立体三维显示与立体三维电视
平面二维显示图像缺乏立体感。在电视中，若增强显示图像的立体感，便会增强观看的效果，令人感到既逼真又清晰。在军用雷达及其他电子装备中，若实现了立体三维显示，便会将所要显示的景物直观而简便地显示出来。例如，利用机载雷达或舰用声纳水声设备观测地面或海底起伏的地形，若用立体三维显示来显示便十分简便。遗憾的是立体三维显示技术的发展一直进展缓慢，迄今付诸实用的立体三维显示产品真是屈指可数。
总的来说，立体三维显示基本上可分为如下两种方式：一是利用人眼的双目效应实现的立体三维显示；另一是借助全息摄影术来显示的立体三维图像。
一、双目效应与立体三维显示技术
1、何谓双目效应
众所周知，自然界景物映入人眼到达视网膜后，人们才能感知景物的形状。视网膜的作用如同照相底片一样，形成图像由分布在视网膜下的视觉神经传至大脑，经大脑皮层的综合反应，产生出景物的形象。视网膜微微凸出，近似于平面。双目效应如同双耳效应一样，众所周知，人的一只耳朵无法判断出物体实际存在的位置，只有两只耳朵同时使用，才能确定出物体实际存在的位置。那么，人眼如何产生出立体三维图像呢？据人体生理学家和心理学家研究证实，人眼能感知立体三维图像主要有如下三种因素：
（1）双目视差
双目视差主要担负着感知立体视觉的任务。当用摄像机从不同的角度拍摄同一景物时，所获得的图像会有一些微小的差异。与此同理，人的双眼相距约6.5㎝，人在用双眼观看物体时，左右眼视网膜上所成的像亦略有不同，左右眼分别观看到两幅略微不同的图像，经大脑皮层的综合反应便会产生出立体的感觉。
（2）会聚视差
人的左右眼观看同一物体时，两眼视轴相交会形成一个角度，称该角度为会聚角。要形成这一会聚角，人的双眼便需回转一定的角度，此时人眼纤毛体肌肉便需作一定的功。人的感觉器官能比较出纤毛体肌肉用力的强度，便会感知出物体实际存在的远近。左右眼在观看远近不同的两点时，产生出的会聚角会不一样，眼球转动的程度也不一样。这样便会有深度不同的感觉，即产生出立体感。通常来说，物体近会聚角较大；物体远会聚角则较小。
（3）自适应效应
在人眼观看不同的物体时，眼球晶状体的焦距会发生变化。同时，物体的远近差异还会改变眼球瞳孔的直径。称这种现象为人眼的自适应效应。眼球中的焦距和瞳孔的变化会引起感觉的差异，从而产生出立体感。
利用双目效应实现立体三维显示，方法是模拟人眼观看物体的状况，产生出左右两幅极为相似又略有不同的图像。显示时，应再现出左右两幅略有差异的图像，使左侧的图像进入左眼，右侧的图像进入右眼，便可使观看者产生出立体三维显示的感觉。
二、立体三维电视
自然界本来就是一个三维空间，自然界的所有景物都是立体状的。人眼观看自然界景物时，不仅能观看到景物的高度与宽度，而且还能分辨出景物的深度，产生出深度感，即人眼对自然界空间景物具有立体感，或者说人眼具有立体视觉。迄今使用的电视系统都仅能显示一个平面二维图像，故称其为平面二维电视。作为人眼视觉延伸的电视理应具有与人眼立体视觉相适应的功能，使观看者视觉获得立体图像的效果，这便是立体电视。立体电视能显示出景物在三维空间中的位置，即景物的高度、宽度及深度，故也称其为三维电视。
立体三维电视的研究与发展既以研究人眼立体视觉机理为依据，更是普通立体图像研究成果在电视中的应用。自电视问世以来，立体三维电视便是电视技术工作者梦寐以求追求实现的一个目标。20世纪50年代，在研究基于双目视差立体三维显示机理的立体电影的同时，对立体三维电视也开展了大量的研究，提出了众多双目视差式立体三维电视的方案。但作为立体三维广播电视，因要求与现有电视制式相兼容及使用简便等众多技术难点难以获得解决，致使立体三维广播电视的研究曾一度停顿，而电视的研究重点则转向实现彩色化。自20世纪60年代末起，随着电视彩色化的不断完善及新型立体三维图像显示技术即全息摄影术的问世，立体三维电视的研究再度活跃起来。特别是全息摄影术显示的立体三维图像，人们无需配戴眼镜便可观看到。若改变观看位置，还可观看到景物的侧面与背面。可见全息摄影术显示景物的立体感及逼真度达到了惊人的程度，使观看者具有身临其境的立体感和临场感。故利用全息立体显示技术的全息电视才是理想的立体三维电视，尽管全息电视目前还存在着众多的技术难点，但还是为立体三维电视的研究开拓了一条全新的技术途径。
（一）概述
立体三维电视的机理是以人眼的立体视觉为依据的。因而了解人眼的立体视觉机理，掌握立体视觉的规律，对理解立体三维电视的原理、组成及设计新型立体三维电视系统都是必不可少的。人类对立体视觉的研究已有悠久的历史，早在两千多年以前，就有人提出了立体视觉的定义，认为人眼观看空间景物时能直观地产生出深度感，是由于人的左、右眼从不同方位观看同一物体时，两眼获得的视像存在着一定差异而产生的。近年来，对人和动物的视觉机理，包括对人眼立体视觉的研究颇为活跃，进展颇快，形成了一门新的学科即生理光学。研究生理光学表明，人眼对三维空间物体辨认时，必须感知物体的距离及方向这两个分量。对人眼立体视觉的大量实验研究结果表明，作为感知距离及方向分量的因素颇多，正是这些因素形成了人眼的立体视觉。故称其为人的立体视觉因素。
（二）人的立体视觉因素
人类的实际经验及视觉的实验皆表明，不仅是人用双眼观看空间景物时具有立体感，就是用单眼观看空间景物时也能分辨出物体的前后深度，具有一定的立体感，只不过是分辨精度比用双眼时低，主体感效果较差。故人的立体视觉因素可分为如下两大类：单眼立体三维信息和双眼立体三维信息。
1、单眼立体三维信息
单眼立体三维信息是能使单眼产生立体视觉的因素。单眼立体视觉因素共有如下11种。
（1）调节效应
当人眼观看距离不同的物体时，为使物体能在视网膜上成像，人眼通过改变睫状肌的张弛程度来改变眼球晶状体的曲率，从而使晶状体凸透镜的焦距产生变化，达到视网膜上清晰成像。因此，睫状肌的张弛程度与物体离开人眼的距离有关。大脑依据睫状肌的张弛程度即可感知物体的绝对距离。此种为使被观看物体能在视网膜上成像，人眼睫状肌张弛状态所作的变化称为调节效应。调节效应属于人体的一种生理过程，这一视觉因素单独起作用时，距离超过5m便失效了。
（2）单眼运动视差
当观看者或被观看对象运动时，由于视线方向的连续变化，单眼的视网膜成像也不断发生变化，这样，借助时间顺序的比较便形成立体视觉。这种利用观看者与物体间的相对运动使空间物体的相互位置产生变化，从而判断出物体间的前后关系，相当于连续地从几个方向观看景物，类似于有几只眼睛观看景物的状况。当用单眼观看物体时，若眼睛位置不动，调节效应便是对深度感的唯一心理暗示，若允许观看位置移动的话，便可利用双眼视差这种效应从各个方向来观看物体，从而产生出深度感，这个效应便称为单眼运动视差。显然，单眼运动视差对静态物体不起作用。单眼运动视差这一视觉因素形成立体视觉的有效距离为300m以内。
（3）视网膜成像的相对大小
同样大小的物体，当观看距离不同时，在视网膜上成像的大小也不一样。距离越远，视网膜成像便越小。由此通过比较视网膜成像的相对大小来判断出物体的前后关系。这一视觉因素的有效距离为500m以内。
（4）线性透视
当景物中含有如走廊和轨道等平行线分量时，看起来这些平行线将会聚于视线远方的某一点。基于这一现象的绘图法称为透视法。透视法是在平面上表现远近感的最有效方法。在绘画艺术中被广为采用。实际上线性透视是视线方向平行线上对应两点随着视距的增大，在视网膜上所成像点距离线性减小的结果。
（5）空气透视
当观看远处弥漫着烟雾的风景物时，会令人有一种强烈的深度感。这是由于空气中的微粒对光的散射及吸收使景物的对比度随着距离的增大而下降所产生的。
（6）视野
人眼的视野颇宽，水平方向约220゜，垂直方向约130゜，呈一椭圆状。但在普通的显示方式中，画框皆在视野内，故缺乏立体视觉的身临其境感。为此，增大画面或使画框不清晰，可增强立体感，如宽银幕电影的立体感就比窄银幕的强，而全景电影由于没有画框，立体感更强。
（7）光及阴影
利用物体上光亮部分和阴影部分的适当分布可增强立体感。因此，利用添加阴影的方法可使二维图像产生出三维图像的立体感。
（8）重叠效应
当两个图像重叠、轮廓线相交时，有交点的轮廓线平滑连续的图像比轮廓线不连续的看起来更近。
除上述较重要的8种单眼视觉因素外，还有颜色等3种单眼视觉因素，在此不再赘述。值得指出的是，11种单眼立体视觉因素中，只有调节效应和单眼运动视差与人眼生理活动有关，其余的都是具有颇强的心理和经验因素。尽管如此，在绘画、摄影、普通电影及电视技术中仍普遍利用这些单眼立体视觉因素来表现图像的立体感。
2、双眼立体三维信息
人属于双眼动物。用双眼观看空间景物时，形成立体视觉的因素称为双眼立体三维信息。双眼立体三维信息是人眼立体视觉至关重要的因素，它包括双眼视差和辐辏。
（1）双眼视差
人的两眼相距5.8~7.2㎝，故用双眼同时观看同一物体时，左、右眼视线方位不同，物体在左、右眼视网膜上所成的像也稍有差异。称此种差异为双眼视差。双眼视差的大小与空间物体的位置有着密切的关系。因而想法检测出双眼视差的大小即可分辨出物体的深度。双眼视差与深度距离成正比，而与视距的平方成反比。根据实际的测量，人眼视差检测极限约为角度5＂~10＂。更小的双眼视差人眼已无法感知。实验证明，双眼视差因素单独起作用时，当视距超过250m时，人眼便失去立体感。
（2）辐辏
人用双眼观看物体时，假如物体所成的像不是落在左、右眼视网膜的相应点上，则所观看的仍是二重像或称复像。使这种二重像成为单像在生理光学中称为融合。融合时，眼球必须作旋转运动。称眼球这种旋转运动为辐辏。两眼对同一观视点的两视线所夹的角称为辐辏角。产生辐辏时，眼外肌要作功，使融合状况发生变化。故辐辏时的眼外肌张力感及两眼的融合状况便成为立体视觉的信息。因此，观看远近不同的两点，其辐辏角也不同，眼球旋转运动的程度也不一样，这样便产生了深度感。
实验表明，辐辏与调节间有着密切的关系。辐辏引起调节，调节也会引起辐辏。但两者并不是单值函数关系。当眼球为聚焦所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视距时，也允许眼球的调节在一定范围内变化，假如两者的变化范围超过各自的允许范围时，便会在立体三维显示时引起视觉的疲劳。
从上述双眼立体三维信息的机理可知，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，而不是象单眼立体三维信息中含有众多的经验因素。
单眼立体三维信息和双眼立体三维信息的各种立体视觉因素都具有各自的分辨精度和有效视距。视距不同时，各种立体视觉因素对人眼立体视觉的作用也不同。为比较起见，下面阐述两者的深度灵敏度与视距的关系。
单眼立体三维信息中的调节在离眼很近的视距内起作用，观看视距超过2~3m的景物时，对立体视觉的作用很微弱。观看远处景物，如视距超过1000m时，宽视野及空气透视成为形成立体视觉的主要因素。在数百米以内的近视距，单眼运动视差和双眼视差则是立体视觉的主要因素。其中，运动视差对立体感的作用与运动速度有关，产生最强立体感的角速度也因人而异，约为几度至十度/秒。在250m以内的近视距内，双眼视差是形成立体视觉的最重要的因素。
（3）继时显示与立体视觉
上述的双眼视差是在左、右眼同时接受图像刺激的状况，称为同时视觉。假如进入左、右眼的视差信息在时间上不是同时显示而存在着某种程度的滞后的话，此时的立体视觉规律将不同于同时视觉。视差图像滞后显示也称继时显示。继时显示所形成的立体视觉既与滞后时间有关，也与先前显示的视差图像的显示时间有关。滞后时间短于20ms时，继时显示的双眼视差图像所产生的立体视觉与同时视觉产生的立体视觉基本相同；继时显示滞后时间长于20 ms时，继时显示的立体视觉减弱；当滞后时间超过100ms时，将无法形成立体视觉。实验还表明，继时显示的立体视觉与滞后时间的关系还与先前显示图像的显示时间有关。当先前图像显示时间超过375ms时，继时显示已无法产生立体视觉。在这种的情况下，必须同时显示才能形成立体视觉。这一现象与显示图像的视觉惰性效应并无太大关系，因为当增大图像亮度时，为形成立体视觉所允许的滞后时间反而变短，这正好与视觉惰性效应相反。
上述的继时显示与立体视觉的关系对利用双眼视差机理设计的顺序显示视差图像的立体三维电视系统的设计至关重要。
综上所述，双眼视差是在250m近视距内形成立体视觉的最重要因素，同时，又是以人眼的客观生理活动为基础的因素。因此，双眼视差机理成为立体三维电视系统的主要理论依据。迄今大多已实现的立体三维电视系统都是模拟人眼的双眼视差而设计的。
从人眼立体视觉形成的机理可知，人们用双眼直接观看周围景物时所产生的立体感，是由包括单眼和双眼立体视觉因素在内的各种立体视觉因素综合作用的结果。然而，目前使用的普通平面二维电视系统是用一台单镜头摄像机摄像，这相当于用一只眼睛观看景物。因此，这只是单眼立体三维信息模拟。即使已实现的立体三维电视系统也只用两台（或有限的数台）摄像机相隔一定距离摄像，这也只是模拟人眼的双眼视差这一视觉因素。尽管双眼视差是近视距时产生立体视觉的主要因素，但毕竟还不是人眼总视觉信息的综合性模拟。正因为如此，人们观看双眼视差立体三维电视的图像与人眼直接观看原始景物时的感觉还不完全相同。而理想的立体三维电视应是人眼立体视觉的综合性模拟。这在现阶段还无法实现。
（文/中国电子科技集团公司南京电子工程邮局所 蒋庆全）
