超黑科技_光場攝影及顯示技術發展趨勢

雖然現在的小朋友可能已經不太認識「遊戲王」這個知名動漫，但當年我卻被它那個虛擬怪獸實像化的戰鬥場景深深吸引，甚至為此重新回到學校花了許多時間研究如何實現這項技術，包括多視角取像、三維重建、裸視立體顯示及360度全像成像技術。經過數年努力雖然有一些小小成果，但最終還是得向現實(物理極限及開發經費)低頭，心中總想著難道科幻電影「星際大戰」中全息(全像術)投影的莉亞公主、「鋼鐵人」中的浮空顯示及人機互動、「阿凡達」中的戰鬥沙盤在我有生之年都沒機會看到它們真正被實現了嗎？正當心灰意之際，好友傳來的一份資訊讓我眼睛一亮，原來這項超黑科技竟然在美國國防部高等研究計畫署(DARPA)的支持下(不知花了多少錢??)，已成功被FOVI3D這家公司商品化了，稱為「光場顯示器(Light Field Display, LfD)」，甚至可以稱為真正的全像顯示器(Holographic Display)(大陸稱為全息顯示器)，而FOVI3D正是知名全像術照片製作公司Zebra Imaging 2015年所收購的子公司。



FOVI3D公司推出的「光場顯示器」是一個看似桌子的顯示器，眾人不用戴著笨重的3D眼鏡，即可圍在桌邊俯視如同實體般的影像進行討論(Fig.1)，如同上帝視角，每個人都可看到屬於自己視角的影像，且不會有傳統雙眼立體顯示器(或VR頭顯)那種令人暈眩的問題，雖然目前顯示效果離這些科幻電影差了一大截，價格也貴得離譜，但現有的成果仍是非常驚人。為了讓大家能更清楚這項產品(這不是業配文)，接下來就為大家逐一介紹什麼是光場、如何取得及還原光場資訊、光場攝影機(Light Field Camera)的發展歷程，最後說明FOVI3D這項超黑科技「光場顯示器」到底是如何被實現及未來無限想像的應用方式。

Fig. 1 (a)光場顯示器架構示意圖，(b)應用於娛樂用途(球賽分析)，(c)FOVI3D DK2迷你版光場顯示器 [1]

本文篇幅有點長，為方便大家閱讀，以下分為四個部份，請選擇自己想要閱讀的部份，或者泡杯茶慢慢閱讀本文。

Part 1_何謂光場_如何取得及還原光場?
光場、全光函數介紹
像素、體像素、全像像素簡介

Part 2_光場攝影機的發展歷程 
 攝影機陣列式光場攝影機
遮罩式光場攝影機
微透鏡陣列式光場攝影機
 
Part 3_光場顯示器的原理
高速旋轉式光場顯示器
多投影機式光場顯示器
指向性背光式光場顯示器
多層顯示器式光場顯示器
透鏡陣列式光場顯示器 

Part 4_FOVI3D全像光場顯示器及應用情境
FOVI3D公司簡介
FOVI3D光場顯示器光學結構
FOVI3D全像像素渲染方式
FOVI3D多視角影像處理單元
光場顯示器應用情境


最後在此說明一下，本文並非學術論文，也非業配文，僅為個人心得整理，所以撰文過程難免諸多疏漏或因專業知識不足導致理解錯誤，相關引用文字或圖片來源已附在文章最後連結，如有任何筆誤或不清楚的地方，歡迎各位網友不吝批評指教，在此由衷感謝！

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參考文獻：

[01] FOVI3D  http://www.fovi3d.com/
[02] Breeze Systems  http://breezesys.com/MultiCamera/
[03] Standford Multi-Camera Array  http://graphics.stanford.edu/projects/array/
[04] Light Field Forum  http://lightfield-forum.com
[05] VR Wiki  https://vrwiki.wikispaces.com/Light+field+cameras
[06] USC ICT Lab Light Stage  http://vgl.ict.usc.edu/research_LS.php
[07] Image and Depth from a Conventional Camera with a Coded Aperture  https://groups.csail.mit.edu/graphics/CodedAperture/
[08] Light Field Photography with a Hand-Held Plenoptic Camera http://graphics.stanford.edu/papers/lfcamera/
[09] Lytro  https://lytro.com/
[10] USC ICT Lab VR Telepresence  http://vgl.ict.usc.edu/research_VR.php
[11] 360-Degree Autostereoscopic Display  http://www.siggraph.org/s2010/for_attendees/emerging_technologies
[12] SONY Patent EP2333753A2 - Three-dimensional image display device, method of manufacturing the same, and three-dimensional image display method  https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=EP&NR=2333753A2&KC=A2&FT=D
[13] Directional Backlight  https://www.slideshare.net/wetzste1/compressive-light-field-displays
[14] A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display  https://www.nature.com/articles/nature11972
[15] Red / Liea Hydrogen One Holographic Display Phone https://liliputing.com/2017/09/reds-upcoming-phone-holographic-screen-developed-leia-inc.html
[16] Light Space Technologies  http://lightspace3d.com
[17] MIT Media Lab Tensor Display  http://web.media.mit.edu/~gordonw/TensorDisplays/
[18] Load-balancing multi-LCD light field display  https://doi.org/10.1117/12.2078366
[19] Standford Light Field Stereoscope  http://www.computationalimaging.org/publications/the-light-field-stereoscope/
[20] Avegant  https://www.avegant.com/light-field
[21] 3D TV with Glasses http://rj3sp.blogspot.tw/2011/06/3d-tv-without-glasses.html
[22] Holografika  http://www.holografika.com
[23] Holografika Patent WO9834411(A1) https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=WO&NR=9834411A1&KC=A1&FT=D
[24] Micro Lens Array https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=2861
[25] Near-Eye Light Field Displays  http://research.nvidia.com/publication/near-eye-light-field-displays-0
[26] HoloPlayer One  https://lookingglassfactory.com/product/holoplayer-one/
[27] Magic Leap One  https://www.magicleap.com/
[28] FOVI3D SMFoLD 2017  http://www.smfold.org/wp-content/uploads/2016/11/FoVI3D-for-SMFoLD.pdf
[29] Light-field displays and extreme multiview rendering  http://informationdisplay.org/Portals/InformationDisplay/IssuePDF/06_2017.pdf
[30] 10x5 Hogel Light Field Display  https://www.youtube.com/watch?v=G_wBEgyd80E
[a] 歐尼克斯實境互動工作室整理繪製