裸眼3D视觉错觉原理 产生立体感 3D眼镜/3D荧幕｜STEM教室
2024-09-11 14:00 
回想当初疫情严重时，电影院关闭，大家只能通过手机或电脑屏幕观看影片；而现在同学们已可以约三五知己一同去戏院观赏手机或电脑看不到的3D电影。在欣赏这些大作时，你们有没有想到，为何在家中即使戴了3D眼镜，面对着一般的电视或电脑亦不能看到3D电影呢？另外，近年常说的3D裸视技术 (Autostereoscopic 3D Displays)，即是不用戴上眼镜也能看到3D影像，又是怎样做到的呢？
香港户外3D荧幕广告例子：
人脑如何塑造立体感？
首先，人们是如何分辨到2D和3D影像呢？如果人类的眼睛各自运作的话，每边只能接收到一个2D平面（试试闭上一只眼，虽然人类凭单眼仍能通过大脑产生一定程度的视觉立体感，但所看到的东西一定不及一双眼看起来立体）。然而，由于双眼有一定距离（平均距离约6.5cm），因此望向同一物件时，观看角度和距离是不同的，这亦导致两只眼睛看到的画面是稍有不同，通过大脑的整合，就能产生立体感。
3D眼镜的演进
大家应该知道，一般屏幕只能播出平面画面（即2D画面），那怎样能在呈现物件时「增加」一个维度呢？其实是不能的，只有在播放电影时利用一些光学原理， 配合3D眼镜，令双眼接收到不同的讯息，而这种不同会「欺骗」大脑以为是3D影像。以下是几种常用的「欺骗」手法：
1. 红蓝眼镜（3D Glasses）
红蓝眼镜，顾名思义是利用红、蓝两种颜色的镜片造成的3D眼镜。如果单看萤幕画面，会看到红色和蓝色的影像近乎完全交叠，但戴上红蓝眼镜后，每边镜片都只会看到其中一种颜色，而由于两种颜色的画面有些微差别，导致每边眼睛看到的画面有偏差，而这种偏差经过大脑会形成视觉立体感。
要留意的是，红色镜片之所以是红色，是由于红色光遇到镜片会遭到反射并进入我们的眼睛，从而让我们 认为该块镜片呈红色，因此当观看红蓝影像时，红色光并不能穿透红色镜片，反而是蓝光会穿过，反之亦然。
2. 偏振光眼镜（Polarized Glasses）
我们可以理解光以波的形式向前进，但其波动的角度在一个普通的显示器上通常是任意的。因此，可以利用偏光片选取我们想要的偏振角度的光，过滤掉其他角度的波动，而这亦是偏振光眼镜的原理。
就如事先把红蓝影像投射在荧幕上，我们把垂直偏振和水平偏振的光綫投映出来（我们肉眼并不能分辨出来），然后戴上偏振光眼镜——一块镜片过滤垂直偏振光，另一块过滤水平偏振光，如此一来，双眼各自看到的影像又会有些微差别，通过视差形成立体感。由于这方法不会如红蓝眼镜般受颜色所限制，因此亦是电影院常用的3D呈现方式。当然，由于光綫进入镜片时会受到过滤，强度亦会有所下降。
3. 液晶快门眼镜（Liquid Crystal Shutter Glasses）
有别于红蓝眼镜和偏振光眼镜都是「被动」地接收信号，液晶快门眼镜是属 于「主动式」，通过「主动」控制快门开关决定使用者所看到的东西。
首先，显示器会以高频率地交替显示左眼和右眼的画面（约120 Hz，Hz是频率单位，即一秒内发生的次数），高频率的目的是为了不会令屏幕出现「闪烁」的情况。
然后，液晶快门眼镜会依同样频率开关左右镜片的快门，一边看到荧幕时，另一边会出现「黑幕」。由于高频转换的关系，我们的脑会反应不过来，造成 「视觉暂留」，我们不会看到全黑的画面，而通过两眼接收到的信号有差别，构成3D感觉。由于要主动控制快门，这款眼镜需要电池运作并定时充电，造价亦较昂贵。
裸眼3D的原理
3D眼镜确实能让我们「看到」立体物件，但亦有一定缺点。除了偏振光眼镜会减弱光綫强度外，一些人戴得久也会出现眼睛疲累甚至晕眩的感觉，而对于本身已佩戴眼镜的人来说，再加上一副3D眼镜或会比较麻烦。因此，一些人开始研究怎样毋须佩戴特定眼镜亦能「看到」3D影像，以下会介绍几项我们称为「裸眼」3D（Autostereoscopic 3D）的原理。
1. 户外3D荧幕
这种立体效果是由大型荧幕配合特制影片而成，并不如上述3D眼镜般会造成视觉差，只是通过画面的阴影令我们产生对深度的错觉，因此，如果我们站在不同角度观看，就未必体验到如此强烈的立体感。
香港3D荧幕应用及展览例子：
国内户外3D荧幕例子：
2. 光栏栅式3D荧幕
由大型荧幕缩至小型装置的画面，要做到3D效果就不能单靠阴影，而要真 的如3D眼镜般做到双眼视觉差。但是否直接把3D眼镜技术搬至3D荧幕上呢？不是，因为此时眼睛已不再受限于镜片所接收到的影像，所以我们需要其他方法，而光栏栅法是较常见的做法。
首先，荧幕上的像素（pixels）会分成专为左眼和右眼所看到的影像，然后在像素前加上一层视差栅栏（parallax barrier），这其实是一系列明暗相间的条纹，由液晶层和偏振膜制造出来。有了这个栅栏，「左眼像素」就只能进入左眼而右眼不会看到，反之亦然，再因循此视觉差制造立体效果。任天堂推出的3DS正是运用了此技术。
可是，从下图推想，其实只要使用者的观看角度有所改变，有些本来该看到的像素就会被栅栏遮挡，从而影响视觉接收。
3. 柱状透镜式3D荧幕
简单来说，此设计就是纯粹把光栏栅改成柱状透镜，左右眼像素则维持不变。由于透镜与空气的折射率不同，因此光走进透镜时会改变方向，而通过精密计算，我们不但可以令特定像素的光綫指向某一边眼睛，即使改变了一点观看角度，大致上还能够保持这种立体感。
柱状透镜与普通透镜的不同，在于普通透镜会左右及上下反转影像，而柱状透镜只会改变光綫左右角度，这样，我们就能正面望着荧幕而不用调整观看角度。
裸眼3D＋电子控制
虽然柱状透镜能增加我们的观看角度，但如果我们在旁观看时能如立体全像投影般，全无死角地看到物件的侧面，那么立体效果会更佳。 Sony 2022年推出了「空间实境」（Spatial Reality）装置，名为「ELF-SR1」，就以电子控制配合柱状透镜做到类似立体全像投影的效果。
- 首先，用上4K解析度荧幕，以克服柱状透镜带来的低解析度问题。
- 接着，此装置利用脸部识别技术追踪我们的观看角度，再因而调整像素排列，形成能够平滑移动的立体画面。
当然，由于要进行脸部追踪，ELF-SR1只适用于单人使用，并不像 Looking Glass公司等推出的全像显示器——在荧幕表面加上一块玻璃面板，通过立体玻璃折射，可同时支援45个观看角度，适合多人同时观看。
补充资料
「隐身」功能揭秘
裸眼3D除了应用在公众大型布景板及游戏荧幕外，其实还可以有其他用途，例如博物馆以立体全像投影展品、科学家展示复杂的分子结构模型作更仔细观察等。
前文提及柱状透镜，其实这种透镜还能做到「隐身」功能呢！
我们可以联想放大镜，大家有否试过，当放大镜距离目标「足够远」时，影像反而会变小呢？这是由于光綫折射会受物件与镜之间的距离所影响，而在「足够远」时，我们亦看到目标物件左右和上下倒转。
然而，柱状透镜只有一个维度是曲面，因此只会在有曲面的维度产生倒转及缩小的效果。如把一系列柱状透镜排列在一起，并将物件垂直于折射方向放在透镜后面（如下图所示，红色垂直柱子放在把水平方向缩小的透镜阵列之后），就会造成红柱子「消失了」的效果。大家在家中也能试试看呢！
文：刘心、星岛中学学生报《S-FILE》编辑部；图：星岛图片库、维基百科、Groove Jones、「香港品牌」、《翱翔天地》、网上图片；资料来源：裸眼3D原理、柱状透镜「隐身」功能
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