立體電視(3DTV)前沿探索

李書鵬

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬學(xué)校，湖北 武漢 430070)

立體電視(3DTV)前沿探索

李書鵬

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬學(xué)校，湖北 武漢 430070)

結(jié)合生理學(xué)知識解析了三維立體成像的原理,解釋原始的立體電影的成像原理及偏振應(yīng)用,研究彩色成像技術(shù)和等色方程,對立體電視的研發(fā)提出設(shè)想和研究方向,并討論技術(shù)難關(guān).

立體感; 偏振; 波長; 光柵

1 引言

立體成像的原理幾百年前便已有之.隨著技術(shù)的進步,20世紀初電視技術(shù)出現(xiàn)后,人們就開始著手研制立體電視,并成功開發(fā)了有關(guān)立體電視的雛形,但由于技術(shù)本身的限制,觀眾必須佩戴專用眼鏡觀看節(jié)目,限制了觀眾的自然感受,且在各方面都與人們理想的立體電視模式有著一定的距離,并不是真正意義上的3D電視.本文著重研究立體電視的成像原理和提出研究方向.

2 三維立體圖像的原理

人有兩只眼,兩只眼有一定距離,這就造成物體的影像在兩眼中有一些差異(如圖1),由圖可見,由于物體與眼的距離不同,兩眼的視角會有所不同,由于視角的不同所看到是影像也會有一些差異,大腦會根據(jù)這種差異感覺到立體的景象.(如圖1)兩眼注視同一物體時,在兩眼視網(wǎng)膜上所形成的物像并不完全相同,左眼看到物體的左側(cè)面較多,右眼看到物體的右側(cè)面較多.這些來自兩眼稍有不同的信息經(jīng)過高級中樞處理后,形成立體感覺.(如圖2)當(dāng)然,立體視覺的產(chǎn)生并不完全靠雙眼視覺,物體表明的光線反射情況,陰影的有無,以及過去的經(jīng)驗等因素,也有助于立體感的產(chǎn)生.

圖1

圖2

3 原始的立體電影

由于人眼有4-6cm的距離,所以實際上我們看物體時兩只眼睛中的圖像是有差別的.兩幅不同的圖像輸送到大腦后,我們看到的是有景深的圖像.這就是計算機和投影系統(tǒng)的立體成像原理.依據(jù)這個原理,結(jié)合不同的技術(shù)水平有不同的立體技術(shù)手段.

立體電影是利用一左一右兩臺電影攝影機,同時拍攝同一景物.放映時,也用兩具電影放映機,把兩個影像同時投映在銀幕上.觀看立體電影常用的方法有兩種:一是看黑白立體電影戴紅綠眼鏡;二是看彩色立體電影戴偏光眼鏡.

3.1 戴紅綠眼鏡看黑白立體電影

兩臺放映機,其一透過紅濾鏡放映紅色影像,另一透過綠濾鏡放映綠色影像.這兩影像同時在銀幕上相疊.觀眾戴上以一紅一綠的玻璃紙為鏡片的眼鏡.如果分別用紅筆和綠筆在白紙上寫字,透過紅眼鏡就看到整張白紙變?yōu)榧t色,上面的紅字也是紅色,故混在一起便看不到紅字.但綠光不能透過紅眼鏡,透過綠眼鏡看不到綠字而只見紅字.電影觀眾戴了紅綠眼鏡看銀幕上一紅一綠的畫面時,左眼只看到綠像(這是左方攝影機所拍攝的景象),而右眼只看到紅像(這是右方攝影機所拍攝的景象),這就產(chǎn)生在現(xiàn)場觀看到的立體感覺.

3.2 戴偏光眼鏡看彩色立體電影

彩色立體電影是利用光的偏振現(xiàn)象而造成.光是橫波,普通的光線就是包含著沿各個方向振動的光波.兩臺電影放映機,各套上一個偏振鏡,把兩個偏振光的影像同時放映在金屬銀幕上(放映立體電影的銀幕必須是特制專用能分離出偏極光而非一般的銀幕,金屬的反射不會改變偏振光向),兩個偏振光的振動方向互成直角.觀眾也戴上偏振片造成的眼鏡.左眼的鏡片只許左方攝影機的影像通過,而右眼的鏡片只許右方攝影機的影像通過,于是就產(chǎn)生立體感覺.

其原理是:光線傳播時,垂直傳播方向的360°都有光波震蕩傳輸.光的偏振實際上是利用某一特定方向的光波進行顯示的原理.以前的線性偏振的原理是偏振片方向不動,光只能以固定的角度傳輸,此方法的缺點是頭部不能偏移,因此現(xiàn)在已被淘汰.圓周偏振技術(shù)的原理是光的偏振方向可旋轉(zhuǎn)變化,左右眼看到的光線的旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖3所示.基于圓周偏振技術(shù),觀察者的頭部可以自由活動,因為光線的方向變化不影響顯示.

圖3

4 彩色圖像的顯示

實驗已經(jīng)表明,對于一名正常色覺者,任何顏色都可以用3種合適選擇的單色光[C1]、[C2]和[C3](稱為原色)的混合所表現(xiàn)(或比配),這就是色覺的三變量性.它可以用下列色比配方程來表示,即對于任何顏色[CX],我們都可以有

[CX]≡a[C1]+b[C2]+c[C3](等色方程).

(1)

在這一表達式中,等號≡意味著“感覺等價”或“比配”,a,b,c為比例因子.按國際上約定,這3種原色已定為波長700nm(紅),564nm(綠)和435nm(藍)的光譜色.

一般來說,光是由不同波長組成.把光分解為單一波長,并求出各波長的三基色刺激值,則可由加法混色法測得任何光的三刺激值.

若某色光(A)含有波長λ1,λ2,λ3…的光各為a1,a2,a3…,λi的三刺激值為(Ri,Gi,Bi),這時色光(A)可表示為

(2)

若(A)由連續(xù)光譜組成,則

(3)

若某色光的分光譜為E(λ)(W/nm),從式(3)可得

(4)

(5)

(6)

在掌握了這些技術(shù)的基礎(chǔ)上,反之,控制好各波長光的頻率,將其混合射入人的眼睛,就可以應(yīng)用到立體電視的彩色技術(shù).

5 立體電視可以借鑒的一些方法

5.1 立體鏡

圖4

這是一種很早就開始使用的方法,立體鏡如圖4所示,兩眼可以分別觀察到有視差的兩圖像.也可以使有視差的圖像疊在一起,避免復(fù)雜的光路,但這時必須把兩圖像用顏色、偏振或投影時間使之區(qū)分開來.同時,觀察者要戴相應(yīng)的顏色、偏振或光閘眼鏡.偏振法就是目前立體電影常使用的方法,前面已經(jīng)提過.光閘法比較適用于立體電視,但這些方法都需要觀察者戴眼鏡,而立體顯示的重要問題是不用眼鏡的立體顯示.

5.2 網(wǎng)格法

網(wǎng)格法如圖5(a)所示,兩視差圖分別被相差半個周期的兩光柵所編碼,主要說的就是光柵的原理,即光柵的成像原理.通過圖5(b)我們可以看到,當(dāng)我們的兩只眼睛透過光柵去看光柵后面的立體畫時,我們的兩只眼睛將分別看到不同角度的圖像,就如同我們在觀看實際物體的時候兩只眼睛產(chǎn)生的視覺差一樣,我們就產(chǎn)生了立體感.但是這種方法的缺點是可觀察的眼睛范圍很小.

另一種網(wǎng)格使用很窄的狹縫,即光柵的占空比很小,如圖5(c)所示.圖像的拍攝使通過連續(xù)改變觀察角進行曝光,這時相當(dāng)于把不同角度的圖像同時記錄在底片上.重現(xiàn)時,雙眼的移動可以連續(xù)觀察不同視角的立體圖像.這種方法眼睛的范圍可以大些,但圖像較暗.

(a)

(b)

(c)

5.3 微透鏡法

圖6 微透鏡法

它的一種方式是由大量微透鏡組成的板,如圖6所示.在底片上記錄了所有微透鏡對物體所成的像,也就是從不同角度觀察物體的像.重現(xiàn)時,用毛玻璃在底片后照明,則不同的像在通過微透鏡將在原物處形成實像.用眼睛在左方觀察時,可得到三維圖像.但這個實像是由原物質(zhì)波的共軛波形成的,看到的實像與原物凹凸相反,是一個偽實像,也就是重現(xiàn)的是從右方看到信息.雖然可以利用兩步法克服這個困難,即在照了一次以后,利用重現(xiàn)的光束再照一次,但從運動視差得到的立體感會很粗糙.

5.4 全息法

全息法技術(shù)使由伽柏(Gabor)1948年提出.全息照相和常規(guī)照相不同在于： 常規(guī)照相只記錄了被攝物體表面光線強弱的變化,即只記錄了光的振幅而不能記錄物體反射光的相位信息,而全息照記錄了光的全部信息,除了振幅外,還記錄了光波的相位,這樣就把空間物體光波場的全部信息都儲存記錄了下來.

然后利用全息照片對特定波長單色照明光的衍射,把原空間景象顯現(xiàn)出來.如圖7.

圖7 全息法

6 立體電視的展望和有待解決的問題

我們都知道,人以兩只眼睛來看東西,并以其夾角來測定距離及產(chǎn)生立體感,所以左右眼看同樣的對象,所見卻是不同的角度.愈靠近的物體左右眼視角差愈大,愈遠則視角差愈小,一般來說正常人眼前方6m以外的物體,發(fā)出或反射到眼的光線都近似于平行光線,因此,不需要調(diào)節(jié),就能在視網(wǎng)膜上形成清晰的物像.前面提出了一些有關(guān)立體成像的方法,但應(yīng)用到每個家庭的電視上,想要家庭成員在不同角度、不同距離看到立體圖像卻不是一件易事.特別是每個人看電視時不可能坐著一動不動,對于觀察者隨時會發(fā)生運動,想要從電視上反映出立體圖像就更難了.如何能在觀察者移動的情況下,將頻率合適的光波傳送到觀察者的左右眼里,將成為立體電視技術(shù)研發(fā)最大的挑戰(zhàn).

1 夏強. 醫(yī)學(xué)生理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社, 2005:196～202.

2 秋一華,彭聿平. 生理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:233.

3 姚泰. 人體生理學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2001:572,596.

4 王之江,伍樹東. 成像光學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1991:73,89.

5 王仕璠. 現(xiàn)代光學(xué)實驗教程[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004:82.

6 王秉超. 普通物理演示實驗新編[M].北京:高等教育出版社,1990:34.

7 [日]前田光治.圖像通訊[M].畢后杰等譯.北京:人民郵電出版社,1982:15.

8 W K Pratt. Digital Image Processing[M]. John Wiley & Sons, 1978:38.

9 T Okoshi. Three Dimensional Imaging Techniques[M]. Academic Press，1976:52.

2017-03-03)