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1、第六章 三维立体多媒体技术,第6章 立体多媒体技术 学习要点 掌握立体视觉的基本原理 掌握立体电影的基本原理 掌握立体电视的基本原理 熟悉立体画基本设计方法,6.1 立体视觉的基本原理 6.1.1 人眼的会聚 6.1.2 人眼的视差 6.1.3 深度形成的生理因素 6.1.4 深度形成的心理因素 6.2 立体电影原理 6.2.1 基本原理 6.2.2 色分法 6.2.3 时分法 6.2.4 偏振法 6.3 立体电视原理 6.3.1 立体电视的发展 6.3.2 基本原理 6.3.3 视差照明式 6.3.4 光栅式 6.4 应用与实例,早在五千多年前的古埃及，人们就己经有了对二维成像技术的追求。考
2、古发现当时对人物形象的画法造型，全身侧面造型，唯有双肩体位保持正面。大部分都把脸表达成侧面的姿态，显示出额头、鼻子和嘴唇的轮，而眼睛和躯体的位置都是正面的，整个人物从头到脚有两次90度的转向。真人或站或坐都无法保持这种姿势，但这种奇特的造型却可使人物具有立体感和厚重感。古代尚且能以此实现立体视觉的梦想，当代的人们就更不满足于立体的场景由于平面显示器的限制，而使得人眼的立体视觉功能空余遗憾。,古埃及壁画,再如右图亦是如此,6.1 立体视觉的基本原理,立体视觉 (stereoscopic vision ) 定义： 双眼观察景物能分辨物体远近形态的感觉。 人的立体感是这样建立的：双眼同时注视某物体，
3、双眼视线交叉于一点，叫注视点，从注视点反射回到视网膜上的光点是对应的，这两点将信号转入大脑视中枢合成一个物体完整的像。不但看清了这一点，而且这一点与周围物体间的距离、深度、凸凹等等都能辨别出来，这样成的像就是立体的像，这种视觉也叫立体视觉。,6.1.1 人眼的会聚,人眼的结构特点,人 眼 结 构 功 能 图,前房是由角膜、虹膜和晶状体共同包围的空间，虹膜位于晶状体前面，中央是瞳孔，晶状体后面的后房空间为玻璃体。视网膜由视锐度极为敏锐的中央凹区、视锐度略差的黄斑区、以及只对运动图像敏感的周边区构成。脉络膜是视网膜外面包围着的一层黑色膜，作用是吸收透过视网膜的光线。 当在特定距离观察一个物体时，眼
4、睛的睫状肌会调节晶状体的屈度，尽可能使影像落在视网膜的中央凹上，以保证网膜影像的清晰。看远物时晶状体较扁平，而看近物时较凸起，人眼的这种保证被观察的对象在视网膜上清晰成像的功能称为晶状体调节功能。 人是用两只眼睛来进行观察的，当观察一个物体时，两眼的视轴会在被观察物体的某一点上相交，该点的视像会落在两只眼睛中央凹的位置上，这就是双眼会聚。,6.1.2 人眼的视差,当人眼向前平直注视时所能看到的空间范围称为视野，视野就是整个视网膜对外界的感光范围。立体显示时图像信息要满足在合理的视野范围内才能完成二维视觉。眼保持平直注视方向，此时所感受的视野称为绝对视野。在眼和头都保持不动的情况下，视野受到眼附
5、近组织的影响，此条件下的视野称为相对视野。当双眼注视于一点，双眼所能看到的全部范围称为双眼视野。,图6. 2 左右眼球的相对视野（视标：5mm） 测正常人用5毫米白色视标，（用黑箭头标记的）白视野最大，而红、绿色视野依次缩小10左右（蓝色未标），且左右眼对称的椭圆区域，其长宽比近似为169 。,双眼视野区分成三个部分，中间部分为左右眼视野的重叠区，约为120度。此区域因双眼视线均可到达，是两眼的共同视野，与三维空间辨认有密切的关系，也时称为立体视野。立体视野外侧是月牙形的单眼视野。单眼视野约为30度到40度，每侧只有一只眼的视线可以到达，不能形成立体视图对，因而不能产生立体视觉效果。 视觉的数
6、据是由点、线、轮廓、阴影和线与线之间的位置关系组成的，这些数据到达眼睛后形成视网膜图像。,单只眼睛无法体现空间视觉的例子： 从不同方向(A, B)来的光，落在视网膜的不同区域(a, b)上，因此可以加以辨别，但是由于在同一方向上的所有各点(A1,A2, A3)投射于视网膜的同一区域，则无法确定哪一点更远或哪一点近，因此视网膜点只能表明客体的方向不能表明它的距离。,单眼成像的原理,眼球的旋转运动称之为辐辏，形容人或物聚集像车辐集中于车毂一样，如左下图所示。两眼对一观察点的两视线所夹的角称为辐辏角，如右下图，其中a 1, a 2分别为点Fl和F2的辐辏角。Fl和F2两点远近不同，因此，辐辏角a 1
7、, a 2也不同，眼球旋转运动的程度也不一样，这样就产生了深度感觉。,实验证明，辐辏和调节之间有密切关系。辐辏引起调节，调节也引起辐辏。但二者不是单值函数关系。当眼球为聚焦而进行的调节固定于某一视距时，允许辐辏在一定范围内变化。反之，当眼球的辐辏固定于某一点时，也允许眼球的调节在一定范围内变化。如果两者的变化超过各自的允许范围时，就会在三维显示时引起视觉疲劳。从以上双眼立体信息的机理可知，双眼视差和辐辏是人眼立体视觉的生理因素，是以人眼的生理活动为基础的，而不像单眼立体信息中含有很多的经验因素。 产生远近感觉最主要的原因是双目的视差。由于两眼在空间有不同的位置，同一景物在左右两眼所成的像有微小
8、的差别,这就是视差。,立体显示的技术 如图所示,L和R分别代表左眼和右眼所在位置，S和T在LR的中垂线上,PQLR。双目注视S点，即通过自适应调节聚焦到S点，由于辐辏效应，左右眼中的S合成一点。点T1和T2分别代表T点在左右眼中形成的2个像，让这2个像互不干扰地进入左右眼，由于大脑已经习惯了看辐辏以后的效果， 所以大脑会自动将T1和 T2合成T点，和参考点S相 比， T点有了纵深的效果， 从而产生立体的感觉。 目前有 mediaconverter7 软件可以将二维的图像、 视频等转换成三维形式。 （详见此文件夹内）,产生立体视觉的原理,用mediaconverter7转换的立体视觉示例,左眼视
9、图（即原图） 右眼视图,在观看空间某个对象时，人的双眼就从左右两边稍有差别的角度进行观察，因此被观察的物体在人的左右眼视网膜上所形成的像有存在略微的差异，这种差异就是双眼视差。视差的产生是由于人的左右眼之间有一定的距离。 把一本书放在眼睛正前方大约25厘米的地方，使书脊朝向人脸并向下倾斜45度角，这时左眼就能看到书的封底，而右眼能看到书的封面。当左右眼视网膜产生的影像同时传向视觉中枢时，人就能感到眼前的这本书有立体感(见下图)。,当把书逐渐离开观察者时，书上的每一点相对左右眼所形成的视角就逐渐减小，所形成的视差也就逐渐变小，到达一定距离时，视差消失。物体距离眼睛太远时，就不会产生有深度感的视觉
10、了。所以，物体越近，视差越明显，人眼就是由此获得深度信息的。,书 脊 成 像 过 程,与人的正常立体视觉机制有关的只有两个:调节和单眼运动视差。依靠调节来检测距离的能力与成像系统的焦深和调节的肌肉系统有关。 焦深D由下式决定: 式(6. 1)中r为瞳孔直径，分辨率，D为屈光度。由此式可见，瞳孔直径越大，分辨率、屈光力越小，精度就越高。 由单眼视所产生的单眼运动视差主要是由观察者移动身体以使空间物体的相互位置变化，从而判断物体间的前后位置。,物体在两眼视网膜上单独成像,这两个物像是同时产生的，大脑皮层能将这两个物像融合成一个物像，这就是双眼单视。,双眼单视和立体视,将双眼视觉像融合为 一个视觉像
11、的机能称 为融合机能。,假设双眼单视所得的单一图像或双眼所得的立体视觉像是控制双眼的单一器官功能所致，可以设想一个位于双眼中间的眼，左右眼视网膜像的重合代表这一假想眼产生的单一像。这个中间的假想眼代表双眼的视觉功能，称为中央眼（如右图）。视觉空间定位，既不单纯依据左眼，也不单纯依据右眼，而是以中央眼向正前方的延伸线为依据，以判知正前方的深度方向。,中央眼,单眼调节、运动视差以及双眼单视、双眼视差、中央眼的概念描述了人眼立体视觉机制的形成，是立体显示技术研究的重要基础。 视觉中枢是通过哪些信息的处理来实现立体视觉的，这些信息即是深度线索，研究表明深度线索既包括生理因素，也包括心理因素。,6.1.
12、3 深度形成的生理因素,生理学和生理光学对立体视觉的影响因素有四种：眼睛调节、双眼视轴辐合、双眼视差、单眼移动视差。 当眼睛观看物体上的一点时，由该点发出的光线就聚焦于双眼的视网膜的中心(中央凹)，眼睛的两个中央凹在视网膜上给出了可以比较的对应位置，从而根据它来确定眼睛的会聚，而来自注视点以外各点的光线并不总能聚焦在两个视网膜上的对应位置。这个过程可以用全息圆来说明。,让双眼注视右图内的M点，设眼睛晶体的中心点为O1, O2，用两条直线连接M和O1, O2，并延伸到视网膜上的m1和m2点。可以在图中确定视网膜上的两点P1,P2，当 P1O1m1= P2O2m2时它们处于彼此对应的位置，P1，
13、P2也是空间一点在视网膜的成像。 当P点按上述的路径在P1, P2上成像时，则视网膜上P点的双眼视差为零。由几何关系，所有视差为零的P点系列就可构成一通过O1、O2点的圆，这个圆就是根据双眼视差得出的等距轨迹，称为全息圆。,全息圆,6.1.4 深度形成的心理因素,人类的立体视觉包括两部分，即生理立体视觉和心理立体视觉。 心理立体视觉主要是由线性透视、朦胧透视、遮挡、阴影、颜色、纹理梯度等因素构成。 (1)线性透视。当眺望远方时，远处景物看起来尺寸很小。 (2)烟雾(朦胧)透视。当观看远处弥漫着烟雾的风景照片时，会有一种强烈的深度感觉。,(3)遮挡。是指一个物体遮蔽了另一个物体的一部分，遮挡是判
14、断物体深度秩序的重要条件，但是不能判断事物间的距离。 两个物体的前后位置关系会提供相应的深度线索。图中的a, d提供了深度线索。而 b, c没有深度线索。,重叠,(4)阴影。阴影是由不透明或半透明物体的阻碍所引起的表面照度的变化。通常情况下认为暗的部分是由于光线被遮挡，亮的部分是光线的直接照射。,阴影,(5)颜色。同一视标由于颜色的不同，有时看起来近，有时看起来远。因此当观察同一个物体时，根据该物体色调的变化也可以获得该物体深度变化的心理暗示。 (6)纹理特征。观察具有相同纹理特征的物体表面，可以发现随着物体的深度距离增加，纹理的基本单元尺寸变小，因此纹理的变化也可以反映出物体深度的变化。 总
15、而言之，心理立体视觉主要依靠视觉记忆和经验，观察者能够从平面图像中准确地提取出物体间的相对位置和相对深度。,心理立体视觉的例子：会转动的花瓣,这些绝对不是gif动画，里面的图案其实一点都没动 。,美国震撼3D壁画展现了一个灾难场景，由于太过逼真，在马上完成时，这幅灾难画引起了消防队的注意，他们甚至停下车，想去采取营救行动,6.2 立体电影原理,数字立体电影拍摄和放映,数字立体电影拍摄过程 数字立体电影放映过程,6.2.1 基本原理,Imax 3D影院,使用Imax 3D影片时，Imax摄影机装有两个相同的镜头，镜头间距正好是人眼间距65mm，两幅图像被分别记录到两条间歇同步运行的65mm空底片
16、上。在Imax 3D影院，专用的Imax 3D立体放映机分别把左右两条影片上的图像通过一对放映镜头放映到巨幕上。Imax胶片采用独特的70mm横排以造成巨幅效果，如图6. 13所示为几种常见的电影胶片，从左到右分别是：70mm Imax胶片（仅一个镜头的胶片）、70mm胶片、35mm胶片（电影院里看的电影，几乎全部是用35mm胶片放映的）、16mm胶片。（前些年还有8mm胶片，不过已经绝迹了。）这些胶片是按照宽度来命名。除了Imax，其他胶片都是竖着放映的。,Imax 3D胶片与其他胶片的区别,立体电影生成过程 假定摄像机位于z坐标轴的(0,0,d)处,d是从摄像机到xy平面的距离,则投影到xy平面的公式为： 如果摄像机在(0, 0, 9)处,点(8, -5, -3)就会投影到(6, -3.75)处。 设想有两个摄像机, 相隔距离为C,为了做一个左摄像机的透视投影,把摄像机向左移动C的一半。为了数学计算方便,移动整个场景到右边而不是移动摄像机到左边。现在,左摄像机的投影公式为:,摄像机在
