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新创 2016-8-22 11:00

有了三维显示技术,人人都是“魔法师”

本文由ARinChina(www.arinchina.com)原创,转载请联系ARinChina(微信ID:arinchinaservice)

三维显示,好一个障眼法。

照片和影像里的世界都是二维平面,而我们所在的现实世界是三维立体。三维显示技术就是将立体物体的全部信息展示出来。这个过程很复杂,人们正在一步一步努力实现。

神奇的 3D 电影是怎么实现的

目前 3D 电影已经走进我们的生活,看过 3D 电影的都知道,观看电影前必须先领取一幅眼镜。这是为什么呢?
3D 电影其实是采用了一种视差的方法来显示立体效果的。所谓视差,是指我们双眼之间有一定的距离。既然两只眼睛位置不同,观察物体时落在两个视网膜上的像,自然也是不同的。

那为什么我们看到的不是两个物体,而是一个呢?这是因为大脑有种融像的功能,可以把来自两个视网膜上的像,进行一系列调整后合成一幅像。

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双眼视差

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视差原理

为了更好地理解视差的作用,我们先来做一个小实验。

首先,向上抛出一个小球并接住它,是不是很简单?然后,捂住一只眼睛再抛出小球并接住,怎么样,还是和第一次一样容易么?

通常的实验结果是,第一次很轻松地接住抛出的小球,而第二次则勉强甚至是接不住下落的小球。

导致上述结果的原因在于,双眼视差可以使我们准确地判断物体的形状和位置,而单眼观察物体时,则会缺失物体的空间立体信息。

3D 电影根据双眼视差的原理,来展现立体效果。在拍摄时会采用两台摄像机进行拍摄,让它们模仿两眼去记录信息。两个方位采集的信息叠加在一起后,由于有视差,就会产生重影。所以需要借助 3D 眼镜,来把这些重叠的图像分开,再分别传入人眼。

3D 眼镜与一般眼镜的不同之处在于镜片。3D 眼镜的镜片是特殊的:光束在穿过这两个镜片时会被筛选,每个镜片只让符合自己“规则”的光线穿过。因此通过 3D 眼镜过滤后,两眼看到的图像,和电影拍摄现场看到的是一样的。

令人产生晕眩的秘密

2010 年 1 月 19 日,据长江日报报道,患有高血压症的台湾新竹县男子,观看 3D 电影《阿凡达》昏迷后被送至医院,却因并发症死亡。

3D 电影虽然带给了我们更好的立体感,但不少人在观看时还是会产生头晕、恶心等不良反应。为什么?

这是因为在观看 3D 电影时,它产生的景深非自然景深。画面变换也非常快,所以人眼需要频繁的使用调节和辐辏(còu)两种功能,使得物体的像准确地落在视网膜上。

调节作用是眼部晶状体通过改变自身形状,来改变进入眼睛光线的过程。这种作用可以使所视物体的像,准确地呈现在视网膜上。眼睛晶状体则像橡皮筋一样,具有弹性。如果长期处于一种状态,便无法恢复正常。

近视眼就是晶状体调节作用“失灵”的结果。

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眼部结构图

辐辏是指看近处目标时,双眼同时向内收敛的现象(想想斗鸡眼的效果),看远景时会自然散开。

双眼频繁的进行调节和辐辏,短时间内人们还可以忍受,但一段时间后,就会产生视觉疲劳甚至头晕恶心。

心理暗示,二维变三维

为了避免 3D 电影这种三维显示方式的带来晕眩感,人们又想出了一种用二维平面来显示三维效果的方法——透视显示。

透视型三维显示又称裸眼 3D 显示,即不用佩戴任何东西就可以观看 3D 效果。据说苹果即将在 iPhone 7 上采用这种技术。

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裸眼 3D 显示图

透视三维显示其实是利用多种心理暗示,来使我们产生三维立体感。

在心理层面上,人们常借助经验和假想,从呈现在视网膜上的平面图像,得到一定的深度感。这就是我们所说的心理暗示。

这种心理暗示主要有 6 种:

线性透视

绘画中常有近大远小之说。我们看到下图时,尽管越小的船离我们越远,但我们还是很自然地认为它们大小一样、并行排列。这就是线性透视的心理作用。

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线性透视图

日常的生活经验告诉我们,物体远离人眼会变小,靠近人眼会变大,也是这个道理。

● 像的大小

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像的大小

当看到上图时,大家并不会认为手比脸大,因为我们大多会记住生活中常见的大小。所以,从认识事物开始,人们就已经有了像的大小概念,观察图像时,大脑会自动参考这些信息。

● 重叠

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重叠

这张图里的牛,是否就如图显示只有脑袋和两个前肢呢?

实际上图中的影子信息,会帮助大脑来联想理解图片。所以我们会下意识地知道,这是一头正对我们的牛。这就是重叠心理暗示产生的结果。

● 光照及阴影

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光照及阴影

图中左上角图片,一看就知道是个平面图。当加了阴影后,右上角就有点立体感了。到了右下角,则是添加光照和阴影后的效果。显然,它更具立体效果。

● 结构梯度

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结构梯度

与线性透视类似,当我们注视上图的石板路面时,近端的看起来会更粗糙一些。石板表面粗糙的梯度,也会使人产生一种深度暗示。

● 面积透视

在观看一幅二维图像时,看起来比较模糊的景物处在远方。这是因为远处景物发出的光线,在传播时被空气中的微粒散射,因而显得模糊。

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面积透视

透视三维显示,就是抓住了以上六种心理暗示,来用二维图像展示三维效果的。但是这种三维显示方式,只适用于精度要求不高的场合。同时这种显示效果,需要站在特定角度才能看见,视角限制太大。

裸眼全息如何实现

视差型和透视型都是伪三维,那么如何建立真三维呢?前段时间,网上疯传 Magic Leap 的裸眼全息是否就是呢?

全息(holography)一词来自希腊语,意思是全部图像信息。全息技术是利用了光的干涉和衍射原理,完整地记录并重现了物体反射的光波。

光波就像我们生活中所见的水波。不过由于水波抖动的频率较低,所以人眼可以看见。而光波抖动的频率比较高,所以人眼无法看到。

光波携带了物体形状、表面纹理和位置等信息,我们就是通过物体反射的光波来观察世界的。

全息记录与再现

全息技术的实现,实际上通过以下这个过程:

首先记录光波信息,然后通过一个空间光调制器(用于信号转换),来“读出”光波信息,最后将处理过的光波传送给人眼。这种光波“回放”方式,和我们观察物体本身具有相同的效果。

上述过程中,需要记录大量的信息,同时空间光调制器设计起来也相当复杂,再加上光波所需的计算量和存储空间都很大,使大场景全息三维显示暂时还无法实现。

在科幻电影中经常可见全息三维显示技术。

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1970 年代,电影《星球大战》

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2009 年,电影《阿凡达》

所以 Magic Leap 视频中我们所看到的全息展示还只是概念产品,并非事实。

不过也有一些桌面型的全息展示,是已经实现的技术,比如下图的钢铁侠。

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真正的三维显示

如果说二维显示器是在“画饼充饥”,那么真三维显示则是真正的做出来一个“饼”。

真三维显示与全息三维显示效果相当的。但与全息三维显示不同的是:真三维并非提前记录光波信息,而是根据所要展示的物体外观,来“发出”光信息。

这种显示技术,真实的存在于物质世界中,它能提供几乎所有的视觉效果,并且可以从任意角度观看。

真三维显示技术又分为静态成像技术动态体扫描技术两种。

静态体成像技术效果就像水晶球,在一个空间中填充特殊的介质,用一个激光发射器,把两束激光照到成像空间上。经过介质的折射,两束光相交于一点,这个点我们称它为体素(二维图像中,图像上每个点称为像素,在三维空间中,就称之为体素)。

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水晶球

无数个体素点,就像组成物体的分子一样,构成了物体的全息影像。当这两束激光束快速移动时,在成像空间中就形成了无数交叉点。这无数个体素点,就构成了具有真正物理景深的真三维立体图像。

这就是真三维立体显示的静态成像技术原理。

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静态体三维显示

而动态体扫描技术原理,则和走马灯的原理是一样的。走马灯是我国古代一种动画“显示器”。它的原理是,在灯的内壁上画一系列的动作分解的图,然后通过转动灯来使画连起来,达到动态效果。

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走马灯

动态体扫描技术,是依靠显示设备的周期性运动,构成成像空间。例如屏幕的平移、旋转等运动。屏幕上显示的是一个二维图像,在这个屏幕做高速的平移或旋转时,由于速度太快,人眼反应不过来,大脑就会理解成看到的是一个三维物体。这个原理就像电扇,转起来后我们看到的不是三个扇叶,而是一个圆盘。

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动态体三维显示

目前,全息三维显示技术和真三维显示技术还处于成长阶段。一些静态的小型展示已经出现,但是对于较大场景的展示还存在很多技术及硬件上的困难。

题图来源:kebumennews

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