【文章內(nèi)容簡介】 前方以外，看任何一樣?xùn)|西，兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小，但經(jīng)視網(wǎng)膜傳到大腦里，大腦就用這微小的差距，產(chǎn)生遠(yuǎn)近的深度，從而產(chǎn)生立體感。一只眼睛雖然能看到物體，但對物體遠(yuǎn)近的距離卻不易分辨。根據(jù)這一原理，如果把同一景像，用兩只眼睛視角的差距制造出兩個(gè)影像，然后讓兩只眼睛一邊一個(gè)，各看到自己一邊的影像，透過視網(wǎng)膜就可以使大腦產(chǎn)生景深的立體感。 簡而言之，兩眼的視差是產(chǎn)生立體視覺的 主要因素。人的大腦產(chǎn)生立體視覺主要是通過兩只眼睛來實(shí)現(xiàn)的，如下圖 21 所示，人的雙眼間距大約為 60mm，幾乎處于平行的位置。觀察外界景物時(shí)，在每只眼睛的視網(wǎng)膜上都形成一個(gè)獨(dú)立的圖像，這兩幅圖像大部分重疊，而只存在一些微小的差別，這種差別即視差。具有視差的兩幅圖像所引起的神經(jīng)沖動傳送到大腦的視覺皮層，由皮層的融合作用形成一個(gè)具有立體的視覺影像。 圖 21 視差的產(chǎn)生 雙目立體視覺模型如 下 圖 22 所示 ，用 來表征人眼的視差立體形成過程。 圖 22 雙目立體視覺模型 由于人的雙眼在觀看物體時(shí)絕大多數(shù)時(shí)間總是處于水平位置，因此在成像模型中以單一的點(diǎn)來表征物體，并且假定成像的高度在左右眼中是一樣的。圖 22中的 OXYZ 是立體空間的坐標(biāo)系， Lo 和 Ro 分別 是左眼和右眼的位置， 1 11OXY 和2 2 2OXY 分別是左右眼的像平面坐標(biāo)系 .設(shè) d 為 人 的 雙 眼 瞳 距 ， 則/2LROO OO d??， 12LRO O O O f??（ f 為瞳孔的成像焦距）。空間點(diǎn) P(X， Y，Z)關(guān)于 LO 在 1 11OXY 投影為 1 1 1()PXY ，關(guān)于 Ro 在 2 2 2OXY 中的投影為 2 2 2()P XY ，則有： 1 2 1 2222x x y y fddy y zxx? ? ? ??? （ 21） 可以計(jì)算出坐標(biāo)： 1 ()2fdxxz?? 2 ()2fdxxz?? （ 22） 12fy y yz?? 圖像的 視差： 12 ( ) ( )22f d f d fds x x x xz z z? ? ? ? ? ? ? （ 23） 視角： 2 2 2 222a r c ta n a r c ta nddxxy z y z??????? （ 24） 由（ 23）式可知，物體在雙眼中成相視差 S 與物體到眼睛垂直距離 Z 成反比物體離眼睛越遠(yuǎn)，視差 S越小，視角也越小。當(dāng)物體離眼睛足夠遠(yuǎn)時(shí)，視差和視角變得非常微小，即是零視差的情況，這時(shí)眼睛感覺不到立體感。 光 學(xué)全息 上面講到了 3D 電影的最基本原理偏光原理，此原理是應(yīng)用最為廣泛、比較容易實(shí)現(xiàn)的。 其實(shí) 3D 電影還可以通過另外一種光學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，那就是光學(xué)全息技術(shù)。我們通常在電影院看到的 3D 電影都是根據(jù)偏光原理制作的，雖然立體效果很好，但觀眾必須佩帶特制的偏光眼鏡。而根據(jù)光學(xué)全息技術(shù)制作的 3D 電影，裸眼就能實(shí)現(xiàn)，而且還能對拍攝的景物進(jìn)行 360 度的觀看。 既方便、直觀，攜帶信息量又大。 簡介 全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像技術(shù) ?！叭ⅰ眮碜?希臘字“ holos”，意即完全的信息 —— 不僅包括光 的振幅信息，還包括位相信息。利用干涉原理，將物光波前以干涉條紋的形式記錄下來，由于物光波前的振幅和位相即全部信息都儲存在記錄介質(zhì)中，故被稱為“全息圖”。光波照明全息圖，由于衍射效應(yīng)能再現(xiàn)出原始物光波，該光波將產(chǎn)生包含物體全部信息的三維像。這個(gè)波前記錄和再現(xiàn)的過程就是全息技術(shù)。 [7] （ 1）波前記錄 記錄介質(zhì)只對光強(qiáng)有響應(yīng)，不能記錄波前攜帶的位相信息，只有使位相的空間調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度的空間調(diào)制才可能實(shí)現(xiàn)完整信息的波前記錄 —— 干涉法可實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。 圖 23 波前記錄 如圖 23 所示，假定記錄介質(zhì) H 位于 xy 平面上，物光波前在 H 上產(chǎn)生的復(fù)振幅分布為： 0( , )0( , ) ( , )j x yO x y o x y e??? （ 25） 引入相干的參考波，它在 H 上產(chǎn)生的復(fù)振幅分布為： ( , )0( , ) ( , ) rj x yR x y r x y e??? （ 26） 上兩式中， 0( , )o xy 和 0( , )r xy 分別表示物波和參考波的振幅分布， ( , )o xy?和 ( , )r xy? 分別表示物波和參考波的位相分布，它們都是實(shí)函數(shù)。 H 上總光場為： ( , ) ( , ) ( , )U x y O x y R x y?? （ 27） 強(qiáng)度分布為： 2 2 2 ( , ) ( , )00( , ) ( , ) ( , ) ( , ) 2 ( , ) ( , ) c o s [ ]rox y x yI x y U x y O x y R x y o x y r x y ?? ?? ? ? ? ? （ 28） 全息圖實(shí)際上就是一副干涉圖，第三項(xiàng)是干涉項(xiàng)，在干涉條紋的幅值以及條紋位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它們分別受到參考光振幅和位相的調(diào)制。 （ 2）波前再現(xiàn) 用一束相干光波 （ 通常選球面波和平面波 ）照射全息圖， 假定它在全息圖面上的復(fù)振幅分布 為 ( , )Cxy ，則透過全息圖的光場為： 1 2 3 4( , ) ( , ) ( , ) 39。 * 39。 * 39。 *bU x y C x y t x y t C O O C R C O R C OU U U U ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 29） 1U 前的系數(shù) bt 表示常量 ，只改變照明光振幅； 2O 表示物光波單獨(dú)存在時(shí)在底片產(chǎn)生的不均勻光強(qiáng)； 2U 指振幅受到調(diào)制的照明光波，產(chǎn)生離散雜光。當(dāng) CR?時(shí)， 23 ( , ) 39。 ( , )U x y R O x y?? ， 3U 是原來物波波前的準(zhǔn)確再現(xiàn)，觀察到的是物體的虛像，為全息圖衍射場中的 +1 級波； 當(dāng) CR? 時(shí)， 24 ( , ) 39。 * ( , )U x y R O x y?? ， 4U是發(fā)生變形的物光波 ， 觀察到的是物體的實(shí)像 ， 為全息圖衍射場中的 1 級波；當(dāng)*CR? ， 3 ( , ) 39。 * * ( , )U x y R R O x y?? ， 24 ( , ) 39。 * ( , )U x y R O x y?? ， 34UU 分別產(chǎn)生虛像和實(shí)像，虛像發(fā)生變形，實(shí)像不變形。 （見圖 24） （ a）用原參考波照明 （ b）用共軛參考波照明 圖 24 波前再現(xiàn) 光學(xué)參數(shù) 下面介紹幾個(gè) 3D 電影光學(xué)原理中常用到的幾個(gè)參數(shù) [6][8]： 1．光角 由圖 23 所示，不難看出“目標(biāo)物體 1”與兩眼所成的夾角 1? ，會比“目標(biāo)物體 2”與兩眼所成的夾角 2? 大。 圖 25 光角示意圖 顯然，“目標(biāo)物體 1”比“目標(biāo)物體 2”更靠近眼睛 。 在物理學(xué)上 我們把 1? 和2? 稱之 為 光角， 即物體與兩眼所形成的角度 。 利用光角可以判斷物體的遠(yuǎn)近 。 2．視角 立體影像的光學(xué)原理中另外一個(gè)比較重要的參數(shù)是視角，即物體的高度與眼睛所成的角度。 利用視角可以判斷物體的大小 ， 視角越大 ， 則物體也越大 。如圖24 中，物體 1 比物體 2 小，其視角 1? 比視角 2? 小。 圖 26 視角示意圖 光角與視角 的 最大區(qū)別，在于光角的形成必須要兩眼才行；而視角的形成只需單眼即可。光角可以判斷物體的遠(yuǎn)近（層次、深度）；而視角則可以判斷物體的大小。我們可以很清楚地分辨出二者的差異性，同時(shí)要看到物體的深度，就必須依賴我們的雙眼不可。 3．視差 視差是透過雙眼各自所看到目標(biāo)物體位置的差異性 ， 是指在兩眼視網(wǎng)膜上成像的位差 ， 如圖 25 所示 。 就是 因?yàn)橛辛艘暡?， 才能賦予立體影像有深度 、 層次的空間感 。在圖中可以看出，光角越大視差也越大。但視差不易太大，否則會造成眼睛不舒服?？蔀榱嗽黾恿Ⅲw 效果，一般會將視差加大。 圖 27 示意圖 根據(jù)人眼看景物的近、中、遠(yuǎn)三個(gè)不同的層次，如圖 26 可將視差分為以下三類： （ 1） 非交錯(cuò)視差： 兩眼焦點(diǎn)視線在屏幕前沒有任何交叉情況 ，此時(shí)其影 像將會呈現(xiàn)在屏幕后 。 （ 2） 零視差： 兩眼焦點(diǎn)視線的交叉點(diǎn) 剛好 落在屏幕上 ，此時(shí) 其影像將會呈現(xiàn)在屏幕上 。 （ 3） 交錯(cuò)視差： 兩眼焦 點(diǎn)視線在屏幕前有交叉情況 ， 則其影像將會呈現(xiàn)在屏幕前的交叉點(diǎn)上 。 圖 28 視差分類 4．深度 立體影像中的深度即指場景中各點(diǎn)相對于攝像機(jī)的距離。 下面結(jié)合深度示意圖推導(dǎo)出深度的計(jì)算公式 ： 圖 29 深度示意圖 在 圖 27 中， F 是攝像機(jī)的焦距， 1X 是物點(diǎn) P 在左攝像機(jī)中成像的位置， rX是物點(diǎn) P 在右攝像機(jī)中成像的位置， B 是基線距離。場景點(diǎn) P 在左、右圖像平面中的投影點(diǎn)分別為 P 左和 P 右，假設(shè)坐標(biāo)系原點(diǎn)與左透鏡中心重合，比較相似三角形 1PMC 和 11PLC 得到： 1XxzF? （ 25） 同理，由相似三角形 rPNC 和 1 rPRC 得到： rXxBzF? ? （ 26） 合并（ 25）和（ 26） 兩式 得 ： 1 rBFz XX? ? （ 27） 由上面推導(dǎo)可知各種場景中的深度信息與視差成反比 ， 與基線和焦距成正比 。 3D 電影的制作方法 根據(jù)以上介紹的兩種 3D 電影的光學(xué)原理 ，可以將 3D 電影的制作分為偏光眼鏡法和 360 度全息顯示法。偏光眼鏡法是利用偏光原理制作的，需要觀眾佩戴偏光眼鏡才能感受到 3D 的立體效果； 360 度全息顯示法是利用光學(xué)全息制作的，觀眾無須佩戴眼鏡，就能全方位的感受 3D 的立體效果。 偏光眼鏡法 3D 立體電影 有多種 制作方 式 ， 其中較為廣泛 采用的是偏光眼鏡法 [3]。 依據(jù)人眼觀察景物的方法 ， 利用兩臺并列安置的攝影機(jī) ， 分別代表人的左、右眼 ，同步拍攝出兩條略帶水平視差的畫面。 放映時(shí) ， 將兩條電影膠片分別裝入左、右放映機(jī) ， 分別播放出左眼和右眼的畫面。每臺放映機(jī)前端裝有改變光線相位的偏振片。同時(shí) ， 兩臺放映機(jī)前面有一個(gè)周期轉(zhuǎn)動的遮光板 ， 通過遮光板的轉(zhuǎn)動 ， 將放映機(jī)輸出的每秒 24 格畫面提升至每秒 48 格。由于左右放映機(jī)的遮光板有相位差