第六章三维立体多媒体技术PPT讲稿.ppt

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1、第六章三维立体多媒体技术第1页，共102页，编辑于2022年，星期三 第第6章章 立体多媒体技术立体多媒体技术学习要点学习要点掌握立体视觉的基本原理掌握立体视觉的基本原理掌握立体视觉的基本原理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影的基本原理掌握立体电影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掌握立体电视的基本原理掌握立体电视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熟悉立体画基本设计方法熟悉立体画基本设计方法熟悉立体画基本设计方法 第2页，共102页，编辑于2022年，星期三 6.1 6.1 立体视觉的基本原理立体视觉的基本原理 6.1.1 6.1.

2、1 人眼的会聚人眼的会聚 6.1.2 6.1.2 人眼的视差人眼的视差 6.1.3 6.1.3 深度形成的生理因素深度形成的生理因素 6.1.4 6.1.4 深度形成的心理因素深度形成的心理因素 6.2 6.2 立体电影原理立体电影原理 6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理 6.2.2 6.2.2 色分法色分法 6.2.3 6.2.3 时分法时分法 6.2.4 6.2.4 偏振法偏振法 6.3 6.3 立体电视原理立体电视原理 6.3.16.3.1立体电视的发展立体电视的发展 6.3.2 6.3.2 基本原理基本原理 6.3.3 6.3.3 视差照明式视差照明式 6.3.4 6.3.4 光

3、栅式光栅式 6.4 6.4 应用与实例应用与实例第3页，共102页，编辑于2022年，星期三早在五千多年前的古埃及，人们就己经有了对二维成像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。考古发现当时对人物形象的画法造型，全技术的追求。考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睛和躯体的位置都是正面的，整个人物从头到脚有两次9090度的转向。真人或站或

4、坐都无法保持这种姿势，但这度的转向。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。体视觉功能空余遗憾。第4页，共102页，编辑于2022年，星期三古埃及壁画第5页，共102页，编辑于2022年，星期三再如右图亦是如此第6页，共102页，编辑于2022年，星期三6.1 立体视觉的基本原理立体视觉的基本原

5、理 立体视觉立体视觉(stereoscopic vision)(stereoscopic vision)定义：定义：定义：定义：双眼观察景物能分辨物体远近形态的感觉。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，双眼人的立体感是这样建立的：双眼同时注视某物体，双眼视线交叉于一点，叫注视点，从注视点反射回到视网膜视线交叉于一点，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

6、距离、深度、凸凹等等都能辨别出来，这周围物体间的距离、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。样成的像就是立体的像，这种视觉也叫立体视觉。第7页，共102页，编辑于2022年，星期三6.1.1 6.1.1 人眼的会聚人眼的会聚人眼的会聚人眼的会聚 人眼的结构特点人眼的结构特点人 眼 结 构 功 能 图第8页，共102页，编辑于2022年，星期三 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。视网膜由前面，中央是瞳孔，晶状体后面的后房空间为玻璃体。视

7、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。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，眼睛的睫状肌会调节晶状体的屈当在特定距离观察一个物体时，眼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，人眼的这种保晰。看远物时晶状体较扁

8、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。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。睛中央凹的位置上，这就是双眼会聚。第9页，共102页，编辑于2022年，星期三6.1.2 6.1.2 人眼的视差人眼的视差人眼的视差人眼的视差 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

9、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，视野受到眼附近组织的影响，此条件下的视野称为相对视野。当双野受到眼附近组织的影响，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。眼注视于一点，双眼所能看到的全部范围称为双眼视

10、野。第10页，共102页，编辑于2022年，星期三 图图6.26.2左右眼球的相对视野（视标：左右眼球的相对视野（视标：5mm5mm）测正常人用测正常人用5 5毫米白色视标，（用黑箭头标记的）白视野最毫米白色视标，（用黑箭头标记的）白视野最大，而红、绿色视野依次缩小大，而红、绿色视野依次缩小1010左右（蓝色未标），且左左右（蓝色未标），且左右眼对称的椭圆区域，其长宽比近似为右眼对称的椭圆区域，其长宽比近似为1616 9 9。第11页，共102页，编辑于2022年，星期三 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，约为为120

11、120度。此区域因双眼视线均可到达，是两眼的共同视野，与度。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。单眼视野约为是月牙形的单眼视野。单眼视野约为3030度到度到4040度，每侧只有一只度，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。觉效果。视觉的数据是由点、线、轮廓、阴影和线与线之间的位置关系视觉的数据是由点、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

12、形成视网膜图像。组成的，这些数据到达眼睛后形成视网膜图像。第12页，共102页，编辑于2022年，星期三 单只眼睛无法体现空间视觉的例子：单只眼睛无法体现空间视觉的例子：从不同方向从不同方向(A,B)(A,B)来的光，落在视网膜的不同区域来的光，落在视网膜的不同区域(a,b)(a,b)上，因此可以加以辨别，但是由于在同一方向上的所有上，因此可以加以辨别，但是由于在同一方向上的所有各点各点(A1,A2,A3)(A1,A2,A3)投射于视网膜的同一区域，则无法确定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

13、能表明它的距离。方向不能表明它的距离。单眼成像的原理 第13页，共102页，编辑于2022年，星期三 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，其中辏角，如右下图，其中a 1,a 2a 1,a 2分别为点分别为点Fl Fl和和F2F2的辐辏角。的辐辏角。Fl Fl和和F2F2两点远近不同，因此，辐辏角两点远近不同，因此，辐辏角a 1,a 2a 1,a 2也不同，眼球旋转运动的也不同，眼球旋转运动的程

14、度也不一样，这样就产生了深度感觉。程度也不一样，这样就产生了深度感觉。第14页，共102页，编辑于2022年，星期三 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。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

15、围时，就会在三维显示时引起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。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空间有不同的位置，同一景物在左右两眼所成的像有微小的差别小的差别,这就是视差。

16、这就是视差。第15页，共102页，编辑于2022年，星期三 立体显示的技术立体显示的技术 如图所示如图所示,L,L和和R R分别代表左眼和右眼所在位置，分别代表左眼和右眼所在位置，S S和和T T在在LRLR的中的中垂线上垂线上,PQ,PQLRLR。双目注视。双目注视S S点，即通过自适应调节聚焦到点，即通过自适应调节聚焦到S S点，点，由于辐辏效应，左右眼中的由于辐辏效应，左右眼中的S S合成一点。点合成一点。点T1T1和和T2T2分别代表分别代表T T点在左右眼中形成的点在左右眼中形成的2 2个像，让这个像，让这2 2个像互不干扰地进入左右眼，个像互不干扰地进入左右眼，由于大脑已经习惯了看

17、辐辏以后的效果，由于大脑已经习惯了看辐辏以后的效果，所以大脑会自动将所以大脑会自动将T1T1和和 T2 T2合成合成T T点，和参考点点，和参考点S S相相 比，比，T T点有了纵深的效果，点有了纵深的效果，从而产生立体的感觉。从而产生立体的感觉。目前有目前有 mediaconverter7 mediaconverter7 软件可以将二维的图像、软件可以将二维的图像、视频等转换成三维形式。视频等转换成三维形式。（详见此文件夹内）（详见此文件夹内）产生立体视觉的原理 第16页，共102页，编辑于2022年，星期三用mediaconverter7转换的立体视觉示例左眼视图（即原图）右眼视图第17页

18、，共102页，编辑于2022年，星期三 在观看空间某个对象时，人的双眼就从左右两边稍有差别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。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。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把一本书放在眼睛正前方大约2525厘米的地方，使书脊朝向人脸厘米的地方，使书脊朝向人脸并向下倾斜并向下倾斜4545度角，这时左眼就能看到书的封

19、底，而右眼能看度角，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，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人就能感到眼前的这本书有立体感(见下图见下图)。第18页，共102页，编辑于2022年，星期三 当把书逐渐离开观察者时，当把书逐渐离开观察者时，书上的每一点相对左右眼所书上的每一点相对左右眼所形成的视角就逐渐减小，所形成的视角就逐渐减小，所形成的视差也就逐渐变小，形成的视差也就逐渐变小，到达一定距离时，视差消失。到达一定距离时，视差消失。物体距离眼睛太远时，就不物体距离眼睛太远时，就不会产生有深度感

20、的视觉了。会产生有深度感的视觉了。所以，物体越近，视差越明所以，物体越近，视差越明显，人眼就是由此获得深度显，人眼就是由此获得深度信息的。信息的。书 脊 成 像 过 程 第19页，共102页，编辑于2022年，星期三 与人的正常立体视觉机制有关的只有两个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。肉系统有关。焦深焦深D D由下式决定由下式决定:式式(6.1)(6.1)中中r r为瞳孔直径，为瞳孔直径，分辨率，分辨率，D D为屈光度。由此式可见，为屈光

21、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。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。后位置。第20页，共102页，编辑于2022年，星期三物体在两眼视网膜上单独物体在两眼视网膜上单独成像成像,这两个物像是同时这两个物像是同时产生的，大脑皮层能将这产生的，大脑皮层能将这两个物像融合成一个物像，两个物像融合成一个物像，这就是双眼单视。这就是双眼单视。双眼单视和立体视 l 将双眼

22、视觉像融合为 一个视觉像的机能称 为融合机能。第21页，共102页，编辑于2022年，星期三 假设双眼单视所得的单一图像或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，称为想眼代表双眼的视觉功能，称为中央眼（如右图）。视觉空间定中央眼（如右图）。视觉空间定位，既不单纯依据左眼，也不单位，既不单纯依据左眼，也不单纯

23、依据右眼，而是以中央眼向正纯依据右眼，而是以中央眼向正前方的延伸线为依据，以判知正前方的延伸线为依据，以判知正前方的深度方向。前方的深度方向。中央眼 第22页，共102页，编辑于2022年，星期三 单眼调节、运动视差以及双眼单视、双眼视差、中央眼的单眼调节、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。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，也包括心即是深度线索

24、，研究表明深度线索既包括生理因素，也包括心理因素。理因素。第23页，共102页，编辑于2022年，星期三第24页，共102页，编辑于2022年，星期三第25页，共102页，编辑于2022年，星期三第26页，共102页，编辑于2022年，星期三第27页，共102页，编辑于2022年，星期三6.1.3 6.1.3 深度形成的生理因素深度形成的生理因素深度形成的生理因素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、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。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

25、点发出的光线就聚焦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于双眼的视网膜的中心(中央凹中央凹)，眼睛的两个中央凹在，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。圆来说明。第28页，共102页，编辑于2022年，星期三让双眼注视右图内的让双眼注视右图内的MM点，设眼睛点，设眼睛晶体的中心点为晶体的中心

26、点为O O1 1,O,O2 2，用两条直线，用两条直线连接连接MM和和O O1 1,O,O2 2，并延伸到视网膜上的，并延伸到视网膜上的mm1 1和和mm2 2点。可以在图中确定视网膜上点。可以在图中确定视网膜上的两点的两点P P1 1,P,P2 2，当，当 P P1 1O O1 1mm1 1=P P2 2O O2 2mm2 2时它们处于彼此对应的位置，时它们处于彼此对应的位置，P P1 1，P P2 2也是空间一点在视网膜的成像。也是空间一点在视网膜的成像。当当P P点按上述的路径在点按上述的路径在P P1 1,P,P2 2上成像时，上成像时，则视网膜上则视网膜上P P点的双眼视差为零。由点

27、的双眼视差为零。由几何关系，所有视差为零的几何关系，所有视差为零的P P点系列点系列就可构成一通过就可构成一通过O O1 1、O O2 2点的圆，这点的圆，这个圆就是根据双眼视差得出的等距个圆就是根据双眼视差得出的等距轨迹，称为全息圆。轨迹，称为全息圆。全息圆 第29页，共102页，编辑于2022年，星期三第30页，共102页，编辑于2022年，星期三6.1.4 6.1.4 深度形成的心理因素深度形成的心理因素深度形成的心理因素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。视觉。心理立体视觉主要是由线性透视、朦胧透

28、视、遮挡、阴影、颜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。色、纹理梯度等因素构成。(1)(1)线性透视。当眺望远方时，远处景物看起来尺寸很小。线性透视。当眺望远方时，远处景物看起来尺寸很小。(2)(2)烟雾烟雾(朦胧朦胧)透视。当观看远处弥漫着烟雾的风景照片时，会透视。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。有一种强烈的深度感觉。第31页，共102页，编辑于2022年，星期三(3)(3)遮挡。是指一个物体遮蔽了另一个物体的一部分，遮遮挡。是指一个物体遮蔽了另一个物体的一部分，遮挡是判断物体深度秩序的重要条件，但是不能判断事物挡是判断物体深

29、度秩序的重要条件，但是不能判断事物间的距离。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。图中两个物体的前后位置关系会提供相应的深度线索。图中的的a,da,d提供了深度线索。而提供了深度线索。而 b,c b,c没有深度线索。没有深度线索。重叠 第32页，共102页，编辑于2022年，星期三(4)(4)阴影。阴影是由不透明或半透明物体的阻碍所引起的表阴影。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。挡，亮的部分是光线的直接照射。阴影 第33页，共102页，编辑于

30、2022年，星期三 (5)(5)颜色。同一视标由于颜色的不同，有时看起来近，有时颜色。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。变化也可以获得该物体深度变化的心理暗示。(6)(6)纹理特征。观察具有相同纹理特征的物体表面，可以纹理特征。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。小，因此纹理的变化也可以反映出物体深度的变化。

31、总而言之，心理立体视觉主要依靠视觉记忆和经验，观察总而言之，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。对深度。第34页，共102页，编辑于2022年，星期三心理立体视觉的例子：会转动的花瓣第35页，共102页，编辑于2022年，星期三这些这些绝对绝对不是不是gifgif动动画，画，里面里面的图的图案其案其实一实一点都点都没动没动 。第36页，共102页，编辑于2022年，星期三美国震撼美国震撼3D3D壁画展现了壁画展现了一个灾难场一个灾难场景，由于太景，由于太过逼真，在过逼真，在马上完成时

32、，马上完成时，这幅灾难画这幅灾难画引起了消防引起了消防队的注意，队的注意，他们甚至停他们甚至停下车，想去下车，想去采取营救行采取营救行动动第37页，共102页，编辑于2022年，星期三6.2 立体电影原理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 基本原理基本原理第38页，共102页，编辑于2022年，星期三视角差是产生3D视觉的决定因素 在现实中，人的视觉之所以能分辨远近，是靠两眼之间的视角差。在看任何一样东西时，两眼的角度都不会完全重叠，人脑即凭借这微小的差距产生景深感。物体距离越近，两眼产生的视角差越大，景深感就越明显，

33、反之亦然。因此，人的感官能准确判断一定范围内的物体方位，但对过于遥远的物体距离则失去距离感。比如人无法依靠视觉判断太阳和月亮谁离得比较近。第39页，共102页，编辑于2022年，星期三Imax 3D影院 使用使用Imax 3DImax 3D影片时，影片时，ImaxImax摄影机装有两个相同的镜头，镜头间摄影机装有两个相同的镜头，镜头间距正好是人眼间距距正好是人眼间距65mm65mm，两幅图像被分别记录到两条间歇同步，两幅图像被分别记录到两条间歇同步运行的运行的65mm65mm空底片上。在空底片上。在Imax 3DImax 3D影院，专用的影院，专用的Imax 3DImax 3D立体放立体放映机

34、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。上。ImaxImax胶片采用独特的胶片采用独特的70mm70mm横排以造成巨幅效果，如图横排以造成巨幅效果，如图6.136.13所示为几种常见的电影胶片，从左到右分别是：所示为几种常见的电影胶片，从左到右分别是：70mm Imax70mm Imax胶片胶片（仅一个镜头的胶片）、（仅一个镜头的胶片）、70mm70mm胶片、胶片、35mm35mm胶片（电影院里看胶片（电影院里看的电影，几乎全部是用的电影，几乎全部是用35mm35mm胶片放映的）、胶片放映的）、16mm16mm胶片。（前胶

35、片。（前些年还有些年还有8mm8mm胶片，不过已经绝迹了。）这些胶片是按照宽度来胶片，不过已经绝迹了。）这些胶片是按照宽度来命名。除了命名。除了ImaxImax，其他胶片都是竖着放映的。，其他胶片都是竖着放映的。第40页，共102页，编辑于2022年，星期三Imax 3D胶片与其他胶片的区别 第41页，共102页，编辑于2022年，星期三第42页，共102页，编辑于2022年，星期三立体电影生成过程立体电影生成过程 假定摄像机位于假定摄像机位于z z坐标轴的坐标轴的(0,0,d)(0,0,d)处处,d,d是从摄像机到是从摄像机到xyxy平平面的距离面的距离,则投影到则投影到xyxy平面的公式为

36、：平面的公式为：如果摄像机在如果摄像机在(0,0,9)(0,0,9)处处,点点(8,-5,-3)(8,-5,-3)就会投影到就会投影到(6,-(6,-3.75)3.75)处。处。设想有两个摄像机设想有两个摄像机,相隔距离为相隔距离为C,C,为了做一个左摄像机的透视投为了做一个左摄像机的透视投影影,把摄像机向左移动把摄像机向左移动C C的一半。为了数学计算方便的一半。为了数学计算方便,移动整个场移动整个场景到右边而不是移动摄像机到左边。现在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左摄像机的投影公式为为:第43页，共102页，编辑于2022年，星期三 摄像机在摄像机在(0,0,9)

37、(0,0,9)处处,试验点在试验点在(8,-5,-3)(8,-5,-3)处处,如果设两个摄像如果设两个摄像机的相隔距离为机的相隔距离为1,1,那么左摄像机投影到那么左摄像机投影到(6.375,-3.75),(6.375,-3.75),右摄像右摄像机投影到机投影到(5.625,-3.75)(5.625,-3.75)。可以注意到可以注意到,试验点的左投影点在右投影点的右边试验点的左投影点在右投影点的右边0.750.75个单个单位处。如果在一个立体观察系统里重叠看这两个投影点的位处。如果在一个立体观察系统里重叠看这两个投影点的话话,就会产生一个负视差就会产生一个负视差,意味着这个点看起来好像在显示意

38、味着这个点看起来好像在显示屏幕的前面。相反屏幕的前面。相反,如果左投影点在右投影点的左边如果左投影点在右投影点的左边,就会就会产生一个正视差产生一个正视差,看起来就好像在显示屏幕的后面。当左右看起来就好像在显示屏幕的后面。当左右投影点在投影面上重叠的时候投影点在投影面上重叠的时候,产生的是零视差产生的是零视差,零视差看零视差看起来就好像在屏幕上。起来就好像在屏幕上。一个好的立体图像会有正视差一个好的立体图像会有正视差,负视差和零视差。负视差看起负视差和零视差。负视差看起来是不太舒适的。来是不太舒适的。第44页，共102页，编辑于2022年，星期三 可以对以上两个公式进行简单的修改可以对以上两个

39、公式进行简单的修改,使左摄像机投影的投使左摄像机投影的投影值左倾影值左倾,右摄像机右倾。如果用同样的初始摄像机位移值右摄像机右倾。如果用同样的初始摄像机位移值来移动投影点的话来移动投影点的话,产生的几何效果会把初始投影面精确地产生的几何效果会把初始投影面精确地放在零视差处放在零视差处,以前在投影面后面的场景元素就会形成正视以前在投影面后面的场景元素就会形成正视差。差。例如例如(8,-5,-3)(8,-5,-3)的左投影投影到的左投影投影到(5.875,-3.75),(5.875,-3.75),右投影投影右投影投影到到(6.125,-3.75)(6.125,-3.75)。这样产生正视差。这样产生

40、正视差,看起来好像在显示屏看起来好像在显示屏幕的后面。因为场景元素的初始幕的后面。因为场景元素的初始z z坐标为坐标为-3,-3,其在其在z z坐标为坐标为0 0的的投影面后面。投影面后面。第45页，共102页，编辑于2022年，星期三数字立体电影的观看方式主要有：色分法（如红绿立体数字立体电影的观看方式主要有：色分法（如红绿立体法）、时分法（如液晶闪闭法）、光分法（如偏振光立法）、时分法（如液晶闪闭法）、光分法（如偏振光立体法）等。体法）等。观观看方式看方式立体立体观观察效果察效果成本成本观观看要求看要求红绿红绿立体法立体法彩色画面彩色画面较较差差低低红绿红绿眼眼镜镜偏振光立体法偏振光立体法

41、效果效果稳稳定并适合定并适合长长时间观时间观看看很高很高偏振眼偏振眼镜镜液晶液晶闪闭闪闭法法效果效果稳稳定，易疲定，易疲劳劳 较较高高同步液晶同步液晶眼眼镜镜第46页，共102页，编辑于2022年，星期三6.2.2 6.2.2 色分法色分法色分法色分法 色分法是把两色分法是把两 幅具有适当视差的同一景物分别制成红色和绿色图幅具有适当视差的同一景物分别制成红色和绿色图像，再把这两幅图像组合在一起。其原理如图。红绿立体形成的像，再把这两幅图像组合在一起。其原理如图。红绿立体形成的基本原理就是将左右图像用红绿两种补色同时显示出来并用相应基本原理就是将左右图像用红绿两种补色同时显示出来并用相应的补色观

42、察。即分别用红色绘出左眼图像，用绿色绘出右眼图像，的补色观察。即分别用红色绘出左眼图像，用绿色绘出右眼图像，观察者戴上红绿眼镜观看，其中的红色镜片滤掉绿色图像，看到观察者戴上红绿眼镜观看，其中的红色镜片滤掉绿色图像，看到红色图像，绿色镜片滤掉红色图像，看到绿色图像。这样，观察红色图像，绿色镜片滤掉红色图像，看到绿色图像。这样，观察者的每个眼镜就只能看到一个图像，这样就实现了分像。因此通者的每个眼镜就只能看到一个图像，这样就实现了分像。因此通过红绿眼镜将具有视差的两张图各自反映到大脑，使人产生逼真过红绿眼镜将具有视差的两张图各自反映到大脑，使人产生逼真的立体感。的立体感。第47页，共102页，编

43、辑于2022年，星期三色分法的拍摄与放映 第48页，共102页，编辑于2022年，星期三色分法适合个人用户，成本低廉但效果很差 红蓝眼镜一两块钱就可买到 红蓝片源易得，无需特殊放映设备 第49页，共102页，编辑于2022年，星期三6.2.3 6.2.3 时分法时分法时分法时分法时分法的技术原理是在发送端用两台摄像机，模拟人的左、右两眼进行摄像，产生一对视差图像信号，编码成一路信号进行传送。接收端解码成两路信号，在屏幕上同时显示两幅图像，由人的两眼分别观看，从而获得立体感。实现在同一眼睛上显示左右两幅图像，使左右眼的视图在不同时刻无交叉地交替显示。第50页，共102页，编辑于2022年，星期三

44、被动式眼镜的两个镜片都采用电子控制，可以根据显被动式眼镜的两个镜片都采用电子控制，可以根据显示的输出情况进行状态的切换，镜片的透光、不透光示的输出情况进行状态的切换，镜片的透光、不透光切换使得人眼只能看到对应的画面（透光状态下），切换使得人眼只能看到对应的画面（透光状态下），双眼看到不同的画面就能够达到立体成像的效果。而双眼看到不同的画面就能够达到立体成像的效果。而主动式眼镜控制哪只眼睛看到什么内容的机制是嵌入主动式眼镜控制哪只眼睛看到什么内容的机制是嵌入在眼镜内部的，而不是由节目内容或者投影机决定的。在眼镜内部的，而不是由节目内容或者投影机决定的。第51页，共102页，编辑于2022年，星期

45、三NVIDIA独树一帜 时分法利用快门原理 第52页，共102页，编辑于2022年，星期三 时分法是指以一定速率在显示屏时分法是指以一定速率在显示屏上轮流显示左右眼各自所见的图像，上轮流显示左右眼各自所见的图像，观看者需要戴一副主动工作的液晶观看者需要戴一副主动工作的液晶眼镜。这副眼镜的左右眼镜片上的眼镜。这副眼镜的左右眼镜片上的液晶分子轮流偏转，通过安装在电液晶分子轮流偏转，通过安装在电脑上的红外发射器协调，与显示器脑上的红外发射器协调，与显示器上轮流出现的左右图像同步。上轮流出现的左右图像同步。当左眼的图像出现时，左眼的液当左眼的图像出现时，左眼的液晶透光，右眼的液晶不透光；相晶透光，右眼

46、的液晶不透光；相反，当右眼的图像出现时，只有反，当右眼的图像出现时，只有右眼的液晶透光。这样左右眼只右眼的液晶透光。这样左右眼只能看见各自所需的图像，人脑中能看见各自所需的图像，人脑中的的3D3D视觉影像便形成了。视觉影像便形成了。第53页，共102页，编辑于2022年，星期三6.2.4 6.2.4 偏振法偏振法偏振法偏振法 偏光立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向偏光立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片；在放映时，通过同时拍摄下景物的像，制成电影胶片；在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，两个放映机，把用两个摄影机拍下

47、的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上，这时如果用眼使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上，这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当影，就要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器，从两架放映机射出的光通过偏振片后，就成于起偏器，从两架放映机射出的光通过偏振片后，就成了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互了偏振光，左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，

48、这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。向不改变。如果一束光线都在同一方向上振动，我们就称它们是偏振光，或如果一束光线都在同一方向上振动，我们就称它们是偏振光，或严格一点，称为完全偏振光。光线按其偏振特性严格一点，称为完全偏振光。光线按其偏振特性,可以分为自然可以分为自然光和偏振光两种。光和偏振光两种。第54页，共102页，编辑于2022年，星期三 液晶具有双折射现象，如果自然光的入射方向不能与晶体液晶具有双折射现象，如果自然光的入射方向不能与晶体的光轴平行，则产生如下图所示的偏振光。其中：的光轴平行，则产生如下图所示的偏振光。

49、其中：0 0光光(寻寻常光常光)和和e e光光(非常光非常光)。其他立体显示方法都有晕眩感，观。其他立体显示方法都有晕眩感，观看半小时以上需要中间休息以缓解视力疲劳，而看半小时以上需要中间休息以缓解视力疲劳，而偏振光立体偏振光立体法法则没有，因此具有独特的优点。则没有，因此具有独特的优点。双折射光的偏振第55页，共102页，编辑于2022年，星期三影院偏振法实现3D视觉 效果好成本高 第56页，共102页，编辑于2022年，星期三偏振法实现的偏振法实现的3D3D视视觉颜色还原效果非觉颜色还原效果非常好，给人的感受常好，给人的感受很自然，适合较长很自然，适合较长时间观看。但由于时间观看。但由于偏

50、振法的实现需要偏振法的实现需要在影片拍摄、制作、在影片拍摄、制作、放映等全过程中采放映等全过程中采用特殊方式和特殊用特殊方式和特殊设备，成本高昂，设备，成本高昂，故暂无法向家庭或故暂无法向家庭或个人用户普及，多个人用户普及，多数是被影院这样的数是被影院这样的商业公共放映场所商业公共放映场所采用。采用。第57页，共102页，编辑于2022年，星期三NVIDIA总裁预言，你的下台电脑是3D的第58页，共102页，编辑于2022年，星期三6.3 立体电视原理立体电视原理 在早期黑白电视时代，比较成功的立体电视是由两部电视摄像在早期黑白电视时代，比较成功的立体电视是由两部电视摄像机拍摄影像并用两个独立