影像不再只是平面呈現,迎接3D光場顯示技術革命!

影像不再只是平面呈現,迎接3D光場顯示技術革命!

1999年《駭客任務》電影裡,基努李維 (Keanu Reeves)與雨果威明 (Hugo Weaving)對峙時,在最驚心動魄的一刻,畫面瞬間凍結並且環繞360度,即是影史上經典的「子彈時間」。當年不但為影視圈發起代表性的革命,同時,凍結技術也蘊含了3D光場顯示的核心概念。南科AI_ROBOT自造基地於84日邀請歐尼克斯實境互動工作室(OmniXRI)創辦人Jack,分享傳統3D影像的設計原理,與近年新興3D光場技術如何克服傳統3D的暈眩問題。

光場技術崛起,成長中的立體影像

《駭客任務》中運用光場概念設計的「子彈時間」。(圖片來源:Pinterest)

《駭客任務》並不是第一部在電影工業運用「子彈時間」拍攝手法的電影,但當時團隊裡的視覺效果總監約翰•蓋特(John Gaeta)卻讓它成為經典。隨著電影《駭客任務》的知名度上升,也使凍結技術的核心概念被大家重視,搭上討論熱潮的第一線。

行事低調且具有立體顯示核心技術的「Magic Leap」,堪稱全美最神秘的AR影視公司,過去Magic Leap曾發表各種技術作品,包括:體育館裡躍海而出的大鯨魚、手掌心裡的大象與躲在辦公室桌子後方的小小機器人等等,皆是利用3D光場的技術將影像還原,讓虛擬影像活靈活現的在真實世界上演。

其實在更早之前,美國的南加州大學(University of Southern California,USC)便曾在2004年發表高速旋轉的斜置鏡面光場顯示器,讓一個男人的頭部模型可以不用穿戴3D眼鏡,直接看見從平面鏡建構的立體影像。

2015年時,南加大創意技術視覺暨圖學實驗室(University of Southern California Institute for Creative Technologies Vision & Graphics Lab)更發展出多台投影機以背投影方式呈現,使螢幕顯示的真人更具有實境效果。

另外,在「FOVI3D」於2015年被知名雷射全像術公司「Zebra Imaging Inc.」併購後,接受美國國防部高等研究計畫署(DARPA)資助,推動「即時戰場空間可視化」研究專案,讓戰地的即時狀況可以以立體的方式呈現在顯示器上。

平凡的秘密,從真實世界出發的光場技術

「卡通影片遊戲王裡的怪獸,那是我的一個夢想,希望真的能夠把它們做出來。」

Jack表示,讓人不須依靠傳統3D眼鏡的光場顯示技術,即是模仿真實世界的物體反光原理呈現。眼睛之所以能看見這個世界,是因為不同角度的光源反射,透過無限多個不同角度的光,描繪出一個實實在在的物體而呈現在你我眼前,就像你在一個暗房裡,拿著手電筒照射牆壁,牆壁反射了光,讓你得以看見它的模樣。

多道光線的反射,人眼接收後在腦中運算立體成像。(圖片來源:pixbay)

當單一光源朝物體照射時,取得的影像便是所謂的「光場」,然而真實世界的物體不會只有單一個角度被看見,因此需要更多不同方向的光照射,以不同角度的光場來建構出物體本身完整的模樣。最後當眼睛接收到這些光場時,在腦中將多個影像合成,讓一個黑暗而無光源的實體,被一層看得見的反射光層包覆,成為我們看得見、摸得到的「物體」。

2004年南加大發表的光場顯示器,即是依靠一面傾斜放置的鏡子,以中心點為軸心高速360度旋轉,並將平面影像投放在高速旋轉的鏡子上,透過鏡子轉動掃過空間中的每一個位置,與平面影像投影的視覺殘留,讓立體的影像模型呈現在眼前。到了2015年,他們更進展到能夠投放彩色影像。隨著研發技術與製程的進步,後來的攝影機與顯示器結構轉為以陣列式設計,結構上以一個個緊鄰的顯示單元,組合不同角度的光場資訊,將三維影像透過計算的呈現出來。

南加大發表的鏡面光場顯示器,透過高速旋轉與視覺殘留成像。(圖片來源:Jack簡報)

過去的立體顯示技術著重在觀看者的接收方式,以限制觀眾的視角來降低需要的光場數量,並設計穿戴載具(3D眼鏡)轉化成3D影像讓觀眾收看,但如果觀眾的視角、穿戴載具與影像發送端沒有取得最佳位置(光場無法正確成像),就會造成暈眩的感受。

然而近年發展的光場顯示技術,則從影像的來源呈現做改良,讓影像發送端本身就是一個低死角的觀看環境,不但免去觀眾必須有穿戴載具的困擾,也避免了暈眩噁心的可能。

傳統的穿戴式3D載具,可能讓觀眾產生不適。(圖片來源:pixbay)

什麼都要「更」的規格要求

「在花了6年念博士以後,告訴我說這是不可能的。」

雖然新一代的光場顯示技術可以突破載具穿戴的限制,但為了達到更高擬真的效果呈現,顯示技術的特性需求也逐漸造成了發展與推行上的阻礙,例如高速旋轉需要精準的儀器校正、純色顯示與彩色顯示的影像資訊量處理、陣列式攝影機與顯示器對於影像倍數增長的設備要求等等,都是現行光場技術急需克服的課題。

2004年南加大旋轉式光場顯示器的純色設計,即是考量到彩色顯示的影像資訊量有限而縮減製作,同時為達到轉的速度與每一幀的影像符合,設備校正與維護也是不可或缺的考量;然而,陣列式攝影機與顯示器縱使現有的最高技術規格,也同樣受到影像單位的畫質與數量兩者為反比關係的限制。因此,3D光場現階段需要更大的影像流量、更大的設備空間、更好的器材與更強的設計思維,需要所有更好的一切,來支援技術上的要求。

如何突破技術規格、取得足夠的研發經費,可能是3D光場技術的最大難題。(圖片來源:洪嘉良/攝影)

結語

新一代的3D光場顯示技術不僅是科技的重要進展,同時也能在教育、軍事、娛樂與醫療領域展現立體影像的力量,雖然現階段仍有技術限制,但在科技躍進的時代裡,突破技術限制的所需時間將大幅減少,因此如何更能掌握「Know-how」,了解其中的設計原理,將會是更重要的課題。讓影像不再只是平面顯示,而是能夠具象化的呈現出來,也將是人類對於未來夢想追求實際展現的最佳途徑。

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