3D立體視覺探究活動設計

黃 樺

（湛江師范學院 物理科學與技術學院，廣東 湛江 524048）

3D立體視覺探究活動設計

黃 樺

（湛江師范學院 物理科學與技術學院，廣東 湛江 524048）

本文在講述立體視覺原理的基礎上，設計科學探究活動，讓學生理解時下流行的3D電影制作基本原理，知道人類視覺的獨特三維空間感覺如何形成，并利用3D立體視覺的原理引導學生動手制作紅藍眼鏡，觀看3D圖片和3D視頻.通過探究活動讓學生知道當下流行文化離不開科技的應用，要享受科技帶來的樂趣之余，也要知道背后的奧秘，這樣才能在玩的同時也學習到實用的知識.

3D；立體視覺；科學探究

1 引言

3D，是指有長、寬、高三個維度的立體空間，D是“Dimensions”英文字母的第一個大寫字母，隨著3D電影《阿凡達》風靡全球，人們視覺上受到了很大的沖突.3D成為當下最流行的詞匯，3D照相機、3D顯示器、3D筆記本、3D游戲等3D技術也開始快速發展.3D電影是電影技術發展的革命性成果，它很大程度上提高了人們對視覺藝術的認識水平，讓人們有身臨其境的震撼感.[1]早在上個世紀50年代，立體電影技術即已誕生，并逐步走向成熟，進入了商業應用.[2]隨著科技的高速發展，3D技術已經逐步發展成熟，日本、韓國、歐美等國家從20世紀80年代開始了三維立體顯示的基礎研究，各國根據自身的情況，開發了各種技術和產品.

我們生活在三維立體的世界中，理所當然應該用立體的眼光來看世界，3D技術的誕生，是視覺需求與科技發展高度結合的產物.[3]當前流行的3D立體電影正是以雙目立體視覺為基礎而完成攝制與放映的，[4]而我們可以通過很多方法與技術來實現3D立體視覺的效果，主要有眼鏡式技術和裸眼式技術.[5]前者的眼鏡式技術主要包括三種，一是色差式3D技術，即通過紅藍、紅綠等互補色立體眼鏡實現立體效果；二是主動快門式3D技術，基于時序立體眼鏡來達到立體效果；[6]三是偏振式（偏光式）技術，這個所需要的眼鏡為偏振眼鏡.[7]而在我們日常生活中，全息照相技術也能實現3D立體效果等等.[8]

立體視覺是人類的本能之一，研究立體視覺具有重要的意義.但是，立體視覺對于學生來講，是一個抽象的概念，如果按照傳統的講授式教學模式，學生很難學到真正的知識，學生在被動接受知識的過程中也會覺得索然無趣.在新課程教學理念下，探究教學的新模式要打破傳統，教師要創設民主、平等、和諧的學習環境，激發學生的探究意識，培養學生探究能力，讓學生從探究過程中體驗成功，體驗學習的快樂，最終走向主動學習、探究、合作交流，這樣學生才能真正地學到知識、理解知識.所以，本文通過對3D立體視覺探究活動的設計，在課堂和生活中讓學生自己動手動腦，探究立體視覺的原理.

2 雙眼立體視覺原理

我們之所以能擁有立體視覺，是因為人類的雙眼是橫向并排的，兩眼之間大約有6～7CM的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有細微的差異，這種差異被稱為“視差”（Paral l ax），大腦會解讀雙眼的視差并借以判斷物體的遠近并形成距離感，從而產生立體視覺.[9]

圖1 立體視覺的產生

兩眼節點O1和O2的連線稱為視覺基線.如注視點為A，即兩眼視軸通過A點，則角01AO2稱為立體視差角，以θA表示：θA=b/L.位于圓周O1O2CA上的A、C兩點有相同的視差角，感覺上這兩點與人的距離就相等；而D點的視差角比C點大（θD>θC），感覺D點就比C點近.立體視差角越大，感覺距離越近.[10]

通過以上對立體視覺產生的分析，學生會比較容易理解其概念，但是我們還需要借助一些相關的實驗讓學生體會立體視覺的效果.下面我們可以通過兩個探究活動來簡單演示.

探究活動一：單眼插筆

（1）觀察者閉一只眼，睜一只眼；

（2）請另外一個人幫忙把一個開口塑料瓶放到觀察者的正前方（一臂的距離）；

（3）觀察者手里拿著一支筆，試著把筆插進塑料瓶內；

（4）觀察者感受單眼對物體的遠近判斷.

通過以上的小實驗，我們可以知道單眼看物體時，我們很難將筆插進塑料瓶內.這是因為單眼看物體時，雖然有現場感，但我們對物體遠近感就沒有那么強烈了，也就是幾乎沒有了立體感.這個我們可以通過探究活動二來說明.

探究活動二：左、右眼看同一物體

（1）以白墻為背景，手拿著一支筆，在眼睛前面十厘米處保持靜止；

（2）眼睛盯著筆；

（3）用兩只眼睛分別交替地看，并分別記下左右眼看到的筆的位置，比較左右眼看到的筆的位置相對于白墻的位置的不同情形.

以上的探究實驗，主要是讓學生感受左右眼看到的同一物體的位置是不一樣的，這是雙眼的立體視差的一個體現，該實驗現象可以通過以下的圖來展示：

當我們用兩只眼睛看一個物體的時候，其實是從兩個視點分別看物體，由于兩只眼睛的位置不同，我們閉上一只眼睛看同一個物體時，會發現物體的位置相對于兩只眼睛看到的物體的位置會有所偏移，左眼看到的物體向右偏，右眼看到的物體則向左移.當觀察物體時，兩只眼睛所看到的影像的位置會有一定的偏差，我們左右眼睛各自從不同角度去觀察物體經光線照射而產生的陰影，以及物體的棱線，便形成兩眼視覺上的差異（像差）（如圖2），兩只眼睛的運用也提供更好的空間分辨率，反映到大腦中便產生遠近感和層次感的三度空間立體影像.[11]簡單而言就是我們的大腦會根據兩只眼睛的視覺差來判斷物體位置的遠近.所以當我們閉上一只眼睛看物體時，只從一個角度去看該物體，而沒有另外一個角度跟它相疊加作參照，這時候我們無法正確確定該物體的距離了.

上述的兩個探究實驗中，我們主要是為了闡述我們之所以能夠感受到生活中物體的立體，原因之一是要靠雙眼去看物體，產生視差，單眼看物體時，會很難判斷物體的遠近，立體感也就消失了.當然，也有人會說，單眼看物體也有立體感，事實上這是因為單眼要想看清楚遠近不同的物體，眼睛就必需要調整焦距，通過經驗的累積，人對于眼睛的調整焦距可以感覺到物體相應的距離，就產生了立體的效果，只是這種立體感沒有雙眼看物體來的明顯.

3 紅藍眼鏡濾光原理

現在，3D立體電影和立體電視非常流行，我們知道，電視和電影院的屏幕是平面的，但是，觀眾卻能在這個二維的平面上感受到三維立體的效果.目前，要在平面上實現立體效果的方法有很多，下面主要介紹兩種：

（1）觀察一張三維立體圖片：

①上網或者在雜志上找一張三維立體圖；②利用雙眼調焦看出立體效果.

（2）佩戴紅藍眼鏡看立體圖

①找一副紅藍眼鏡和紅藍圖片；

②觀察者佩戴紅藍眼鏡，并觀察紅藍圖片，利用不同色光的濾光作用來實現立體效果，這也是我們接下來要作詳細介紹的主題.

看三維立體圖，是需要一定的技巧的，它需要你利用自己的眼力，找出上下和遠近的立體感，一般的圖是遠近立體感強，層次分明，圖片一方面靠底色而成，另一方面底色襯托出圖片的立體感.[12]

如果不能很好地掌握方法，我們是很難從三維立體圖感受到立體的事物的，所以我們可以通過第二種方法來實現立體效果，其原理是利用對比性的兩色玻璃紙的選擇性濾光功能.對比色光有很多組，如紅色和青色，紅色與藍色，在此，我們主要介紹紅、藍兩色，其濾光作用可通過下一探究活動說明.

探究活動三：紅、藍玻璃紙的濾光作用

（1）先找到紅藍玻璃紙；

（2）在白紙上畫兩個圖案，如圖3（a），分別填上紅色和藍色；

（3）單眼分別透過紅藍玻璃片觀察兩個圖形，兩層玻璃片的厚度效果最佳.

當我們用單眼透過兩層紅玻璃片看圖3（a）的兩個圖形時，會發現原來紅色的正方形還是紅色，但是藍色的圓就變成了黑色；反過來，當我們透過兩層藍玻璃紙看這兩個圖形時，原來藍色的圓還是藍色，而紅色的正方形則變成了黑色.由于兩眼觀看影像的視點不同，所看到的影像就稍有不同，影像經大腦分析之后，這就產生現場觀看到的立體影像的感覺.

紅藍立體電影是依靠左放映機的畫面通過紅色鏡片（左眼），拍攝時剔除掉的紅色像素自動還原，從而產生真實色彩的畫面；反之亦然，右放映機拍攝到的畫面通過藍色鏡片（右眼），拍攝時剔除掉的藍色像素自動還原，產生另一角度的真實色彩畫面.[13]

當我們左眼戴上紅色濾光片制成的鏡片，右眼則戴上藍色濾光片制成的鏡片.屏幕中的紅藍畫面經過紅藍鏡片的過濾后，進入左眼的是紅色畫面，左眼鏡片的紅色濾光片可以濾掉藍色，只看到紅色部分；同理，進入右眼的則是藍色畫面，右眼鏡片的藍色濾光片可以濾掉紅色，紅色影像變成了黑色.由于兩眼觀看影像的視點不同[14]，所看到的影像就稍有不同，影像經大腦分析之后，這就產生現場觀看到的立體影像的感覺.

4 利用濾光作用制作3D立體眼鏡

受條件限制，大部分學校還不能在實驗室中放映立體電影供同學們觀看，也很難組織學生到電影院看3D電影.但是，我們可以輔導學生制作一個紅藍眼鏡，用來觀看紅藍立體圖片和電影.

（1）必備材料

紅色玻璃紙、藍色玻璃紙、卡紙、雙面膠、剪刀、筆、尺子

（2）具體步驟

①對比現成的眼鏡，用筆在卡紙上畫出眼鏡的形狀，眼鏡框要稍微大點，這樣視野會相對大點；鼻梁部位畫的時候也要大點，這樣方便與我們的鼻子相吻合；兩邊的柄要畫得長一點，太短可能很難修改.

②畫好眼鏡后，用剪刀沿著眼鏡的線條剪出來.

③根據所剪鏡框的大小，從紅藍玻璃紙剪出一部分作為鏡片，剪的時候稍微比鏡框大且形狀一樣.

④用雙面膠把紅色的玻璃紙貼在左眼，藍色貼在右眼，不要搞錯位置了.玻璃紙一般都是比較薄，顏色不夠深，只貼一層看立體的效果會比較差，可以貼兩層或者三層玻璃紙.

（3）觀察比較

①從網上下載一些紅藍立體圖片，或者學校統一購買相關的立體圖片；

②戴上自制的紅藍眼鏡觀看紅藍眼鏡，有什么感受；看其他平常的圖片有什么不同；

③摘下眼鏡用手拿著放到眼睛前面，左眼看藍色鏡片，右眼看紅色鏡片，再看紅藍立體圖片，看看還有沒有立體感，同時再看一看別的圖片.

（4）觀看3D視頻

上網找一些3D視頻，戴上自制的紅藍眼鏡觀看，感受一下3D電影的立體視覺給我們帶來的視覺沖突.

5 模擬立體視覺

為了讓學生更好地了解到3D立體眼鏡的功能，在教學過程中，教師首先可以通過模擬左右眼看到的不同的影像，從而模擬出立體視覺.

探究活動四：相機拍攝立體照片

（1）先確定一個物體，然后用尺子先固定照相機的位置，拍攝一張照片A，模擬左眼看到的角度，再水平位移（往右）6—7cm拍攝第二張照片B，來模擬右眼看到的角度.

（2）將兩面鏡子擺成夾角90度角擺放在桌面，把照片A和照片B分別放于兩面鏡子旁邊，使照片A及B同時映入左右眼（如圖5），就等同于兩只眼睛同時從不同的角度看同一個景物一樣，所以可以產生立體感.

6 結束語

本文在講解人類雙眼視覺原理與3D立體眼鏡的基礎上，由淺入深設計探究活動，這樣學生能夠在動手做實驗的過程中更好地了解人的眼睛和立體世界之間的關系，激發同學們的探究熱情，培養學生的科學素養，并不斷完善活動的實踐成果和意義；其次，可以通過自己親手制作紅藍立體眼鏡，引導學生從熟悉的事物中發現問題，培養其創新能力.

〔1〕管永軍，金武，牛小.3D 偏振演示 實驗[J].物理實驗，2011，31（12）:1-3+7.

〔2〕王瓊華，王愛紅.三維立體顯示綜述[J].計算機應用，2010，30（3）:579-581+588.

〔3〕劉宏偉.立體視覺與 3D 電視[J].保健醫苑，2011（9）：16-17.

〔4〕孫延祿，關于3D電影成像基本原理的正確表述[J].現代電影技術，2010（3）：63-64.

〔5〕趙亮.3D 立體成像研究[J].科技信息，2011（8）：626.

〔6〕EBERT D S， PARENT R E.Rendering and animation of gaseous phenomena by combining fast volume and scan line a buffer techniques [C]//Proceedings of the 17th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.New York:ACM Press，1990:357-366.

〔7〕STAM J.Stable fluids [C]//Proceedings of the 26th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.Los Angeles， California， USA:ACM Press，1999:121-128.

〔8〕田宇，呼文來，徐雪楠.半導體激光器拍攝全息圖的研究[J].物理實驗，2010，30（8）：24-26.

〔9〕楊明.3D立體顯示技術的前世今生[J].文化產業導刊，2011（1）：67-73.

〔10〕朱吳，等.立體視覺系列實驗的設計[J].實驗室研究與探索，2005，24(5)：7-9.

〔11〕中山大學物理系.物理實驗演示.http://www2.nsysu.edu.tw/physdemo/index2.htm..

〔12〕三維立體圖.百度百科.http://baike.baidu.com/view/895 760.htm.

〔13〕紅藍眼鏡.百度百科.http://baike.baidu.com/view/45633 32.htm..

〔14〕胥余川.淺談立體電影的物理原理[J].中國科技信息，2005（16）：99.

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1673-260X（2012）05-0041-03