任天堂采用。

6.2、日立研发的深度融合式 3D 立体显示屏幕

由于深度融合式并不像其他方式是以模拟两眼视差来产生立体感，而是让画面真正具备前景与后景的差别，能让观看者两眼视线的焦点自然落在画面位置并感受到景深，因此观看时眼睛比较不容易感到疲劳。不过受限于前后景重叠时的角度偏移不能太大，因此适合观看的角度有限，加上需要重叠两片液晶面板来构成，因此体积较大成本较高。

　　深度融合式 3D 立体显示不属于多工方式，产品问世已久不过应用层面有限。

同属娱乐产业一环的游戏产业，应用3D 立体显示技术也已经有20 多年的时间，从 1986 年 SEGA 推出的「3D 眼镜」，到 1987 年任天堂推出的「Famicom3D 系统」，1995 年任天堂推出的「VirtualBoy」，2010 年中 SCE 预定透过系统软体更新支持的 PS3 3D 立体显示功能，一直到 2010 年度内任天堂预定推出的「Nintendo3DS」，可说是相当丰富。

6.3、SEGA MarkIII / Master System「3D 眼镜（3D Glasses）

SEGA 于 1986 年 6 月在北美推出以 SEGAMarkIII 架构搭配崭新外型设计的「SEGA Master System」，并于同年推出了游戏机史上首款3D 立体眼镜周边「3D 眼镜」，采用有线连接的液晶式 3D 立体眼镜，在 SEGAMarkIII 与北美版Master System 上必须透过卡片式转接装置来连接，在日本版Master System 上则是直接提供专属的连接端子。

SEGA 3D 眼镜

　　支持 SEGA 3D 眼镜的游戏共有 8 款：

˙《剑鹰 3D（BladeEagle 3-D＿》、《火线行动（Lineof Fire）》、《迷宫猎人3D（MazeHunter 3-D）》、《飞弹防空3D（MissileDefense 3-D）》、《OutRun 3-D》、《海战3D（PoseidonWars 3-D）》、《太空哈利3D（SpaceHarrier 3-D）》、《立体空战3D（Zaxxon3-D）》

6.4、任天堂 Famicom「立体眼镜（とびだせメガネ）」

1987 年 3 月，草创期的 SQUARE 以 7 社联合品牌 DOG（DiskOriginal Group）在红白机磁碟系统推出支持3D 立体显示的 3D 动作射击游戏《立体大作战（とびだせ大作戦）》，并随游戏送出附属红蓝滤色式3D 立体眼镜「立体眼镜（とびだせメガネ）」。

《立体大作战》游戏磁碟片与立体眼镜

　　游戏的构成非常类似 SEGA 的《太空哈利》，采用朝画面深处奔驰跳跃的3D 玩法，只要开启 3D 模式并戴上眼镜，就能在具备立体感的关卡中体验高速奔驰的乐趣。

　　由于采用的是低成本的红蓝滤色式3D 立体显示，因此能随游戏免费附赠眼镜无须另行添购，以3D 玩法为卖点加上支援立体显示的新奇功能，推出当时颇受玩家注目。

6.5、˙任天堂 Famicom  Famicom 3D 系统（Famicom 3D System）

　　输人不输阵的任天堂，也在 SEGA 3D 眼镜问世隔年的 1987 年 10 月，推出 Famicom 用 3D 立体眼镜「Famicom3D 系统」，同样是采用有线连接的液晶式3D 立体眼镜，透过插在 Famicom 周边扩充端子的转接装置连接，采用束带固定于头部的头戴式设计。

6.6、任天堂 Famicom 3D 系统

　　支持 Famicom3D 系统的游戏共有 7 款：

˙《动物学园（アタックアニマル学园）》、《太空立体战争（コズミックイプシロン）》、《JJ大作战（JJ）》、《立体赛车（ハイウェイスター）》、《任天堂方程式赛车2：3D 越野赛（ファミコングランプリII 3Dホットラリー）》、《太空立体战（ファルシァ◇）》、《风云少林拳黑暗魔王（风云少林拳暗黒の魔王）》

1995年 7 月，任天堂推出首款真正支持 3D 立体显示的游戏主机「VirtualBoy（VB）」，由曾主导GAME&WATCH 与GB 系列等畅销商品的任天堂开发一部部长横井军平提案研发，采用双显示器式的设计，透过左右两组显示器来营造出立体感。

6.7、Virtual Boy

Virtual Boy 采用NEC 制造的32 位元微处理器，可提供一定的3D 绘图处理能力。为了克服双显示器设计的高成本，VirtualBoy 采用独特的红色LED 阵列扫描成像，左右眼分别配置384 个水平排列的红色LED 阵列，透过每秒摆动50 次的反射镜与每次摆动间闪烁224 次的红色LED 阵列，来构成384 × 224 每秒更新50 次的 4 段红黑色阶画面。

　　虽然 VirtualBoy 提供了货真价实的3D 立体显示效果，不过由于红黑色阶的单调画面不吸引消费者目光，相较于同期的PlayStation / SEGA Saturn 来说毫不讨喜，加上游玩时旁观者完全无法一窥究竟，而且有传闻指出Virtual Boy 对儿童的视力有负面影响，因此销售状况欠佳，前后只推出19 款游戏就下台一鞠躬，是任天堂历来最短命的游戏机。

6.8、KONAMI「Solid Eye」

KONAMI 于 2005 年 12 月推出 PSP 卡片策略游戏《合金装备 ACID 2（MetalGear Acid 2）》，并随游戏附赠特制PSP 用3D 立体眼镜「Solid Eye」。该眼镜是以薄板组合而成，上面附有两个透镜孔，安装后会将PSP 的画面分隔为左右两半，当玩家从透镜孔观看画面时，就会由左右两不同画面的视差产生出立体感，体验3D 立体化的游戏乐趣。

　　游戏中提供《合金装备 3：求生战》的立体写真供玩家收集欣赏，也可以透过连线来下载自己拍摄的战场写真，之外还与写真偶像杂志「sabra」合作提供性感女星写真。

6.9、NVIDIA「3D Vision」

PC 显卡大厂 NVIDIA，于 2008 年底率先发表了供 PC 使用的 3D 立体眼镜「3D Vision」，并于 2009 年 3 月正式推出。搭配 NVIDIA 针对自家 GeForce 系列显卡所规划的解决方案与众多 PC 游戏厂商的支持，让玩家抢先体验 3D 立体显示游戏的乐趣。

NVIDIA后续配合 GeForceGTX 400 系列同步发表支持3 屏幕的「3D VisionSurround」技术，可提供3 屏幕环绕 3D 立体显示功能，不过对硬体配备的需求也更上层楼。

6.10、KONAMI《合金装备 Arcade》

3D 立体显示在大型电玩机台的应用最早可追溯到1980 年代，由于大型电玩机可针对游戏需求来订制硬件，因此包括体感框体、多萤幕显示、3D立体显示等应用可说是五花八门，近期较受瞩目的当属KONAMI 的《合金装备Arcade（MetalGear Arcade）》。

6.11、《合金装备 Arcade》

是以 2008 年 6 月推出营运的 PS3 连线动作对战游戏《合金装备 Online（MetalGear Online）》为基础所制作，承袭PS3 版基本系统，并加入3D 立体显示、5.1 声道身历声环绕音效、光线枪控制器+ 头部连动体感操作等崭新玩法。