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3D立体显像技术于工程视觉之应用与发展
2015年10月25日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:李万利,卢祥伟,曾耀祈
    单位:台湾世曦工程顾问股份有限公司

    摘要 ABSTRACT

    本文旨在介绍3D立体显像技术于工程可视化数字内容之导入与延伸应用,台湾世曦工程顾问股份有限公司(以下简称台湾世曦)积极推动3D立体显像技术应用于工程竞图、工程设计创意述说、工程案件成果展示及公共建设整体概念与政绩的展示与倡导。内文首先概述目前工程视觉展示方式及3D立体显像技术,续介绍台湾世曦导入3D立体显向技术于工程应用的成果,并指出营建产业在3D立体显像技术方面的可行应用发展。

    一、前言

    数位科技不断地发展 ,自从 1883 年Charles Wheatstone发明的Wheatstone立体镜(Stereoscope)至今已有一百多年的历史,从手工绘制立体图演进到现在最火红的3D立体电影,3D立体显像技术经过不断的创新与改良又衍生出许多不同的技术,但大部分都是以两眼的视差为基础概念发展出来的,随着科技的进步及类对临场体验之需求,3D立体显像技术日趋普遍与蓬勃发展,立体显像技术开启了追求逼真、自然与身历其境的立体空间感官享受。

    3D立体显像技术随着科技发展,目前已延伸到家用显示屏幕上。至于3D立体显像技术应用于工程竞图、工程施工展示目前尚未普及。

    主要关乎3D立体影像内容需要较一般2D(如图1)或是传统透视3D动画的产出要耗时费工。然科技始终来至于人性,3D立体显像技术于2010年台北世界花卉博览会中,开创了台湾工程内容以3D立体显像技术展示的先河,其拟真的效果广获参观民众的好评,更显示出3D立体显像技术未来将成为工程师、政府与民众沟通建设、交流政绩不可或缺的应用技术。


圖1 CAD 2D設計圖面

    有鉴于台北世界花卉博览会3D立体显像技术应用模式的成功,工程团队若能及时导入3D立体显像技术于营建工程的生命周期中,应可提升工程内容的拟真展示、减少沟通时间及沟通语意偏差,达到工程设计方案符合大众需求、减少工程过程变更修改的问题,相对的质与量必能明显提升。3D立体显像技术应用在3D工程数字内容已成为另一项即将引起工程内容展示重大冲击的新技术。因此,工程团队应该开始加以正视,思考如何将3D立体显像技术导入于工程生命周期的应用。明显的,在现今竞争激烈的营建工程环境中,掌握先进高效能的表达工具确可协助工程团队获取更多成功的机会。

    二、目前工程视觉展示方式

    营建工程是一推动社会进步与繁荣的工作,其过程与大众息息相关。为了让工程过程可以与大众分享了解,近年来许多重大工程开始透过3D图面的影像合成、专业高空摄影及3D动画模拟等方式让设计者、业主以及一般大众能够提前了解到工程的范围、施作的进程及完成后设施的功能及环境景观的变化等。

    1、影像合成

    摄影技术应用在营建工程中已非常普遍,大部分均利用高倍数望远镜头加上制高点拍摄(如图2)、航空载具高空摄影、卫星正摄影像等,包括目前Google Earth®(如图3)、Google Maps®等图资均能利用数字影像合成软件将工程影像经过合成处理(如图4),即成为工程展示资讯或设计辅助参考数据。


        圖2 高空攝影                 圖3 Google Earth® 衛星空照圖


圖4 3D模型套疊正射影像合成圖

    2、3D影像制作

    3D影像制作多为利用3D建模软件先制作仿真全区立体基底模型、周遭既有建物景观及主题工程量体等。3D影像的仿真制作较一般高空摄影或是2D影像合成能更精细的方式表现工程设计的重点、设计方案与配套措施的规划方案。更重要的是,未来工程完工后的虚拟实景能让开发的工程单位及将来要使用的大众事前体验建设的性能。彻底摆脱2D图面及2D影像无法完全表现正确与实感的空间关系。

    目前3D透视动画多利用3D建模软件制作3D仿真影像(如图5、6),然后输出成为影片,虽称为3D多媒体动画(如图7),但实质上仍偏属于2D透视影像的表现方式,虽然可提前为设计者、业主甚至民众带来清楚的影像,也较优于一般2D透视影像的表现方法,但距离亲临实境的3D立体显像技术的展现方式仍有一段差距。


圖5 3D影像模擬


圖6 3D套疊正射影像模擬圖              圖7 3D多媒體動畫影像

    3、3D立体显像技术

    近年来透过好莱坞3D立体电影的推波助澜,3D立体显像技术于声光视觉数字内容之导入与应用已快速产生全世界各行各业的共鸣,尤其是2010年上海世界博览会为3D立体视觉数字科技开启了一扇新的3D世界之窗,让全球的人都关注到了3D立体显像技术的应用;

    2010年台北国际花卉博览会更进一步的将3D立体显像视觉数字科技于日常生活中表现得淋漓尽致,并将3D立体显像视觉数字科技推向了另一个里程碑,身为多媒体工程师的我们更应思考,如何将3D立体显像视觉数字科技导入工程应用。

    三、3D立体显像技术之简介

    3D立体影像显示技术主要是利用人类两眼的视差,分别接收两个不同的影像,透过大脑来判断物体的距离与空间关系感,进而产生立体影像。一般而言,两眼的视差主要指两个瞳孔水平差距的6.5公分,观看物体时角度略有所偏差,所以当我们观看些微差异的错位影像,经过大脑影像修补后就能看到3D立体的影像(如图8),有关3D立体显像技术的分类说明如下。


圖8 3D立體裸視(不需帶眼鏡)顯像素材

    1、两视镜(需戴眼镜)

    (1) 偏光眼镜  

    为目前最普遍也是大家最熟悉电影院所配戴的3D立体眼镜,目前市面上也有家庭式3D立体电视是采用偏光眼镜的技术(如图9)。偏光眼镜左右眼分别使用水平及垂直的偏光滤镜,接收两台偏振光投影机同时投出之水平及垂直影像来达到立体成像的效果,观看画质良好亦无色差问题,但容易出现残影。


圖9 偏光眼鏡原理圖

    (2)红蓝(绿)眼镜  

    最为常见的就是纸板做成的红蓝(绿)眼镜(如图10),将左眼画面去除蓝(或绿)光,将右眼画面去除红色光,利用颜色过滤的原理,眼镜上不同颜色的左右眼滤镜过滤出不同颜色,左右眼就能看到有角度差异的影像,透过大脑的结合就会成为3D立体影像,此种眼镜便宜,无需特殊放映设备,甚至可以打印于平面上观看,但缺点是透过滤镜画面色彩通常只能看到单一色调的影像,是所有立体画面中画质最差的一种(如图11)。


圖10 紅藍(綠)眼鏡


圖11 3D立體兩視鏡顯像素材(紅藍眼鏡)

    (3)快门式眼镜  

    首先,将影像内容制作成奇数影像与偶数影像,再利用远红外线同步机制,让眼镜以极快的速度遮蔽左右眼,让观看者观看时左眼仅看到奇数影像,右眼仅看到偶数影像(如图12),且视听者的左右眼在几近同时的状况下看到同样时序的奇数及偶数影像来产生立体感。


圖12 快門式眼鏡原理圖

    (4)头盔式显示器  

    其主要是将两个不同讯号的影像直接投射于眼镜上分别的两个显示器供左右眼观赏(如图13),进而产生立体感,但无法同时多人一起观赏且设备昂贵。


圖13 頭盔式顯示器

    2、裸视3D(不需戴眼镜)

    (1)全像式 

    以麻省理工学院为主的技术发展,利用光学绕射原理,呈现出物体各角度的面像,进而建立出立体影像,红蓝绿三色雷射光源,经过声光调变器晶体产生光栅,再将光栅讯号经过合并后,利用垂直扫描及多面镜,透过立体光栅对光线的折射,配合人的双眼视差和会聚形成立体感,将立体影像呈现。然而影像大小受限于声光调变器晶体的大小,且多面镜的扫描速度必须与三色雷射光源在晶体内的传播速度相同才可,所以较常使用在单一物品或器具的展现。

    (2)体积式

    是德州仪器(Texas Instrument, TI)提出一种利用雷射扫描立体影像的显示器,主要是利用一个快速旋转的圆盘,配合底下投影的雷射光源,藉由投射时产生的散射效应,以扫描空间的每一个点来呈现立体影像,但靠近轴心的影像因成像速度较圆盘旋转翻面的速度慢,所以立体影像不甚清晰,使用上较不普遍。

    (3)多平面式

    日本电信电话株式会社(NTT)研发出一种重迭的液晶面板,将两个重迭的液晶面板显示相同的影像(如图14),利用物体离观赏者的远近距离不同,产生阴影及颜色上的差异,进而将前后物体影像重迭产生立体感,因为重迭的液晶面板对位困难、造价高昂,且由于是前后影像重迭产生立体感的关系,所以仅有正视画面效果较佳,其余观看角度则易出现画面模糊的重影现象,且不易显示出三维效果。


圖14 多平面式原理圖

    (4) 二维多任务式  

    显示方式为利用柱状透镜使双眼看到的是同一景物的两个不同的影像,因为柱状透镜立体光栅由许多结构参数和性能完全相同的小圆柱透镜组成,这一特性使得它对图像具有“压缩”和“隔离”作用,于是观看人的意念中就产生具有视差立体效果的深度图像,透过大脑将左右眼所见影像融合产生立体影像。二维多任务式又分为空间多任务与时间多工。空间多任务就是把屏幕画面分为左右眼影像的显示区域,再利用视差屏障(如图15)或是柱状透镜数组(如图16),来将影像投向左右眼,而达到立体成像的效果。时间多工主要为利用时间序变化遮蔽画面的视觉屏障(如图17),来达到轮流投射左右眼观看的影像以产生立体感。


圖15 空間多工-視差屏障原理圖  圖16 空間多工-柱狀透鏡原理圖   圖17 時間多工原理圖

    四、CECI导入3D立体显像技术于工程视觉应用的成果

    营建工程过程中,3D视觉工程数字内容即是运用所见即所得的原理,来帮助施工人员与设计师双向的沟通与实际了解施工完成后的样貌。3D立体显示技术应用在现今营建工程环境中,将让工程师可以完整地述说设计的故事,让大众可以对工程建设更有信心。

    3D立体显示技术除能协助设计者于设计初期就预先展现壮观宏伟的工程标的外,更能将工程设施与自然环境共生状态完整地呈现(如图18、19)。此外,对于室内空间的表现3D立体显像技术,更能让观众有亲临实境的感受。营建工程施作的目的不外乎就是要提升大众的生活质量、创造大众福址,让大众的生活更舒适、便利。


圖18 3D立體兩視鏡建物模擬展示(1)     圖19 3D立體兩視鏡建物模擬展示(2)

    然而,工程施作过程常因信息传递不全、沟通不良,甚至设计者、开发业主等都无法完全想象出完工后的样貌。虽然2D平面透视影像的展现方式已应用多时,但是,现今的建设复杂度及规模均较先前为高,需要有更适合的工程内容展现技术来支持。

    随着计算机软、硬件技术的快速发展,台湾世曦在工程计划中应用3D立体显示技术已进展到高拟真的3D立体虚拟场景表现阶段。达到的拟真呈现犹如亲临实境的感受,内容包含工程结构、人文环境、时空背景以及工程师宏远的设计梦想等,在计算机3D立体视觉科技的协助下,带给所有视听者全新的工程体认。台湾世曦在3D立体显示技术的应用,主要朝向工程标的物展示、室内景观仿真及区域环境规划发展的展现(如图20~24)。


图20                            图21


图22                 图23                  图24

    五、营建业于3D立体显像可行的应用发展

    不管是两视镜(需带眼镜)或是裸视(不需带眼镜)的显示方式,基本上3D立体显像技术都是利用人两眼的视差,分别提供两眼不同的影像而产生立体感,其所呈现的效果能将工程内容更细致也更完美忠实的展示出来(如图25)。


圖25 3D立體兩視鏡室內空間顯像模擬展示

    台湾世曦致力于推动3D立体显示技术于营建工程过程做为视觉展示的应用外,也希望能将更生动的视觉技术应用于设计、规划方案等前置作业阶段、营建工程过程中施工冲突检讨以及工程案的施工前后立体影像纪录,让3D立体视觉技术能协助工程设计更趋完善,减少施作错误所衍生的各项成本,减少重复施作的事件、避免工程延宕的发生,而且3D立体显像技术也能辅助大众更清楚了解整个工程的全貌与理念,提前化解施工后可能会衍生的疑虑与冲突。

    六、结论

    新概念与新技术需要时间的磨合与演化才能越趋实用,3D立体显示技术应朝向与工程资讯整合,延续从设计、施工到营运管理,发挥工程全生命周期的价值。近年来,台湾加入世界贸易组织签订了GATT后,全球竞争越显激烈,3D立体显示技术的应用也自然成为国际工程项目竞争的新课题与新技术。引用跨领域技术突破既有工程应用瓶颈将是本世纪工程技术升级的要务。妥善利用3D立体显示技术,让工程技术与最先进的视觉技术做一个完美的结合,打造3D工程数字内容新纪元,迎取台湾工程发展的新契机。

    参考文献

    1. King College London website Charles Wheatstone http://www.kcl.ac.uk/aboutkings/history/famouspeople/charleswheatstone.aspx

    2. Micro-Electronics新电子网站钟庆丰,「运算影像推波助澜 立体影像技术应用蓬勃发展」,2009年4月http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=0904060012

    3. 许精益、黄乙白,「3D立体显示技术之发展与研究」,光学工程,第98期,民国96年6月。

    4. 黄怡菁、黄乙白、谢汉萍,「3D立体显示技术」,科学发展,第451期,民国99年7月。

标签:3D立体
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