李书鹏

(华中农业大学附属学校，湖北 武汉 430070)

立体电视(3DTV)前沿探索

李书鹏

(华中农业大学附属学校，湖北 武汉 430070)

结合生理学知识解析了三维立体成像的原理,解释原始的立体电影的成像原理及偏振应用,研究彩色成像技术和等色方程,对立体电视的研发提出设想和研究方向,并讨论技术难关.

立体感; 偏振; 波长; 光栅

1 引言

立体成像的原理几百年前便已有之.随着技术的进步,20世纪初电视技术出现后,人们就开始着手研制立体电视,并成功开发了有关立体电视的雏形,但由于技术本身的限制,观众必须佩戴专用眼镜观看节目,限制了观众的自然感受,且在各方面都与人们理想的立体电视模式有着一定的距离,并不是真正意义上的3D电视.本文着重研究立体电视的成像原理和提出研究方向.

2 三维立体图像的原理

人有两只眼,两只眼有一定距离,这就造成物体的影像在两眼中有一些差异(如图1),由图可见,由于物体与眼的距离不同,两眼的视角会有所不同,由于视角的不同所看到是影像也会有一些差异,大脑会根据这种差异感觉到立体的景象.(如图1)两眼注视同一物体时,在两眼视网膜上所形成的物像并不完全相同,左眼看到物体的左侧面较多,右眼看到物体的右侧面较多.这些来自两眼稍有不同的信息经过高级中枢处理后,形成立体感觉.(如图2)当然,立体视觉的产生并不完全靠双眼视觉,物体表明的光线反射情况,阴影的有无,以及过去的经验等因素,也有助于立体感的产生.

图1

图2

3 原始的立体电影

由于人眼有4-6cm的距离,所以实际上我们看物体时两只眼睛中的图像是有差别的.两幅不同的图像输送到大脑后,我们看到的是有景深的图像.这就是计算机和投影系统的立体成像原理.依据这个原理,结合不同的技术水平有不同的立体技术手段.

立体电影是利用一左一右两台电影摄影机,同时拍摄同一景物.放映时,也用两具电影放映机,把两个影像同时投映在银幕上.观看立体电影常用的方法有两种:一是看黑白立体电影戴红绿眼镜;二是看彩色立体电影戴偏光眼镜.

3.1 戴红绿眼镜看黑白立体电影

两台放映机,其一透过红滤镜放映红色影像,另一透过绿滤镜放映绿色影像.这两影像同时在银幕上相叠.观众戴上以一红一绿的玻璃纸为镜片的眼镜.如果分别用红笔和绿笔在白纸上写字,透过红眼镜就看到整张白纸变为红色,上面的红字也是红色,故混在一起便看不到红字.但绿光不能透过红眼镜,透过绿眼镜看不到绿字而只见红字.电影观众戴了红绿眼镜看银幕上一红一绿的画面时,左眼只看到绿像(这是左方摄影机所拍摄的景象),而右眼只看到红像(这是右方摄影机所拍摄的景象),这就产生在现场观看到的立体感觉.

3.2 戴偏光眼镜看彩色立体电影

彩色立体电影是利用光的偏振现象而造成.光是横波,普通的光线就是包含着沿各个方向振动的光波.两台电影放映机,各套上一个偏振镜,把两个偏振光的影像同时放映在金属银幕上(放映立体电影的银幕必须是特制专用能分离出偏极光而非一般的银幕,金属的反射不会改变偏振光向),两个偏振光的振动方向互成直角.观众也戴上偏振片造成的眼镜.左眼的镜片只许左方摄影机的影像通过,而右眼的镜片只许右方摄影机的影像通过,于是就产生立体感觉.

其原理是:光线传播时,垂直传播方向的360°都有光波震荡传输.光的偏振实际上是利用某一特定方向的光波进行显示的原理.以前的线性偏振的原理是偏振片方向不动,光只能以固定的角度传输,此方法的缺点是头部不能偏移,因此现在已被淘汰.圆周偏振技术的原理是光的偏振方向可旋转变化,左右眼看到的光线的旋转方向相反，如图3所示.基于圆周偏振技术,观察者的头部可以自由活动,因为光线的方向变化不影响显示.

图3

4 彩色图像的显示

实验已经表明,对于一名正常色觉者,任何颜色都可以用3种合适选择的单色光[C1]、[C2]和[C3](称为原色)的混合所表现(或比配),这就是色觉的三变量性.它可以用下列色比配方程来表示,即对于任何颜色[CX],我们都可以有

[CX]≡a[C1]+b[C2]+c[C3](等色方程).

(1)

在这一表达式中,等号≡意味着“感觉等价”或“比配”,a,b,c为比例因子.按国际上约定,这3种原色已定为波长700nm(红),564nm(绿)和435nm(蓝)的光谱色.

一般来说,光是由不同波长组成.把光分解为单一波长,并求出各波长的三基色刺激值,则可由加法混色法测得任何光的三刺激值.

若某色光(A)含有波长λ1,λ2,λ3…的光各为a1,a2,a3…,λi的三刺激值为(Ri,Gi,Bi),这时色光(A)可表示为

(2)

若(A)由连续光谱组成,则

(3)

若某色光的分光谱为E(λ)(W/nm),从式(3)可得

(4)

(5)

(6)

在掌握了这些技术的基础上,反之,控制好各波长光的频率,将其混合射入人的眼睛,就可以应用到立体电视的彩色技术.

5 立体电视可以借鉴的一些方法

5.1 立体镜

图4

这是一种很早就开始使用的方法,立体镜如图4所示,两眼可以分别观察到有视差的两图像.也可以使有视差的图像叠在一起,避免复杂的光路,但这时必须把两图像用颜色、偏振或投影时间使之区分开来.同时,观察者要戴相应的颜色、偏振或光闸眼镜.偏振法就是目前立体电影常使用的方法,前面已经提过.光闸法比较适用于立体电视,但这些方法都需要观察者戴眼镜,而立体显示的重要问题是不用眼镜的立体显示.

5.2 网格法

网格法如图5(a)所示,两视差图分别被相差半个周期的两光栅所编码,主要说的就是光栅的原理,即光栅的成像原理.通过图5(b)我们可以看到,当我们的两只眼睛透过光栅去看光栅后面的立体画时,我们的两只眼睛将分别看到不同角度的图像,就如同我们在观看实际物体的时候两只眼睛产生的视觉差一样,我们就产生了立体感.但是这种方法的缺点是可观察的眼睛范围很小.

另一种网格使用很窄的狭缝,即光栅的占空比很小,如图5(c)所示.图像的拍摄使通过连续改变观察角进行曝光,这时相当于把不同角度的图像同时记录在底片上.重现时,双眼的移动可以连续观察不同视角的立体图像.这种方法眼睛的范围可以大些,但图像较暗.

(a)

(b)

(c)

5.3 微透镜法

图6 微透镜法

它的一种方式是由大量微透镜组成的板,如图6所示.在底片上记录了所有微透镜对物体所成的像,也就是从不同角度观察物体的像.重现时,用毛玻璃在底片后照明,则不同的像在通过微透镜将在原物处形成实像.用眼睛在左方观察时,可得到三维图像.但这个实像是由原物质波的共轭波形成的,看到的实像与原物凹凸相反,是一个伪实像,也就是重现的是从右方看到信息.虽然可以利用两步法克服这个困难,即在照了一次以后,利用重现的光束再照一次,但从运动视差得到的立体感会很粗糙.

5.4 全息法

全息法技术使由伽柏(Gabor)1948年提出.全息照相和常规照相不同在于： 常规照相只记录了被摄物体表面光线强弱的变化,即只记录了光的振幅而不能记录物体反射光的相位信息,而全息照记录了光的全部信息,除了振幅外,还记录了光波的相位,这样就把空间物体光波场的全部信息都储存记录了下来.

然后利用全息照片对特定波长单色照明光的衍射,把原空间景象显现出来.如图7.

图7 全息法

6 立体电视的展望和有待解决的问题

我们都知道,人以两只眼睛来看东西,并以其夹角来测定距离及产生立体感,所以左右眼看同样的对象,所见却是不同的角度.愈靠近的物体左右眼视角差愈大,愈远则视角差愈小,一般来说正常人眼前方6m以外的物体,发出或反射到眼的光线都近似于平行光线,因此,不需要调节,就能在视网膜上形成清晰的物像.前面提出了一些有关立体成像的方法,但应用到每个家庭的电视上,想要家庭成员在不同角度、不同距离看到立体图像却不是一件易事.特别是每个人看电视时不可能坐着一动不动,对于观察者随时会发生运动,想要从电视上反映出立体图像就更难了.如何能在观察者移动的情况下,将频率合适的光波传送到观察者的左右眼里,将成为立体电视技术研发最大的挑战.

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2017-03-03)