立體顯示是人類永恒追求的夢想（中）

丁守謙

1922年電影的發明使立體觀象器統統進了歷史博物館，即便電影是平面的，但電影能使人物變活！因為人們追求新奇，電影呈現形式處于初期階段甚至是無聲電影也大有人看。

人們對立體顯示追求的腳步并未停止，只經歷十余年的時間，立體影院也應運而生。

互補色立體成像法

20世紀之交還出現了流行至今的幾種立體成像技術，其中最簡單的就是“Analygraphy”或譯作“互補色立體成像法”簡稱“紅青眼鏡法”。1891年由法國物理學家du Hauron申請了制作3D圖片的專利，1936年，實現了據此法而制作出的在電影發展史上第一部3D立體電影。

我們已知千變萬化的彩色世界中，實際只由紅、綠、蘭三基色合成。紅、綠相加成黃色，綠蘭相加成青色，蘭紅相加又合成品紅色。紅綠蘭三色相混合就是白色。如果將紅、黃、綠、青、蘭、品紅均勻地分布在一個圓周上，位于直徑兩端的兩種顏色即紅與青，綠與品紅，蘭與黃就稱為互補色。這兩個顏色的光作適當相加就成為白色。將左眼像完全用紅色繪制，右眼像用它的互補色青色來繪制，并將它們疊合在一張圖上，然后戴一副左眼是紅色鏡片右眼是青色鏡片的眼鏡來看（常被誤叫成紅蘭眼鏡），由于左眼通過紅色鏡片只能看見由紅色繪制的左眼像而看不見由青色繪制的右眼像；反之，右眼通過青色鏡片只能看到右眼像，于是看出立體像來。

這種方法的最大的優點是制作容易，攜帶方便，在立體工程畫中曾發揮出很大的作用，也用它制成過立體動畫電影。但缺點是對彩色的損失最大，因三基色中現在只用了兩種顏色，且透光率很差，圖像很暗，現在則逐步被淘汰。

光柵立體成像法

1903年艾夫斯（F.E. Ives）發明了“視差立體成像術”（Parallax Stereogram），能在平面上用肉眼就可以看出立體的人物來，經過115年的發展延用至今，甚至已做到手機的屏上了。

光說人其所以能看出立體是由左、右眼的雙目“視差”產生的還不夠，還得把雙眼如何能看出由科學家生成的立體像說得更清楚點。我們想想：其實在人的左右眼的視網膜上所形成的像是平面的，說得準確點是二維的，成像在略略有點彎曲的視網膜面上。然后通過大腦綜合即前面所說的“第三只眼”看出立體。

只要我們設法在人的左、右眼視網膜上形成人所看到過的兩個有視差的二維像，即可重建人所看過的立體世界。而人的兩個眼球正是兩個透鏡，于是想到，將兩個鏡頭放在人雙眼的位置對外部需要拍攝的主題物位置對焦進行拍攝，得出略有不同的左、右眼平面像，這兩個像有個科學的名詞叫“像對”。再進行反向思維，將這個“像對”平放在左、右眼透鏡之前，設法由它生成的虛像正好在我們原先的對焦位置處，且左、右眼像在該位置完全重合，而又彼此不受干擾，就是說保證左眼只能看到左眼像，右眼只能看到右眼像（完全重合及彼此各不相擾這兩點就是以后要談到的形成完美立體像的5條件之二）這樣保證這兩個虛像在視網膜上的實像與原先看到的真實情景時完全一樣（當然可以作相似放大或縮?。?，于是就回放出我們曾看到過的真實的立體世界。

那么百年前的發明家艾夫斯是如何來實現上述這兩點的呢？說出來實在簡單，將左、右眼圖像分成許多垂直細條并相互交織成一幅圖像，在它前面放置一個帶有同樣數目的細縫的不透明薄片。此稱為“視差光柵”或“隔斷光”，雙眼能通過這些細縫各自看到左、右眼圖像，于是就得出立體感覺（圖1）。但是這種左右眼像必須能自發光才行，由于被這種“隔斷光柵”擋住的光線太多，因此背后必需有強光源的照射，否則會感到太暗。

后來由于透明塑料的發展，利用柱面微鏡片（Lenticular Sheet）代替這種“視差光柵”（圖2），它能使原來一些被阻斷的光線也能分別地射入左、右眼，因而使立體像的亮度得到加強，而無需背光源。

這樣一種成立體像的方法其最大的好處就是裸眼可以直接看到。但最主要的缺點是使左、右眼像的清晰度降低了一半。同時人眼觀看的位置只能在某幾個固定位置上看出立體。卻在某些位置左眼看到的是右眼的像，右眼看到的卻是左眼像，如圖2中最右的那3個人看到的那樣圖像反轉，前后倒置，對眼睛特別不舒服。一般只用兩臺攝像機拍攝的最易發生這種情況。為了克服這一缺點，特用4對（即8臺）攝像機同時拍攝，這樣可增加到正中有4個人的位置能同時看到立體像。約10年前頭戴一塊金屬片，使在顯示屏處發出的紅外光能跟蹤你頭部的位置，而調整光的射出方向，使左、右眼像分別射入左、右眼而不致產生看不出立體像或反轉像。近幾年又變成可跟蹤人眼瞳孔的位置，則更加方便了。但也只能跟蹤一個人。

后來由于液晶片的發明，它本身取代的隔離光，當不加電壓時，整個光柵片是透明的，加上電壓條處就變成不透光而只留下縫處透光，從而完成它的3D功能。給手機還原其原有功能是有幫助的。至于清晰度降低了一半則由它的成像原理所確定，無法通過改良而提高。這是這種方法的致命弱點。景深、亮度、色純度也受到些制約。但對有一些要求不太高的場合確實是一個很好的方法。

早期我國李昌教授創建的天津三維公司在這方面做了大量的工作，王瓊華教授出版了《3D顯示技術與器件》一書對這一技術有詳細的介紹，以及現今的ivvi公司在這方面做了大量的工作，可以說做到了極致，正與國際并駕齊驅。且某些技術有過之而無不及。

View Master立體觀象器

還有一項與電影幾乎同時產生而仍流傳至今的3D成像技術，即1938年由格魯貝（W.Grube）發明的一種立體觀像器稱之為“View Master”（圖3），利用現有的正片分別記錄左眼和右眼像，再通過兩個小透鏡來看出立體像。還有一個通過旋輪的機械裝置，一次可以依次看7組立體像。它流行很廣，迄今仍可以在迪斯尼樂園購到。

這是我剛進入清華，在葉企孫教授家里生平第一次見到的。葉教授就是那位培養出我國23位科學家獲得“兩彈一等功勛章”中的9人是他的學生，還有二人是他的學生的學生，他是我國物理界的一代宗師，他每年都要請剛入學的物理系學生到他家宴請一次，并展示一下他收藏的科技古董。特珍貴的是一本發黃的古籍，上面印著王莽時期的一把尺，由他雙手捧著給大家看，不許亂翻，而View Master則由同學傳看，我也是第一次見到好萊塢的立體像，對這種栩栩如生的立體像產生濃厚的興趣，后來葉教授還親自教我們光學，雖然講到激動時略略有點口吃，但課講得很生動。這與我后來從事電子光學的研究及退體后熱愛3D不無關系。

后來我立志要做出能看到人物放大立體像的產品，且為了大眾化，放棄采用較貴的反轉片直接采用最廉價的5寸相片，利用簡單的PS技能將左、右眼像各自水平反轉并列地洗印在一張5寸相片上，沿中線對折黏牢從前端插進，當時我已逐步形成了非近軸光學的概念，利用偏心透鏡使前面由倒V型的反光鏡形成的平列虛像進行放大，并能位移使其在人眼前較近的位置重疊在一起而產生栩栩如生的立體放大像。

到這時我才明白采用View Master的成像系統不可能獲得近距離的人物放大像。在推廣我的立體成像器時還告訴了如何用一部相機對靜止物體拍左、右眼像的方法，因此這些過程都是可以自己動手做的（DIY），這等同于對View Master的一次超越。同時還提出一個口號：讓立體成像技術從專家手中交給數碼相機擁有者！讓立體像像立體聲一樣走進千家萬戶服務于大眾！（未完待續）