浅析3D立体影像技术的应用与发展

浅析3D立体影像技术的应用与发展

作者：孙世波

来源：《中国科技博览》2013年第07期

[摘要]真实的世界是立体的三度空间，人类日常生活中所看到的都是立体的。人类也一直追求能突破平面影像，尤其在虚拟现实中，为了能达到身历其境的真实感受，立体视觉绝对是必需的。

[关键词]立体影像虚拟现实

中图分类号：G631 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）07-0210-01

引言：在立体影像工程方面，包括输入及输出，有很多技术需要去研究开发。目前应用在计算机上“3D”一词，主要是以“2D”影像加上渐层阴影、光线追踪等效果将真实的“3D”立体影像仿真计算投射于“2D”平面上。

3D立体影像的由来

1839年，英国科学家温特斯顿发现了一个奇妙的现象，人的两眼间距约5公分，看任何物体时，两只眼睛的角度不尽相同，即存在两个视角。这就是3D的秘密--“偏光原理”。

3D立体电影的制作有多种形式，其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面。放映时，将两条电影影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需同步运转，同时将画面投放在金属银幕上，形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致；致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众感到景物扑面而来、或进入银幕深凹处，能产生强烈的“身临其境”感。

人脑视觉成像原理

人之所以产生立体视觉，是由于左右两眼的视角不同所致。左眼看到物体稍偏左侧，右眼看到物体稍偏右侧，经由视神经传至大脑，再由大脑将两个影像整合成单一个立体影像。因此，我们之所以能够看到具有“深度”的立体影像，就必须要用我们的双眼来看不可。

光角与视角最大的区别，乃在于光角的形成必须要两眼才能成立；而视角的形成仅需要单眼即可成立。光角是用来判断物体的远近（层次、深度）；而视角是用来判断物体的大小。至此，我们应该可以很清楚地分辨此二者的差异性，更可以确认要看到物体的深度，就必须依赖我们的双眼不可。

3D图像录入方法：

（1）电脑制作：可以用电脑制作播放应用的3D影片，国内立体影片制作技术也比较成熟，在用电脑制作3D影片方面已经没有问题，关键的是立体效果的调试。

（2）立体拍摄：用特殊的相机可以拍摄需要的立体影片，这样的效率会更高，可以在短时期内得到比较多的立体影片。

（3）用转换软件转换：这个技术就是把普通的影片经过一些技术手段渲染出另外一只眼镜的影像，最后合成立体影片的技术。

3D图像输出方法：

为了满足像是电影等多人观看需求的应用，因此后续也出现了以特制眼镜来同时提供多人观看的各种3D立体显示方式，并根据运作模式分为被动式与主动式两大类。

1）被动式3D立体眼镜

被动式3D立体眼镜指的是眼镜本身是单纯的镜片与镜架所构成，不牵涉到任何机械式或电子式的运作。虽然此类眼镜所采用的技术有很多种，不过基本原理都是透过光学方式让两组画面分别只能穿过左右其中一眼的镜片，让左右眼观看到具备视差的影像。

红蓝滤色片方式可适用于平面印刷媒体或是一般显示设备。

由于红蓝滤色片式3D立体眼镜有着无法正确重现原本画面色彩的缺点，因此后续有厂商推出了改良式的「ColorCode3D」，透过琥珀色与蓝色滤色片分别呈现彩色与单色两组画面，由于大脑会自动结合双眼观看到的影像，因此可以获得彩色的立体画面。

②偏光式3D立体眼镜

在偏光技术普及后，开始有厂商采用偏光式的被动式3D立体眼镜。偏光片是透过如百叶窗般排列的矽晶体涂料薄膜（偏光膜）来过滤原本朝不同方向震动的光线，会挡住与偏光膜方向垂直的光线，只让与偏光膜方向相同的光线通过。由于偏光片只会过滤光线的方向，而不会像滤色片那样过滤光线的颜色，因此可以完整保留画面的色彩。

应用在液晶显示器时，可使用两片重叠的液晶面板各自显示垂直与水平偏光画面，此方式的成本较高。或者是在屏幕表面配置奇偶交错排列的垂直与水平偏光片，各利用一半像素显示垂直与水平偏光画面，此方式的成本较低，不过垂直或水平解析度会减半。

2）主动式3D立体眼镜

主动式3D立体眼镜是透过眼镜本身的主动运作来达成3D立体显示效果。

①双显示器式3D立体眼镜

双显示器式3D立体眼镜虽然无法提供多人观看需求，不过仍就算是主动式3D立体眼镜的一种，运作的原理非常简单，透过左右眼镜中配置的两组小型显示器来个别显示左右眼画面，来达成立体显示的效果。由于必须配置两组独立的显示器，因此成本较高，而且只能让单人观看。因此通常只应用在特殊用途，像是搭配头部侦测应用在虚拟实境。

②液晶式3D立体眼镜

由于液晶式3D立体眼镜不需要滤色或偏光等特殊构造的播放设备就能呈现，只需要提升播放设备画面更新频率及添加同步讯号发送装置即可，因此可适用于大尺寸多人观赏需求，是目前最广泛应用于3D电视等民生娱乐领域的方式。包括PC上由NVIDIA推出的

「3DVision」以及各家电大厂最近狂推猛打的3D立体电视产品，都是采用此方式。

液晶式3D立体眼镜由于必须主动运作，因此构造上比被动式3D立体眼镜复杂，虽然播放设备的成本较低，不过眼镜的成本高出不少。

空间多功式裸眼3D立体显示

空间多功式裸眼3D立体显示是在同一个屏幕上，以分割显示区域（空间）同时显示左右两眼画面（多功）来达成3D立体显示效果的方式，因此被称为「空间多功」。

由于左右眼视线通过栅栏状视差屏障的角度不同，因此会看到后面屏幕的不同部分，只要将左右眼画面以纵向方式交错排列，就能让左右眼看到各自的画面产生立体感。

立体图像制作注意事项

（1）使用尽量大的屏幕尺寸屏幕尺寸越大，立体感越强，大尺寸的屏幕也有利于布置更丰富的场景。

（2）为得到逼真的效果，所有的反射折射都应该使用光线跟踪算法计算。