三維顯示:奇妙的人眼立體視覺

2021-01-15 科學出版社

立體視覺是人眼對看到的景象具有的深度感知能力，而這些感知能力又源自人眼可以提取出景象中的深度要素。


除了雙目視覺可產生立體感外，單眼看空間景物時，也能辨別物體的前後深度，具有一定的立體感。對於三維顯示技術，更為全面地了解眼睛的立體視覺因素具有重要的意義。現代心理學公認有十種要素來察覺像的深度，其中涉及生理機能的有四種，涉及心理暗示的有六種。



(1) 雙目視差(binocularparallax)。由於人的兩隻眼睛存在間距(平均值為65mm)，因此對於同一景物，左右眼的相對位置(relativeposition) 是不同的，這就產生了雙目視差，即左右眼看到的是有差異的圖像。

 

(2) 眼睛的適應性調節(accommodation)。人眼的適應性調節主要是指眼睛的主動調焦行為。眼睛的焦距是可以通過其內部構造中的晶狀體進行精細調節的，焦距的變化使我們可以看清楚遠近不同的景物和同一景物的不同部位。一般來說，人眼的最小焦距為1.7cm，沒有上限。而晶狀體的調節又是通過其附屬肌肉的收縮和舒張來實現的，肌肉的運動信息反饋給大腦有助於立體感的建立。即使我們用單眼觀看物體，這種立體感也是有的，所以可以說是單眼深度暗示。可是這種暗示只在與其他雙眼暗示組合在一起，而視距又在2m 之內時才是有效的。

 

(3) 單眼移動視差(motion parallax)。運動視差是由觀察者和景物發生相對運動所產生的，這種運動使景物的尺寸和位置在視網膜的投射發生變化，從而產生深度感。當用一隻眼睛看一個固定物體時，則調節就成為對深度感的唯一有效暗示。可是，如果觀看位置是允許移動的，我們就可利用雙目視差這種效應從各個方向觀看物體。這個效應就稱為單眼移動視差。特別重要的是，當觀看者移動得相當快速時，如坐在飛機上或極快的列車上，更是如此。

 

(4) 會聚(convergence)。當雙眼觀看物體上的一點時，兩隻眼睛的視軸將會聚，兩視軸的夾角稱為會聚角。對於空間不同物點，視軸將發生變化，為實現這種會聚，人眼肌肉需要牽引眼球轉動，肌肉的活動反饋到人腦時就會給出一種深度感覺。實驗表明，在適應性調節和會聚之間是存在著相互作用的，一方面對應於一定距離的會聚信息自動地引起一定程度的調節，另一方面調節的信息也影響會聚。這一效應可由簡單實驗來證明，即我們先遮住一眼，移動另一眼所注視的物體，當物體的距離突然由無限遠改變為20cm時，則會聚需要有0.2»0.3s 時間才能對調節所給出的距離信息作出響應。

 


(1) 視網膜像的相對大小。同樣大小的物體，當觀看距離不同時，在視網膜上成像的大小也不相同，距離越遠，視網膜像越小，見圖1。或者說，視線方向上平行線上對應兩點隨著視距的增大，在視網膜上所成像點的距離線性減小。由此，可通過比較視網膜像的大小來判斷物體的前後關係。



（a）



（b）

 圖1 線性透視


(2) 根據視覺這一現象形成了一種繪畫方法||線性透視法，透視法是在平面上表現立體感的最有效的方法，在繪畫藝術中被廣泛採用。但對於傳統的中國畫，不太遵循透視繪畫原理，例如在著名的韓熙載夜宴圖中(圖2(a))，人物的大小看起來不是很協調，這是一種透視錯覺，其原理如圖2(b)所示，圖中人物的圖像尺寸是一樣的，但看起來遠處大一些。


 
圖2 透視錯覺


(3)視野。人眼的視野很寬，水平方向約220±，垂直方向約130±，呈橢圓形。但在通常的顯示方式中，圖框均在視野之內，因此缺乏立體視覺的身臨其境感。為此，增大畫框或者使畫框不清楚，可以增強立體感。例如，寬銀幕電影的立體感就比窄銀幕的強，而全景電影由於沒有畫框，立體感更強。


 
圖3 空氣透視


(4)光和陰影。物體上光亮部分和陰影部分的適當分配可以改變或增強立體感，陰影及影子對深度感也是心理學上重要的暗示。

 

(5)空氣透視。對於同一場景，近處的景物比遠處的景物或多或少有些模糊，這樣也可以產生深度暗示。景物越遠，其發出的光線被空氣中的微粒(如塵埃、煙、水汽) 散射越多，因而顯得越模糊, 如圖3所示。

 

(6)重疊。當景物有相互遮擋時，也會產生深度暗示，如圖4所示，包含球體、柱體和立方體三個幾何體，三個幾何體在不同遮擋情況下將產生不同的立體視覺。


 

圖4 重疊產生的深度視覺


深度感的生理機能是三維顯示最重要的依據，而心理學暗示所產生的立體感一般用於平面顯示技術之中，如繪畫和立體畫(圖5)，圖中在地上爬的兩個人中一個是真實的人，而另一個卻是畫在地面上的。以心理學暗示或主觀經驗對圖像產生的立體知覺不存在視差，即兩隻眼睛看到的圖像是一樣的，當然更不能期望通過移動眼睛或圖片去看到物體的不同側面。



圖5 立體繪畫

 

 


本文由王芳摘編自王輝著《波前再現三維顯示》（北京：科學出版社，2016）一書，內容有刪節。



ISBN 978-7-03-049542-6


基於光的波前三維重構技術是最忠實、最完美的三維顯示技術，而全息術是實現波前重構三維顯示最有效的手段。隨著計算機和光電成像技術的飛速發展，各種新穎的全息三維顯示技術相繼出現，本書試圖對已有全息顯示理論和技術作一個總結。首先介紹與三維顯示相關的一些基本問題，包括人眼的視覺特性、各類三維顯示技術的基本原理、物光波傳播理論及其信息量等問題；然後闡述光學全息、數字全息和彩色全息的基本原理以及各類全息三維顯示的最新理論和技術；最後對全息三維顯示的實用技術進行詳細討論，包括全息三維顯示的顏色信息的傳遞與評價、全息動態三維顯示以及各類全息圖列印輸出技術。

 

本書既是高新技術推廣的專著，也是學術研究的重要參考資料，可作為大專院校光信息科學專業以及光學工程類專業的研究生、本科生的教材或參考書，也可供顯示技術領域工作者參考。


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