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3D立体影像世界解密

导读: 1977年拍摄的著名电影《星球大战》中,卢克第一次见到莱娅公主是通过一段影像。然而,与我们今天在屏幕上看到的图像不同,这段影像是立体的。


图1 人的左右两眼观看不同距离的物体时,看到的侧面是不一样的


图2 要在平面上构造出距离,就要合理利用人眼的视差来造成错觉

        1977年拍摄的著名电影《星球大战》中,卢克第一次见到莱娅公主是通过一段影像。然而,与我们今天在屏幕上看到的图像不同,这段影像是立体的。

        事实上,虽然我们一直在屏幕上欣赏电影和电视节目,并在游戏世界中放松,但是,我们始终无法获得能和真实世界相媲美的视觉体验。平面与立体的感受是完全不同的。

        不过,在2009年,人们已经能更加容易地欣赏到3D影像。一方面,像《闪电狗》这样的立体电影已经越来越多;另一方面,如优派在2009年初推出的 VX2265wm这样的立体显示器也开始出现,并将逐渐达到一个合理的价位。现在,普通用户只需要6000多元就可以拥有一套3D显示设备。

        但是,人类并非刚刚开始研究3D技术。早在1850年,对制作立体照片的研究就已经开始了。为何经过了150年,人们才能开始更容易地欣赏3D图像?实现立体显示为何比制造航天飞机还难?这一切要从人类的视觉特性说起。

        立体影像的3个条件

        也许有人尝试过这样一个游戏:闭上一只眼睛,仅用另一只眼睛视物,并试图将两个指尖对到一起。如果你这样做了,你会发现,这是非常困难的。实际上,双眼视物正是人们具有立体感的关键所在。交替开闭左右眼,你会发现你看到的物体会发生位移,这就是视差。当左右眼的图像返回大脑的时候,大脑会根据两眼所看到图像的不同自动合成分析出所看到物体与自己的距离。因此,一个3D显示装置必须能够产生一个左翼和右翼的鸟瞰图,并分别提交给适当的眼睛。这是3D显示最重要的一个方面。人们对3D显示的研发也是更多地围绕这一点展开的。

        需要注意的是,双眼看到的物体不仅仅是位置不同,角度也不同——左眼只能看到鼻子的左侧,右眼却只能看到右侧。因此,两幅图片中需要包含更多的细节。这也是制约3D电影发展的重要因素。
人们判断距离的第二个因素就是着色和阴影。远处的物体并不明显、亮度较差,且有朦胧感,而近处的物体更为清晰,在同等光照下也会更亮。

        另外,人们还会利用线性角度和运动视差来判断距离。对越远的物体,人们的视差越小,直到很难判断真正的距离。例如,人们观看云彩的时候,视差因素很小,人们只能通过线性角度——也就是近大远小,以及人们摆动头所获得的不同场景和参照物来判断距离。在这种情况下,人们可以判断出两个物体相对的远近,但判断的精确度非常差。这也是为何“看山容易上山难”的原因。

        成功的3D显示,必须兼顾到视差、着色和阴影、线性角度和运动视差3个因素。这需要硬件能够给两眼带来不同的画面,同时需要影像内容中具备更多的细节(不同侧面、不同的明暗度),因此,对硬件和软件都是一个考验。

        3D设备的尝试

        几十年前,也许有人已经看过了立体电影。观看这种电影时,你会领到一个一边是红色镜片、一边是绿色镜片的眼镜。通过这个奇怪的眼镜,你看到屏幕上的的世界发生了质的变化——飞机、坦克不可思议地从平板式的银幕里“冲”了出来,几乎触手可及。

        红绿眼镜是最简单的分离左右眼的方式之一。它利用的是红色镜片只能透过红光,绿色镜片只能透过绿光的特性,将左右眼进行了分离。这是实现3D的第一种方式:左右眼所看到的光线的分离。

        红绿眼镜的成本非常低廉,在很多儿童图书上会用红绿眼镜来实现图片的立体化,让儿童欣喜不已。然而,红绿眼镜也存在先天的缺陷,那就是,你看到的色彩总有一些不真实的感觉,尤其是物体的边缘(这些地方往往左右眼看到的细节不同)会只有一种色彩,使人产生一种晕眩的感觉。它的好处是,两眼看到的场景在时间上是并行并且连贯的,不会产生闪烁感,因而不会带来真正意义上的头晕和头痛。

        随着技术的进步,人们现在已经通过类似的思路开发出了不需要眼镜的3D显示设备。这种设备采取的是另一种思路:控制光线的方向,将不同的光线分别投入左右眼中。三洋电机公司设计的3D显示器的原理就是这样。在该设备上,三洋公司设计了多个条状遮光“图像分割棒(Image Splitter)”,通过有条件地遮挡光线,控制光线的方向,使用户的右眼和左眼分别只能看到右眼图像和左眼图像,以此实现立体效果。

        这种方式的缺点在于,只有在某个合适的距离和合适的角度范围内,才能实现较好的观赏效果。为了解决这一问题,三洋添加了可检测用户头部位置的“头部跟踪系统”,即使用户移动到了立体可视范围之外,也能相应地改变图像分割棒的开口部以便用户在移动后的位置上也能获得立体视觉效果。

        与此类似,飞利浦设计的3D液晶显示器,采用双凸透镜设计,使用户的左右眼可以选择性地看到9个视角的影像。不过,由于像素被分配到不同的眼睛,用户所看到物体的分辨率要小于屏幕的实际分辨率。

        实现3D的另一种方式是再造一个3D的屏幕。美国马萨诸塞州贝德福德市的实境系统公司(Actuality Systems)开发的“透视者”系统就是这样一个设备。它的外观酷似一个水晶球,球的最外部是一个透明的聚碳酸酯圆顶,内部则是一块直径约10英寸的圆形屏幕。它能以每分钟900圈的速度绕竖轴转动,从而形成一个完整的立体影像面——你从不同角度可以看物体的不同侧面,立体感也是非常真实的。你看到的深度实际上正是银幕转动过程中在不同的位置发出的光线,当然会有很好的立体感。

        不过,真实的立体影像需要非常强大的运算能力支持。平面需要展现的像素数是尺寸的平方,而立体影像需要展现的像素数是尺寸的立方。实境公司的首席技术官格雷格·E·法瓦洛罗(Gregg E. Favalora)说:“光是开发影像数据切片的算法,就花了我们三四年时间。

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