第六章三维立体多媒体技术.ppt

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1、范铁生 岳承君 王 军 王丹华 编著 电子工业出版社,高等院校计算机规划教材,多媒体技术基础与应用,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

2、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

3、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

4、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

5、，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

6、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

7、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, 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

8、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

9、体视觉的原理,用mediaconverter7转换的立体视觉示例,左眼视图（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

10、，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

11、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

12、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。,6.1.3 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,

13、P2，当 P1O1m1= P2O2m2时它们处于彼此对应的位置，P1， 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

14、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

15、，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,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

16、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，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。,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

17、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

18、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(0, 0, 9)处,试验点在(8, -5, -3)处,如果设两个摄像机的相隔距离为1,那么左摄像机投影到(6.375, - 3.75),右摄像机投影到(5.625, -3.75)。 可以注意到,试验点的左投影点在右投影点的右边0.75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话,就会产生一个负视差,意味着这个点看起来好像在显示屏幕的前面。相反,如果左投影点在右投影点的左边,就会产生一个正视差,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

19、的时候,产生的是零视差,零视差看起来就好像在屏幕上。 一个好的立体图像会有正视差,负视差和零视差。负视差看起来是不太舒适的。,可以对以上两个公式进行简单的修改,使左摄像机投影的投影值左倾,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,产生的几何效果会把初始投影面精确地放在零视差处,以前在投影面后面的场景元素就会形成正视差。 例如(8, -5, -3)的左投影投影到(5.875, -3.75),右投影投影到(6.125, -3.75)。这样产生正视差,看起来好像在显示屏幕的后面。因为场景元素的初始z坐标为-3,其在z坐标为0的投影面后面。,数字立体电影的观看方式主要有：色分法（如红

20、绿立体法）、时分法（如液晶闪闭法）、光分法（如偏振光立体法）等。,6.2.2 色分法,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。,色分法的拍摄与放映,色分法适合个人用户，成本低廉但

21、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,6.2.3 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。,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

22、内部的，而不是由节目内容或者投影机决定的。,NVIDIA独树一帜 时分法利用快门原理,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，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，左眼的液晶透光，右眼的液晶不透光；相反，当右眼的图像出现时，只有右眼的液晶透光。这样左右眼只能看见各自所需的图像，人脑中的3D视觉影像便形成了。,6.2.4 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

23、机拍下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相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直，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。 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,可以分为自然光和偏振光两种。,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：

24、0光(寻常光)和e光(非常光)。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，而偏振光立体法则没有，因此具有独特的优点。,双折射光的偏振,影院偏振法实现3D视觉 效果好成本高,偏振法实现的3D视觉颜色还原效果非常好，给人的感受很自然，适合较长时间观看。但由于偏振法的实现需要在影片拍摄、制作、放映等全过程中采用特殊方式和特殊设备，成本高昂，故暂无法向家庭或个人用户普及，多数是被影院这样的商业公共放映场所采用。,NVIDIA总裁预言，你的下台电脑是3D的,6.3 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机拍摄影像并用两个独立的视频信道传输到两部电

25、视机，每部电视机的屏幕上安置一块偏光板，然后用偏光眼镜去观察，这样的立体电视系统就可以获得立体图像效果。 20世纪50年代， “互补色立体分像电视技术”开始应用于立体电视。基本方法是用两部镜头前端加装滤光镜的摄像机去拍摄同一场景图像，在彩色电视机的屏幕上观众看到的是两副不同颜色的图像相互叠加在一起，当观众通过相应的滤光镜观察时就可以看到立体电视图像。,6.3.1 立体电视的发展,20世纪70年代末由于陶瓷光开关新材料的出现，人们可以制成光开关眼镜，此时就出现了时分式的立体电视技术。时分式的立体电视技术采用彩色电视信号的奇场和偶场进行立体电视信号的编码。 80年代初，东芝公司研制出时分式立体电视

26、投影机，戴偏光镜观看。1985年，松下公司首推时分式液晶眼镜立体电视样机获得成功。现在在国内，清华大学已研制出高透光率的新型液晶光阀眼镜，并于2001年研制成功时分式液晶眼镜立体电视机。现在立体电视已成为电视技术4大发展趋势之一，即：网络电视、超薄电视、大屏幕电视和立体电视。 到目前为止，先后出现的各种三维显示技术之间的比较，可以通过下表来概括说明 ： 3D显示技术分类 ：,时分式：左右两眼图像交替显示。播放时，摄像机为左右两眼拍摄的图像交替在电视机上显示 。 光分式：利用偏振光分别向左右两眼提示不同的图像。播放3D内容时采用两台放映机，分别放映左右两眼的影像 。 波分式：佩戴滤波眼镜，左右眼

27、看到不同波长光形成的图像。播放时采用两台放映机，分别放映左右两眼的影像 。 色分式：即佩戴滤色眼镜使左右眼看到不同的图像。播放3D内容时采用两台放映机，分别放映左右两眼的影像。 光栅式：通过屏幕前光栅的过滤作用，使左右眼看到不同的图像。播放时采用将两幅图像同时在屏幕上显示，并通过屏幕前光栅的过滤作用，使左眼只能看到左摄像机拍摄的画面，右眼只能看到右摄像机拍摄的内容。,全息式：是一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的成像技术。 立体镜：为使左右眼从不同侧面所见的景物是按视差和物距有所位移，景物图对也是有相应的位移作为左右视网膜的视见像。 全真式：从电视制作、播出系统，到百姓家的电视机，均

28、无需增添任何设备和投资，只是在拍摄立体节目时，在摄像机上加装特殊装置即可。观众收看节目时，只需戴上一副特制的成本低廉的三维眼镜即可 。 目前正在加紧研制新型立体摄像机和立体显示装置。新型立体摄像机具有双镜头，综合了计算机、测控、图像处理技术，拍摄过程符合人的视觉机理。新型立体显示装置分时或同时输入左右图像，采用光学技术，实现左右图像以正确的视差投射到人的双眼，不用戴眼镜，即可在屏幕前直接看到立体图像。,触手可及的立体电视观看效果,6.3.2 基本原理,立体电视又称为三维电视（3DTV）。 立体电视传送的是双视点的影像信息，人们在观看物体时用两只眼睛同时摄取一个物体的图像，形成两个视点，摄取的图

29、像有一定视差。不同深度的物体在左右两眼中形成图像的视差不同，大脑则根据这些视差的区别融合出立体的深度和距离，这就是三维图像。 立体视觉的形成过程主要包括两个阶段：第一阶段是抽取双眼物像中的某种基元，然后进行基元匹配并检测出视差信息；第二阶段是从获得的视差信息中感知深度信息。被观察的外界目标由于双眼位置差异，双眼视网膜上形成的物像也略有差异，经过立体成像的两个阶段，由大脑皮层对视差图像融合产生立体 视觉。,双眼视差：人眼在观看三维空间物体时，会产生立体感，也就是说我们不仅能够感觉到空间物体之间的距离，也能够感觉到空间物体与我们之间的距离。当人眼观察一个三维物体时，双眼从左右两边稍有差别的角度进行

30、观察，被观察物体在人的左右眼视网膜上所形成的光学映像也略有差异，这种左右眼观察的差异就是人们通常所说的双目视差。 立体三维显示就是对我们实际视觉形成过程的一种模拟。立体三维图像必须提供视差信息，只有视差才能通过物体与观察者的空间距离真正产生物体与物体之间的空间距离，是视差提供了视觉给我们带来的空间感和真实感。 目前有很多不同的三维显示技术：视差阻碍、多层显示、微透镜、液晶开关、偏振光和色彩编码等。,6.3.3 视差照明式,视差照明式是裸眼立体显示技术中研究最早的技术之一。,图6.19 视差照明式示意图,(a)左眼视区 (b) 右眼视区 (c)合成的景物,(d)立体观察区域,在投射式的显示屏后形

31、成离散的、极细的照明亮线，这些亮线以一定的间距分开，通过控制后，左眼可以透过显示屏的偶像素列看到亮线，而右眼透过显示屏的偶像素列是看不到亮线的。反之，透过奇像素列右眼可以看到亮线，而左眼则看不到亮线。这样观察者接受到的图像是带有视差信息的立体视差图像对，能够通过大脑产生深度感知。 视差照明亮线的形成，即线光源的设计和实现方法主要包括： 1、运用多光源，再用透镜聚焦形成很细的亮线；2、运用单光源或双光源，再运用光导传光、透镜汇聚形成很细的亮线；3、运用微加工技术制作旋光性不同的狭缝实现很细的亮线；4、运用液晶光阀的旋光性和偏振片配合形成很细的亮线。,不管哪一种线光源的产生方法，都是要产生一组非常

32、狭窄的亮线给临近的液晶列像素提供照明。 视差照明式原理简单，显示效果好，特点主要包括： 1)具有实现二维/三维显示转换的功能。 2)随观察者位置变化可以显示不同视角的高分辨率图像。 3)可以实现全分辨率显示和多视区显示。 4)视差显示效果较好，重像少。 5)线光源后置。,6.3.4 光栅式,光栅式自由立体显示是基于双目视差原理的三维立体显示技术，所谓自由立体即为裸眼观看方式。光栅式自由立体显示器主要由平板显示屏和光栅精密组合而成，左、右眼视差图像交错排列在平板显示屏上，利用光栅的分光作用将左、右眼视差图像的光线向不同方向传播，当观看者位于合适的观看区域时，其左、右眼分别观看到左、右眼视差图像，

33、经大脑融合后便可感知到具有立体感的图像。根据所采用的光栅类型，光栅式自由立体显示器可分为狭缝光栅式和柱透镜光栅式两类 。狭缝光栅式又分为前置狭缝光栅和后置狭缝光栅两种，其结构图分别如图： (a)中狭缝光栅置于平板显示屏与观看者之间，观看者左、右眼透过狭缝光栅的透光部分只能看到对应 的左、右眼视差图像，由此产生立体视觉；,(b)中狭缝光栅置于平板显示屏与背光源之间，用来将背光源调制成狭缝光源。当观看者位于合适的观看区域时，从左（右）眼处看显示屏上只有左（右）眼视差图像被狭缝光源照亮，那么左、右眼就只能看到对应的左、右眼视差图像，由此产生立体视觉。,狭缝光栅式自由立体显示器结构与原理,狭缝光栅方法

34、的特点： 1)方便实现二维/三维显示功能切换； 2) 狭缝光栅既可安装在显示屏前，又可安装在显示屏后； 3)提供双眼全分辨率图像； 4)观察者可以自由移动，包括距离和方向。 柱透镜光栅式自由立体显示的优缺点恰好同狭缝光栅式相反，这种方法又称柱透镜方法或者双凸透镜方法。这是一种在显示器前面镶上一块柱透镜板来控制图像观看方向的方法。 柱透镜光栅式自由立体显示器的结构如下 图所示。,柱透镜光栅式自由立 体显示器结构与原理,柱透镜阵列是由许多柱面透镜紧密排布而成，这一特性使得它对图像具有“压缩”和“隔离”的作用。在平板显示器的前面加一层微柱透镜，使平板显示器的像平面位于透镜的焦平面上。在每个柱透镜下面

35、的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素，把奇、偶列像素上显示的视差图像投射到人的左、右眼，经视觉中枢的立体融合获得立体感。,柱透镜光栅式自由立体显示与狭缝光栅式立体显示方式比较结果，可从下表看出。,这种差别的原因在于人眼有两个基本特性：调节和会聚。眼睛通过调节特性将物体的像聚焦到视网膜上，并通过会聚特性将双眼视轴会聚到被注视的物体上。观看现实世界的物体时，人眼的调节距离和会聚距离是一致的。然而在观看光栅式自由立体显示器时，人眼的调节距离是固定的，即位于立体显示屏上，而会聚距离与物体的再现立体深度有关。由于物体的再现立体深度是由物体的视差大小决定的，因此会聚距离也由

36、视差大小决定。根据双目视差原理，观看者将左、右眼视差图像融合成立体图像，但所融合的视差大小具有一定的范围，这个范围称为融合范围。在观看立体图像时，若视差大小在融合范围内，调节和会聚距离虽然不一致，但观看者仍能将左、右眼视差图像融合成一幅立体图像，如下图(a)所示；若视差的大小在融合范围之外，观看者则无法将左、右眼两 幅视差图像融合成一幅立体图像，如下图 (b)所示，,调节和会聚的不一致是光栅式自由立体显示器的固有特性，因此两者不一致所引起的视觉疲劳是不能消除 的，只能尽可能减小。,调节和会聚的不一致特性与视差融合范围示意图,6.3.5 多视点技术,如图（a）所示，视区1表示观看者眼睛位于该视区

37、时只能看到第一幅视差图像；同理视区2表示观看者眼睛位于该视区时只能看到第二幅视差图像。当观看者左眼位于视区1而右眼位于视区2时，就能感知到立体图像。若观看者水平移动一定距离就会使得左眼位于视区2而右眼位于视区1，从而产生伪立体。由此可见，采用双视点技术，观看者只能在相对固定的位置观看到立体图像，缺乏自由度。,采用双视点和多视点技术的视区分布比较,为了给观看者提供较大的观看自由度，可采用多视点技术。所谓多视点技术，即单个光栅节距下有N（N2）幅视差图像信息。如下图所示，N幅视差图像交错排列在平板显示屏上，借助光栅的分光作用，当观看者水平移动时，总有两个最佳视差图像进入左眼和右眼，从而形成立体视觉

38、。多视点技术中也存在伪立体，即左眼位于视区N而右眼位于视区1时，但相对于双视点技术而言，伪立体视区要小得多。,多视图立体显示系统,6.4 应用与实例,立体观察实验1到4要用下图所示的立体反光镜来观察立体视觉现象。,6.4.1 立体观察实验设计,立体反光镜实验装置,若将被观察的左右两张立体图分别置于立体反光镜的左右两个平面反射镜下方，左右两图就分别通过左右两个平面反射镜和直角棱镜，再经目镜在观察者的左右两眼中成像，其效果相当于左右两眼分别观察左右两图再合像于人的大脑。,实验1. 将下图所示的黑白剪影图 (a)和(b)分别置于立体反光镜的左右两臂下，微动图片后将左右两眼的成像合为一体，此时将感到图

39、片的儿童与母亲不在一个平面上。这是因为两张图中的各物体对左右两眼的视差角不同。实际上若将两图叠合在一起就可以看到图中各物体之间的错位。再通过立体反光镜观察黑白剪影图下半部,左右两图原来各有两人,而合像后观察者看到的是三人，呈现出母亲将婴儿递到女孩手中的结果，如(c)所示。这个实验说明立体视觉是来自左 右两眼的像叠加的结果。,（a） (b),左右两眼的成像结果,实验2. 再比如将下图所示的立体白描图分别置于立体反光镜的左右两臂下，将图片上方用于定位的十字线合在一起，合像后将看到图中的人物雕像比背景中的建筑物近。这是因为左右两张图是画家从左右两个角度对同样的景物写生获得。若将透明的两张图片叠合在一

40、起就能观察出两者的细微差别,立体白描图,实验3.将下图所示的图片(a)和(b)分别置于立体反光镜的左右两臂下，合像后将观察到图中原先偏离圆心的带网格线的黑方块移到了圆的中心位置，而且黑方块明显比圆离观察者近。如果将(a)和(b)两张图片左右对换位置，则可看到相反的现象，圆比黑方块近。,立体视觉的产生与变化,实验4. 上述实验内容均为观察静态图片，也可以实验动态的立体景象。,下图（a）为利用Powerpoint绘制的互补色立体动画中的一帧，为两个相叠交的圆，左侧的圆为红色，右侧的圆为青色。在动画播放过程中，左右两圆分别相向运动，当两者位置互换后再反向运动，不断循环。观察者佩戴红、青互补色眼镜，将

41、看到一个黑色的圆环，由近及远，再由远及近，不断跳动。,动态的立体景象实验,图为两个相叠交的圆，左侧的圆为红色，右侧的圆为青色。在动画播放过程中，左右两圆分别相向运动，当两者位置互换后再反向运动，不断循环。观察者佩戴红、青互补色眼镜，将看到一个黑色的圆环，由近及远，再由远及近，不断跳动。,“狮子钻火圈”立体动画实验,实验5. 可以设计如右图 (c)所示的立体动画观察箱，其结构为中间带隔板的斗状暗箱，其开口大小形状与计算机显示屏相同。暗箱底装有两个目镜，目镜中心距d取人眼瞳孔间距平均值65mm，目镜与斗底开口平面(计算机显示屏所处位置)距离f为目镜的焦距。,使用时将斗状暗箱的开口紧贴计算机显示屏，

42、实验者两眼分别通过两个目镜观察计算机屏幕上显示的动画。 由于暗箱中间的隔板将显示屏分割为大小相同的左右两半，左右两眼各看到半个屏幕的图像，获得的总印象是两半图像叠加的结果。图 (b)为利用Powerpoint绘制的彩色立体动画中的一帧，在动画播放过程中，两个红色的圆环位置固定，两个狮子头部在各自的圆环内不断重复相互靠近再远离的循环运动。暗箱隔板将两个圆环隔开，观察者将看到狮子头部不断地从远处向近处移动，并穿过红色的圆环，故将此实验命名为“狮子钻火圈” 。如果在计算机屏幕的左右两半区域中分别同时显示两台摄像机从左右两个角度同时拍摄的同一场景,借助上图 (c)所示的立体镜箱,就可以 看到彩色立体电

43、影。,6.4.2 立体变画的一般制作方法,一、 选择图像 1、图像的清晰度。 2、图像的色彩要求。 二、构建空间感强的平面图像 1、图像层次分明、色彩丰富。 2、图层数量越少越好。 3、在画面中，前景背景有强烈的可对比性。 4、对于要特写的物体，其本身一定要具有极强的空间。 5、减小相邻层中的物体之间的可对比度。 6、层与层之间要有明显的色差。 7、同种类的物体，对比性极强。,三、立体图像制作具备的条件 1、多张有一定视差的系列图像，通过一组光线分离器（光栅）将不同图像分别映入左右眼。 2、立体图像制作就是将多张有一定视差的系列图像巧妙地安排到一张平面图中，输出出来，与一组光线分离器（光栅）相

44、结合到一起，形成立体图像。 3、立体图像制作流程 1)获取多张有一定视差的系列图像，有记录图像和模拟图像两种方式。 2)根据需要，选择一种光栅。 3)通过计算机，将多张有一定视差的系列图像，处理成与选择光栅相匹配的光栅图像。 4)输出光栅化的图像。 5)将光栅化的图像与选择的光栅结合到一起，制 成立体图像。,四、光栅基础 1、光栅：光栅是一组光栅单元（光线分离器）组成的，最初的光栅很像栅栏，形象地称为光栅。 光栅种类：光栅的种类很多，市场上常见的有狭缝光栅和柱镜光栅，柱镜光栅又分为膜材、片材、板材。 2、光栅参数 1)光栅单元（光线分离器）：它是组成光栅的基本单位。 2)栅距（线距）：组成光栅

45、的基本单位（光线分离器）的宽度。 3)光栅线数：一英寸内光栅的基本单位（光线分离器）个数。 4)聚焦：光栅与光栅图像成像最佳(最清晰)距离。,五、作图参数 1、镜头数:合成立体图像需要相似照片数。 2、分辨率：一个光栅栅距内排列X个像素点时的分辨率，称为该光栅X镜头的分辨率。 六、立体类型 1、实拍立体（真立体）：用立体相机通过单镜头多次拍摄或多镜头一次拍摄出来的图,进行合成产生的立体。 2、仿实拍立体（仿真立体）：模仿实拍效果图的软件，做出几乎和实拍立体一样的效果。 3、层次立体（假立体）：通过PS把物体的前后景进行错位移动而产生的立体，这种立体层本身没有立体感，只是层与层间有距离感。,6.

46、4.3 三变图像设计,一、三变图像布局 1、 打开三幅有景物的分层图。 三幅有景物的分层图,2、将三幅图拖动到一个图像文件中，使其成为有三幅图像的三层图。 二、图像调整 设置分辨率75.2像素/厘米，宽高自己定。 三、做三变光栅层 1、新建图层。 2、隐藏其它图层。 3、将视图放至最大。4、选择单列选框工具，在画布上单击。5、点选铅笔工具，在选区上单击。,调整位置后的图像分层图,6、按着Ctrl+Alt键，点右方向键位4次。7、放开Ctrl+Alt键，点右方向键位2次。8、选择矩形选框工具，框选4个黑色和2个透明，宽度为6个像素的矩形区域。9、编辑定义图案，点好。10、全选然后删除，取消选择。

47、11、编辑填充，选择刚才定义的图案，点好。12、隐藏光栅层。,三变光栅层,四、三变图像的处理 1、选择做三变里的其中一个图层，其它图层隐藏。 2、载入光栅层选区（按着Ctrl键单击光栅层），点删除（Delete）。 3、选择矩形选框工具，然后左移2下。 4、再选择到另一个图层，点删除(按Delete键)。左移2下 5、再选择到最后一个图层，点删除(按Delete键)。 6、取消选择（Ctrl+D）。,载入光栅层选区， 删除处理后的图像,五、合并可见图层。 六、删除光栅层。,处理完毕后的图像效果图,图片放大细节,6.4.5 空白像素在变画中的应用,一、图像调整,制作留白变的两幅图像,调整如上例，

48、调整完毕后要将图像旋转90度（顺时针） 。,旋转90 度的两幅图像,旋转90度图像,二、做二变光栅层 步骤同三变。 三、二变图像的处理 步骤同三变，需要注意的不同是：载入光栅层选区，删除后，选矩形选框工具,需要按左方向键3次，选择二变的另外一个图层，删除。 四、合并可见图层 五、删除光栅层 六、旋转图像90度（逆时针）,图片放大细节,6.4.4 彩虹图像设计,一、图像调整（同三变） 二、做光栅层（同三变） 三、彩虹图像的处理 操作步骤同旋转，需注意不同的操作是步骤2和3：复制一个图层，色相饱和度（Ctrl+U）,调整颜色。 四、合并可见图层 五、删除光栅层,作彩虹的分层图,彩虹变图像效果图,1 什么是人眼的汇聚功能，汇聚对立体视觉的形成有何作用。 2单眼视差和双眼视差分别有什么特点。 3深度形成的两种因素的各自作用是什么。 4为何无论天上飞的、地上跑的、水里游的动物都有双眼，而且双眼均置于水平位置上，却没有上下位置或前后位置的双眼。 5为何都是用裸眼，看平面化的照片无立体感，但看与照片相同的景物却有立体感，而在平面化的立体电影中看同样景物也有立体感？ 6立体电影中的色分法与时分法有哪些优缺点？ 7立体电影中的偏振法与立体电视中的视差照明式有何区别？ 8立体三维显示技术有哪些分类？ 9裸眼立体显示技术有哪些区别？ 10光栅式有哪些分类？狭缝光栅式又有哪些分类？,6.5 思考与练习,