2020-09-25 00:01:49

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工程与技术科学基础学科
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3D影像是通过视差看到的立体影像,利用人的双眼立体视觉原理,使观众能从视频媒介上获得三维空间影像,从而使观众有身临其境的感觉。

基本信息

  • 特点

    比2D真实感更强

  • 原理

    人双眼立体视觉原理

目录

折叠 编辑本段 概念

3D指的是三维空间,D是英文Dimension 的首字,即线度、维的意思,国际上用3D来表示立体影像

从去年底开始,不论是3D电影、3D电视、3D电脑游戏甚至大家最疯狂的世界杯足球赛事都要疯3D,从皮克斯十多年前的《玩具总动员》电影开始,就已经开启了3D动画的新纪元,在更小的时候,我们早就带着一种小小像纸片一样的眼镜进电影院看3D电影,为何过了十来年,所谓的3D视听享受又袭卷而来,尤其是电影好像没有3D特效,高端电视如果没有3D效果,就同过中秋不烤肉一般,感觉生活就是少了一个味-让影像更加立体的感官滋味。 我们见到各式的3D视觉,其实是一种立体视觉,我们用一个简单的例子来说明,拍照的时候我们喜欢拍一种照片-前面是人像,后面是美丽的风景,但这时候风景和人像是贴在一起的,彼此没有强烈的距离感。

好,如果我们把一张照片用立体的方式分成两张照片,一张人像离你的眼睛比较近,一张风景离你比较远。那我们将身体左倾斜45度来看这个影像,远近的感觉会更清楚,而且后面的风景感觉会远一点;相对的,如果我们往右倾斜45度来看这组照片,也有同样的感觉。神奇的事情出现啰!如果把左倾和右倾看到的影像融合在一起,脑袋里就会出现人像浮在你眼前,风景在背后的立体感。我们在戏院或电视前看到的立体感,就是所谓的3D显像,所以与其说看3D影音,其实就是就是通过视差看到的立体影像

概念是如此,但天才的开发者透过各式各样的技术让观众感受到影像的立体感,从小时候就开始玩的斗鸡眼看图片、去电影院戴上红篮镜片、墨绿黑色的偏光镜到家里高级3D电视的快门镜,这些让影像立体化的技术不论新或旧,仍然活生生的出现在你我的眼前。

3D影像与普通影像区别

3D影像与普通影像的区别在于它利用人的双眼立体视觉原理,使观众能从视频媒介上获得三维空间影像,从而使观众有身临其境的感觉。观众看到的影像和真实物体感觉接近,真实感强。特别是震撼画面让人感觉身临其境,恍如一切就在身边。3D的真实感使得其比2D画面更具震撼力。

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视觉移位创造真实场景

要说3D影像因何而生?归结起来就是"视觉移位"。下面我们就从观看世界最重要的--眼睛谈起。人的两眼左右相隔在6厘米左右,这意味着假如你看着一个物体,两只眼睛是从左右两个视点分别观看的。左眼将看到物体的左侧,而右眼则会看到她的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时,左右两面的印象合起来,就会得到最后的立体感觉。而这种获得立体感的效应就是"视觉位移"。

而拍摄影像时,只要用两台摄影机模拟左右两眼视差,分别拍摄两条影片,然后将这两条影片同时放映到银幕上,放映时加入必要的技术手段,让观众左眼只能看到左眼图像,右眼只能看到右眼图像。最后两幅图像经过大脑叠合后,我们就能看到具有立体纵深感的画面。 这就是我们所说的3D影像。下面就来说说几种不同原理的3D。

早期黑白立体影像:红绿滤色透镜

这种眼镜我估计大家都见过,小时候这种眼镜已经非常常见了。我们可以自己试着分别用红笔和绿笔在一张白纸上写字,透过红色镜片后,白纸也变成了红色,眼睛就看不到红色笔写下的字,但是可以看到绿笔写下的字。而透过绿色镜片看纸当然就看不到绿字,只能看到红笔的字迹。根据这个原理通过红绿眼镜的过滤处理,两只眼睛各自就看到了,由两部摄影机拍摄的不太一样的画面,最终两幅画面的叠加就形成了立体视觉,这是早期立体电影红绿滤色透镜技术。这种技术实现起来比较简单,而且造价低廉。

早期彩色立体影像:分像偏光立体影像

这也是一种常见的立体成像方法,普通的光线是沿波浪状路线前进的,就如人抖动一条长绳一样。如果让光波通过一种特制的镜片,只允许某一种特定的振动光波通过,就好像给波动的绳子设置栅栏一样,结果使波动的绳子只能通过垂直方向的栅栏,而不能通过平行方向的栅栏。这种特制的镜片就称为"偏光镜"。而早期彩色立体电影的效果就是利用光的偏振现象形成的。立体电影利用一左一右两架摄像机同时拍摄同一景物,放映时使用两架放映机,各套上一个偏振镜,把两个偏振光的影像同时放映在银幕上,两个偏振光的振动方向就能互成直角。观众在观看电影时要戴上特制的偏光眼镜,而左右两镜片透过的偏振光振动方向互相垂直,能通过左眼的偏振光就不能通过右眼,而能通过右眼的偏振光就不能通过左眼,这样一来,左眼的镜片只允许左方摄像机的影像通过,而右眼的镜片只允许右方摄像机的影像通过,最后,彩色立体影像出现了。

最方便的观看:裸眼3D立体图像

对于已经是近视的朋友来说,再戴一副3D眼镜真的非常痛苦,而最理想的3D观影效果是什么哪?肯定是裸眼就能看出3D效果。日本富士胶卷公司已发售可拍摄3D照片和录像的数码相机。这是全球首款不必使用专业眼镜、用肉眼就可以享受立体图像的数码相机。这款相机拥有两个富士珑镜头和两个CCD传感器。相机本体上的两个镜头可以从差别很小的两个角度同时拍摄两个画面,通过新开发的画像处理技术将两个画面合成后即可产生3D效果。用户不用戴特殊的眼镜,在相机背面2.8英寸的液晶显示屏上就能看到立体的照片和录像。任何人只要按下快门,就可以拍摄出立体效果。除了相机自带的显示屏外,用户还可通过零售的专用数码相册观看拍摄的3D照片和录像。此外,富士胶卷还提供3D照片冲洗业务,使用特有镀膜技术控制光线传播方向,实现裸眼3D效果。

"裸眼"3D技术还没有成熟,但已经有一些家电厂商研制了一些不戴眼镜就能看到立体影像的电视机,另外科学家们也在尝试利用全息成像技术来实现立体效果,后者已经在一些大型活动中成功运用。而在影院方面,美国Real D公司宣布要在10年内让观众摘下3D眼镜直接观看立体电影,到那个时候,观众观看3D电影将会更加便捷和舒畅。

3D影像是如何在大脑中形成

3D电影和3D电视逐渐普及,不仅给我们带来视觉上的震撼,也给我们带来一系列的问题。我们生活在三维立体的世界中,理所当然应该用立体的眼光来看世界,3D技术的诞生,是视觉需求与科技发展高度结合的产物。那么,3D影像是如何在大脑中形成的?3D电影和3D电视对我们的身体、特别是眼睛有何影响呢?

3D是三维立体的简称,表明物体在空间有3个方向分布,即物体的左右方向、上下方向和前后方向。我们的眼睛观察物体时,不仅能够看到物体的长度和高度,也能看到物体的深度。这是因为我们两眼的观看角度不同,这种差别由视网膜传至大脑,就能区分出物体的前后远近,产生立体感,这就是立体视觉。

我们用照片、电视和电影记录时,将现实中的三维立体实景转变为二维平面影像。如果我们想要从平面影像中看到立体影像,需要把同样一个影像,根据两眼视角的差距制造出两个影像,让两眼分别看到一个影像,通过大脑的融合,产生立体感。有三种方法可将平面影像变为立体影像,即眼睛模式、眼镜模式和屏幕模式。

眼睛模式是一种裸眼模式。我们眼睛转动是两眼同步同方向进行,向左看,都向左转;向上看,都向上转。只有一种情况,两眼向相反方向转动,即两眼可以向内转。这是眼球辐辏作用,是适应看近而特有的功能。 有一种三维立体画,由一系列重复的图案组成,当眼球高度内聚、形成"对眼"时,就看到了立体的影像。此方法也可观看立体电影,用"对眼"观看并排放映的相同内容电影片段时,可看到三个影像,中间的影像为立体的。这种模式只能短时间使用,时间长了会造成视力疲劳

眼镜模式是通过眼镜使我们产生立体感,常见有色差方法、偏光方法和快门方法。色差方法在早期的立体电影中较为常用,通过滤光片,使双眼分别看到同一物体的不同颜色,产生立体感。偏光方法是将水平方向和垂直方向的偏振光通过偏光镜分别进行两眼中,产生立体感。快门方法是佩戴快门式眼镜,控制眼镜的开合,分别让我们分别看到左右眼的图像,在大脑中形成3D影像。影院多采用偏光方法,而3D电视采用偏光和快门两种方法。

屏幕模式是把双眼立体成像的任务交给了屏幕,是更高级的裸眼模式,一般用于电视、手机和游戏机等,主要使用视差障壁技术和柱状透镜技术。两种技术的共同特点,是通过改造屏幕将两眼的可视画面分开,使左眼看到"左眼图像",使右眼看到"右眼图像",通过大脑的融合,使我们看到3D影像。这是3D电视的未来方向。

上述三种模式是将平面影像转为立体影像,还有一种观看立体影像的方式为全息模式。全息影像是将三维立体物体用光的形式表现出来,可以表现的微妙微翘,它可从各个方向进行观察,是一种纯立体的模式。它是虚拟的,只能看到,不能触到。生活中也存在这种全息影像,那就是海市蜃楼。这种模式在电影的制作中较为常用,它可表现出真实世界不存在景像,丰富了人们的生活。

并非所有人都能看到立体影像。有部分人患有立体盲,不能产生立体视觉。还有部分人立体视觉异常,或双眼视力相差很大,很难产生立体视觉。这部分人最好不要看3D电影和电视。

有部分人看完3D电影后,出现恶心、头晕,眼睛干涩、酸痛等症状,甚至出现了青光眼急性发作。观看3D电影本身对眼不会造成危害,有人看完3D电影后会有恶心、头晕现象,可能与影院强烈声光特效和影片清晰度等因素有关。眼睛干涩、酸痛可能与长时间观看屏幕、眨眼少有关。青光眼急性发作与影院的暗环境有关,在黑暗的环境下,房角窄的人都易发生青光眼,在影院看普通电影也可发生。

大家比较关心是看3D电视对眼的影响。大多数人很少去影院,而多在家中看电视,从看2D电视改为看3D电视是对生活品质的大大提升,但人们对眼花缭乱的3D电视不知如何选择。3D电视主要分为分时模式和分光模式。分时模式利用的是主动快门式眼镜实现3D效果。电视屏幕上左右眼的图像按时间顺序播放,配合眼镜的开合,使右眼只看到"右眼图像",左眼只看到"左眼图像",在大脑中合成3D视觉。这种模式对图像清晰度无影响,由于左右眼播放图像的快速变换,会造成闪烁。分光模式是将电视屏幕贴上偏振膜,使电视出来的光线只有水平偏振光和垂直偏振光,再配合偏振眼镜,使两眼看到不同方向的偏振光,在大脑中形成3D视觉。这种模式由于图像采用了上下格式、左右格式或水平交错格式等压缩方法,会对图像的清晰度造成影响,但由于没有图像的变换,不闪烁,也称为不闪式3D电视。看3D电视不同于影院看3D电影,音响和室内灯光可自由调节,看电视期间可随意走动,因此,看3D电影出现的眼及全身的问题,在看3D电视时可能较少出现。有专家分析指出,3D的视觉效果与平时我们双眼看到的真实的3D不完全相同,要适应这种变化,需要更多大脑的融合力,从而容易导致头疼;眼睛为适应这种变化,会过度调节,从而造成视力疲劳

3D影片是用相邻的两台摄像机分别拍摄出"左眼图像"和"右眼图像",左右眼分别同时看到自己的图像才能形成3D影像,日前3D电视的分时播放和分光播放都有不足之处。理想的3D电视应是对人眼立体视觉的全面模拟,我们期待裸眼3D电视解决这些问题,这将人工立体视觉的最高境界。

技术分类

3D显示技术可以分为眼镜式和裸眼式两大类。裸眼3D主要用于公用商务场合,将来还会应用到手机等便携式设备上。而在家用消费领域,无论是显示器、投影机或者电视,都是需要配合3D眼镜使用。 主流的眼镜式3D技术主要有两种类型:

不闪式3D

不闪式3D 电视方式是最接近我们实际感受立体感,最自然的方式。如同在电影院里享受生龙活虎的3D影像,能够同时看两个影像把分离左侧影像和右侧影像的特殊薄膜贴在3D电视表面和眼镜上。通过电视分离左右影像后同时送往眼镜,通过眼镜的过滤,把分离左右影像后送到各个眼睛,大脑再把这两个影像合成让人感受3D立体感。

不闪式3D的特点:

反而,担心子女过分贴近电视而影响眼健康的聪明父母而言,更喜欢遵守视听推荐距离我这个不闪式3D。而且,因为采用IPS硬屏面板所以在左右视角上都没有限制,不管是在哪个角度看都很鲜明,没有色变现象,而且不闪式3D电视在任何角度都能享受3D影像。

不闪式3D的优越性:

1.没有闪烁,能体现让眼睛非常舒适的3D影像。不闪式3D没有电力驱动,可舒适佩戴眼镜并且全然没有闪烁感。因此可以尽情享受让眼睛非常舒适的3D影像。看实际测量闪烁程度的数据就能知道数据几乎是零,不会有头晕的状态出现。

2.可视角度广,观看不闪式3D电视时只要是在推荐距离内,在任何角度观看,它的画面效果、色彩表现力都不打折扣,可以在没有角度限制的情况下去享受完美震撼的3D影像。

3.能够用轻便舒适的眼镜享受3D影像。不闪式3D眼镜轻便、价格合理,还可以使用夹套眼镜让配戴眼镜的人也能舒服使用。

4.体现没有重叠画面的3D影像。画面重叠现象是因为右侧影像进入左侧眼睛或左侧影像进入右侧眼睛而发生的。不闪式3D所使用的特殊薄膜分离左右影像后体现3D影像,所以不会发生画面重叠现象享受好像看到活生生的真实物体的立体影像。通过实际测量画面重叠的数据就能知道不闪式3D的重叠数据是人无法感知的水平。

5.体现没有画面拖拉现象的高清晰3D影像。不闪式3D能够体现1秒钟240张3D合成影像。所以在相同的时间里,不闪式3D能表现更多的画面情报而体现没有拖拉的高清晰立体影像。

有关视角方面,在视听推荐距离内观看时不闪式3D全然不成问题。比如,除了在一米以内站着、坐着或者用非常不正常的姿势观看电视以外,在3D电视视听推荐距离内观看时没有任何问题的。

快门式3D

快门式3D技术,英文为Active Shutter 3D,配合主动式快门3D眼镜使用。这种3D技术在电视和投影机上面应用得最为广泛,资源相对较多,而且图像效果出色,受到很多厂商推崇和采用,不过其匹配的3D眼镜价格较高。

快门式缺点:

1、戴上眼镜之后,亮度减少较多;

2、3D眼镜的开合频率被日光灯等发光影响导致3D眼镜快门的开合与左右图像不完全同步,会出现串扰重影现象,观看时建议关灯

3、快门式3D眼镜的售价基本在1000元左右,相对较贵,并且需要安装电池或充电使用。

3D影像实现方式

色分法

目前应用最普及的是色分法,这是利用不同颜色的影像重叠,然后利用红蓝眼镜来分离过滤过重叠影像,达到景深,好处是眼镜价格低廉,而且技术门槛低、设备要求低,总体成本低,不过效果最为普通。缺点:就是影像未能全色显示。

光分(偏振)法

制作3D立体电影,其中较为广泛采用的是光分法(或称偏光法)。它利用两个偏光轴互成90度的偏光镜,分别放在两部放映机镜头前,再将影像重叠,达到3D立体效果。眼镜方面,亦使用偏光镜片。不过,在拍摄制作及硬体设备,成本都较为偏高。缺点:影像需要和眼镜水平观看。

光分法

大部分3D电影院采用的就是光分3D技术。

时分法

时分法是效果最好的方式。它是利用时差来达到3D立体效果。它利用一台高频率的显示器,透过频繁的频率来快速切换左右影像;同时间,眼镜亦会将左右边镜片变得透光可视和关闭状态,左右反覆;令显示器中的重叠影像分别传到左右眼,透过视觉残影,使大脑计算成一幅3D立体影像。优点:全色显示、没有观看影像的位置问题。

3D影像的趋势

进入21世纪,标准化的产品和物美价廉的产品不再是消费者购买产品的一个重要消费理由,取而代之的是一种新兴的生活方式或体验,产品的时代已经结束,顾客时代已经悄然开始!展望未来3D影像产业的发展,从各种发展情势来分析,应该是会逐渐『蓬勃发展』,不会像以往那样『昙花一现』,所以全球在3D影像产品的发展,会有不错的成长率。以3D显示技术来看,大尺寸的都以戴眼镜技术为主,厂商认为大尺寸的裸眼技术尚未成熟,所以还无法推出消费者可以接受之大尺寸的裸眼3D的产品。

3D影像技术应用领域

3D影像技术的应用领域相当广阔,主要包括:3D电影后期制作,3D动漫制作,数字城市建设,宣传片,虚拟仿真幻影成像立体影院建设,3D游戏制作,展览展示,大型巡演活动,3D教学,3D医疗成像等领域。

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