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立体显示系统原理及相关技术
2010年1月22日    评论:    分享:

    来源:深圳市掌网立体时代视讯技术有限公司

来源: 深圳市掌网立体时代视讯技术有限公司

    表现景物三维空间的一种摄影方法。通过摄制两幅不同视点的影像,各由相应眼睛观看,以模拟三维效果。拍摄工具有标准型立体照相机,也有在单镜头相机上装配立体附加镜;普通照相机运用左右移动的方法也能拍摄。

    原理篇

    让我们用人类的视觉来理解一下立体摄影的技术原理。人类的眼睛就像是一套完全自动的数码相机,具有变焦镜头、可变光圈以及能将光信号转变成大脑可以识别的电信号。本质上,单只眼睛看到的只是物体的二维图像,我们能够分辨出它的高和宽,而无法识别它的深度;在二维图像中,利用物体提供的有关尺寸和重叠等视觉线索,我们可以判断出位于背景前这些物体的前后排列次序,但是却无法知道它们之间究竟距离多远。

    幸好我们人类拥有了两只眼睛,并且都长在前面的脸部,呈水平排列,间隔约为60mm。在我们看同一物体时,由于所处的角度有略微不同,两只眼睛看到的图像还是有略微差别的,我们的大脑将这两幅画面综合在一起,形成一种深度的视觉。这个综合处理的过程十分迅速,并且天衣无缝,产生的视觉感受就像是我们在透过一只大眼睛看东西。

    更为重要的是,大脑能够根据接受到的两幅图像中同一物体之间位差的大小判断出此物体的深度和远近,距离眼睛越远,位差就越小,反之就越大。示意图中显示了这个过程的工作原理:(当我们观看无穷远的景物时)遥远的太阳在两幅图像中的位置(几乎)是相同,但是近处的树的位置就有1/4英寸的差别了。

    这整个过程就被称为是立体视觉(stereovision),起源于希腊语中的"stereos",意思是具有三维结构的形状或固体等。立体视法(Stereoscopy)就是指同一物体的两张具有轻微角度差别的照片放在一起(分别用左右双眼)观看,得到一种深度的感觉,从而产生规立体视觉的方法。那么(最基本)立体摄影就是(模拟双眼的位置)从左右两个具有轻微角度差异的观察点分别拍摄同一个物体,然后将这两幅照片以同样的方式展示出来,让左右眼睛分别观看左视觉和右视觉的照片(来获得立体再现)。

    这两个观察点之间的距离称为立体间隔(stereoseparation),这个间隔通常为人类双眼的平均间距63mm,不过不是十分严格的,因为我们的大脑能够进行自动补偿,但是如果过大就会造成无法"合成"的画面(过小就会失去立体感)。在进行立体拍摄时,相机需要对准同一背景前的同一被摄物体。一个简单的用以保证两次拍摄时有同样的水平和高度的方位是:在第一次拍摄时,注意背景场景中比较有特征的物体,然后在第二次拍摄时,将它安排在画面中同样的位置。

    为了产生必需的立体间隔,拍摄时相机的间隔需要根据被摄物体的远近作相应的调整,拍摄距离近的物体时,间隔就小一点,反之就大一点。当然,对于这样的大小不一的拍摄间隔,我们的大脑能够进行自动补正(从而产生不同程度的立体感)。这也同时说明了为什么远距离的物体就会失去立体视觉的原因(因为我们实际拍摄条件所限,立体间隔无法达到足够的大)。而在观看近距离的物体时,人类的眼睛就无法(同时)对远距离的目标进行聚焦,也就失去了对远距离物体的立体视觉。所以为了获得理想的三维立体效果,我们在拍摄风光时就需要将立体间隔设置的很大,而在拍摄近距离以及微距摄影时,立体间隔就有可能缩小到几十分之一英寸。

    在拍摄这些比较极端的场合时还没有严格而又快速的规则可以引用,只能是根据经验找出适合被摄物体和相机配置的间隔。而关于立体摄影的实用指导也是众说纷纭,就像John Hedgecoe,他推荐在拍摄远距离物体时,采用相机到被摄物体距离的1/50作为立体摄影间隔,在近距离拍摄时采用1/4距离作为立体拍摄间隔,不过有人却建议采用1/30距离。DennisBrown则使用了另一套不同的法则来确定最佳的立体间隔,他认为在背景距离保持不变的前提下,立体间隔要随着前景或者被摄主体的距离每1/4英寸(约6mm)变换一次。根据不同的被摄距离和相机镜头焦距,他计算出需要变换的阶梯数量并制作了一个换算表格。

    1、立体成像原理: 
    1.1、立体感的形成:

   
我们知道,人们观察万物之所以呈现立体状态是由于人的双眼视差效应棗即物光进入双眼在视网膜上成像。由于两眼相距一定距离,在两眼底所形成的两幅图像是基本相同的但又稍有差异而存在一定视差,经大脑综合后就形成了一幅立体图像。立体照像装置就利用了双眼的这种视差特性。人的大脑在综合两眼的图像信息时,其中一个很重要的因素,就是物点光线的入射方向,人眼可根据各物点发射(或反射)到人眼光线的方向,判定该物点的方位及远近。

    1.2、立体照片的深度感的形成:

      ( 1)平面照片形不成深度感原因:

    设C为平面M上任一物点,该点发出的光线(反射光线)在M上方空间是向四周发射的,进入双眼的光线为CA、CB,人眼凭这两条光线,可判定C点在平面M上。对平面M上的其它任何点,由于均有两条光线到达人的双眼,所以人眼可以判定M上的所有的点均在同一水平面上。


     (2)立体照片上的深度感的形成:

    立体照片与平面照片的关键区别在于立体照片表面为一层光栅(柱镜光栅或狭缝光栅),这层光栅的作用是使得平面上的任何一点的光线只能按特定的方位出射,而不是向四周出射。如图二所示,设A、B为特征相同的两个点,如A点发出的光线只能到达左眼,而B点发出的光线只能到达右眼,人眼凭这两条光线就会形成一种错觉,认为这两点是一个点C,C点在平面M以下,既形成远景。如果A点发出的光线只能到达右眼,而B点发出的光线只能到达左眼,如图三,人眼就会认为C点浮出在平面M上,既形成近景。


    (3)柱镜光栅原理:
    柱镜光栅使得平面上不同点的像,出射光线的方向在一个特定范围以内。如图四所示,A点的像只能沿AA’出射,B点的像只能沿BB’出射。这样可使进入左、右眼的像不同。

    2、立体相片的制作:
    2.1、立体照相机 

    立体照相机原理如图四:D为双镜头立体照相机;F1、F2为相同的两镜头;L为两镜头间距,相当于人眼的瞳距;C为景物;拍摄时同时在底片E上得到有一定差异的A、B两张曝光底片,相当于人双眼的视差。这种底片经扫描数字化后由软件处理,按特定方法合成打印到同一张相纸上,覆上光栅,由于光栅的折射效应,将不同入射角的成像光在相纸的不同位置的像反射出来,即可获得优美的光栅立体照片。

    当我们以最佳距离观看立体相片时,由于两眼位置不同,经光栅选择,使进入左眼、右眼的画面分别为A、B像,由于两像存在视差,我们就会感觉出相片图像的立体感来。这种立体摄影基本上仍采用常规成熟的摄影模式,冲、摄与普通彩色相片相近,故图像制作成本低,色彩还原好。

    为了使立体观察效果更宽、更逼真,采用较多镜头可得到更多图对:两镜头可得两个图对(对应两张底片),三镜头可得三个图对(对应三张底片),而四镜头可组合得到六个图对(四张底片),图对越多,立体感越强。


立体摄影物距对应表(单位CM)

摄影景物的距离

立体基线宽度

400以下

2-3

400

7

700

14

1500

30

3000

60

6000

120

10000

200

50000

1000

100000

2000

    2、2立体合成软件与光栅
    制作立体相片的关键是立体合成软件和柱镜光栅。立体照片的制作是将多幅底片的像,按特定方法合成到同一张写真相纸上;由于多幅底片是对同一景物在不同位置拍摄的,因而这一批底片是基本相同的,但又略有差异的。合成时要考虑许多因素,要避免“双眼深度反转”,以及分裂过大造成的眼花现象。我们在光栅法立体摄影理论及实践都已取得重大突破,解决了立体成像的生理参数与机器参数间的关系,完善了一套立体成像技术理论模型。根据这一理论设计的立体合成软件采用计算机技术和精密打印等技术,使其进入商业化推广成为可能。目前立体合成软件除可制作立体相片外,也可轻松制作大幅立体广告。

    数码篇

    数码立体摄影俗称立体实拍,是目前国际最流行的立体影像制作方式,是运用普通数码相机一次拍摄多张角度不同的照片,经过专业的合成技术合成输出装裱后,就成了一幅栩栩如生的立体摄影像。与平面转立体相比,它的特点是焦点物体圆润厚实、立体感强、活灵活现;与多镜头光学立体摄影比相,它具有成本低,效果好,操作简便,成品率高,减少了制作环节。影楼、广告公司、摄影爱好者只要掌握了数码立体摄影技术,不用添置设备,用现有的数码相机就能完成摄影技术的升级换代。数码立体摄影技术的引进,为立体婚纱摄影、广告界提供了最佳的技术解决方案,必将引起摄影和广告行业的技术性革命。

    应用篇

    立体摄影最早是应用在军事侦察、航空摄影及立体电影。由于科技的进步,特别是精密打印,光学及微电子技术的发展才使立体摄影进入家庭成为可能。除在民用上可拍摄豪华立体婚纱、艺术相片外,还可专业制作大型立体广告灯箱,精美贺年片及产品防伪标签,也可制造不千胶贴及旅游纪念品。目前立体摄影技术己外延发展有:光栅立体画、动画、变画、旋转等等,其实技术都来源与光栅立体摄影技术,因此,搞清了光栅立体摄影技术,其他所有光栅立体技术都将迎刃而解,立体摄影技术是影像世界的一次革命,将带来新的市场和发展机会。更有众多的立体产品等待我们去开发,去创造,其应用领域必将更为广阔。

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