3D影像之原理与制作.docx
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3D影像之原理与制作
3D影像之原理與製作
Mr.OH!
主述
ANAN策劃/編輯
人類特有的3D視覺,從古至今一直許多科學研究的目標和探討主題,發展的方向也從最早時期研究人類雙眼像差的形成,逐步轉向平面呈現立體的結構,進而發展出利用對焦原理的『模糊Fuzzy』立體圖像。
3D立體效果應用在現今的電腦工業中,最讓大家最耳熟能詳的該是『虛擬實境』建立。
這部分的研究大多數集中在如何由平面顯示創造視覺立體的結構上。
但在Mr.OH!
這一講中,我們主要探討的是以仿人類視覺像差為基礎的立體影像製作要訣。
當然,還有一部份篇幅會談論到結合光學和視覺原理所製作的『全像圖』與『模糊Fuzzy』立體圖。
讓同學們對3D立體視覺效果,能有完整的概念。
雙眼視覺像差(Binoculardisparity)
由於人類的雙眼集中於一面,相較其他大多數的動物來說,犧牲了視覺範圍,卻增加了判斷深度和距離的能力。
兩眼之間的距離平均約為6.5公分,使得妳不論用哪一隻眼睛去看一個較近的物體,都會得到不同的遠背景。
這種左右眼所見影像並不相同的現象,稱為雙眼像差。
雙眼像差的程度與物體的距離有關,距離越近,像差越顯著;越遠則像差越小。
這方面的研究,逐漸歸類以下三種方式:
假如P景點比凝視點F遠,則稱非交叉型像差(uncrosseddisparity,因為兩眼視軸不會在遠處交叉而命名或稱遠像差;反之,當P點比凝視點F近,則造成交叉型像差(crosseddisparity或稱近像差。
當然,當a點與f點重疊,則造成零像差(zerodisparity)。
(見下圖說)
儘管雙眼成像方式可以應用物理方式解釋的清楚。
但經過影像重疊和大腦整理,所產生不同的遠背景和近物之間的關係,這樣的深度和距離感受,卻不是物理和光學所能解釋。
因此,科學家轉而尋求『視覺深度的生理基礎』的解答。
腦海中的視覺成像(CyclopeanEye)
由於無法解釋,明明物理中的兩個景象,看在人的眼裡為什麼合成一個。
早期的科學家想到了Cyclopeaneye這個名詞,用來指稱雙眼訊息匯聚之處,亦即在該處兩眼影像會融合成一個影像。
到了19世紀德國神經學家HermannvonHelmholtz(1821-1894)則改以Cyclopeaneye明確指出視覺系統中,以大腦為中心的方向判斷。
因為,這個時期的研究發現,不管人的臉轉向哪裡,中央眼的位置始終沒有改變。
意思為即使兩眼的視覺方向不一樣,大腦仍不會產生兩個不同的視向(direction),而只會合成一個。
十九世紀末
DavidHubel與TorstenWiesel找到方法可以直接在貓的大腦視皮質區內進行測試,進而找到雙眼敏感細胞(Binocularcell)(見右圖)。
其後Barlow,Blakemore與Pettigrew(1967)、Pettigrew,Nikara與Bishop(1968)等人遵循Hubel和Wiesel的生理測電法,相繼的在眼肌被麻醉了的貓大腦視皮質區中,找到兩眼不同位置(即不同像差)反應的細胞,這類細胞被稱為像差敏感細胞(Disparitycell或Disparitydetectors)。
這些像差敏感細胞基本上可分為三種類型:
一類對零像差敏感(tunedexcitatorycell);一類對近像差敏感(nearcell)和一類對遠像差敏感,稱為遠細胞(farcell)。
至此,初步確定中央眼卻實在大腦中有專屬的細胞掌管。
即使找到了專屬細胞,仍無法解釋這個『中央眼』的這個現象,究竟是天生,還是後天訓練得來的。
到了1975年Blake與Hirsch展開了新一輪的貓眼視覺實驗,才更加確定像差敏感細胞確實是經過後天練習刺激所生成作用。
這個實驗讓一生下來的幼貓就戴上單眼眼罩(因應保護動物人士的要求,眼罩左右輪流戴,以避免後天性眼盲)。
使幼貓從來不用雙眼同時對焦的注視物體,讓大腦皮質區內的雙眼敏感細胞無法受到刺激而生長,從而再利用DavidHubel與TorstenWiesel的實驗方法,證實在這些戴眼罩的幼貓腦中找不到這些雙眼敏感細胞。
反之,有正常雙眼立體感的貓,就可以找到這些雙眼敏感細胞。
透過這項研究,終於證實大腦內確實存在著像差感應,也由於這樣的細胞存在,人類的中央眼感官才得以發揮。
DavidHubel與TorstenWiesel於1981年獲諾貝爾獎,感謝他們的實驗,開啟了人類更進一步認識視覺神經的先河。
3D立體視覺相機的誕生
LoreoPhotokit3D35mmcamera
2001年最新機種
雖然,一直到20世紀人類才真正明白視覺像差的產生。
不過,腦筋動得快的科學家商人,早已利用這項特性發展出各種不同的3D視覺工具。
英國科學家SirCharlesWheatstone(1802-1875)於1838年成為第一個利用像差原理作出立體鏡的人。
13年後,同是英國科學家的SirDavidBrewster(1781-1868),則以兩個透鏡做了一個立體看片箱,透過兩部相機同時拍攝的照片,放在一起觀賞。
由於Brewster是真正首位將這項技術成熟化的人。
截至今日的3DStereoCamera仍沿襲著當初的原始設計。
因此,部分採用透鏡式的立體看片箱的3D技術,也被稱做Brewster'sprismstereoscope來紀念他的功績。
即使在今天3D相機的主要配件,
還是少不了立體看片箱
此一技術到1876年又有革命性的發展。
早先的3D技術礙於相機機身龐大且重,玻璃底片品質參差不齊且曝光慢。
這種利用兩部相機,模擬兩隻眼睛的距離,同步拍攝的技術,無法普及。
而1876年之後終於有廠商願意投產新一代的攝影感光材料,底片的格式逐漸被確定,而且擺脫掉玻璃版的束縛,終於可以捲在賽路絡塑膠片上了。
至1913年底,新一代的3D相機被開發完成,透過兩個鏡頭,可同時成像在一張底片上,秀出兩邊不同鏡頭所拍下的畫面。
由此,3D相機首次進入便於攜帶的階段。
Homéos
JulesRichard,Paris,France
35mmviewfinderstereocamera
1920
Verascopef40
JulesRichard,Paris,France
35mmviewfinderstereocamera
1946
StereoGraphic
GraflexInc.,Rochester,NY,USA
35mmviewfinderstereocamera
1956
Sputnik
LeningradskojeOptiko-MechanitschskojeObjedinjenije(LOMO),USSR
MediumFormatReflexCamera
1962
FED
FED,Charcov,Ukraine
35mmviewfinderstereocamera
1988
ImageTech3DTrio
3DImageTechnology,Inc.,P.O.Box4300,Norcross,Georgia30091-4300,USA
1998
摘錄自S的3D相機目錄,網址
顯示了3D相機,並未隨著時代淘汰,而伴隨著我們一起成長。
最上方顯示著相機的品名,中間是製造公司和使用底片的格式,最下面是出廠年份
這是1950~60年代中期,某相機廠為了響應3D潮流所開發的單一3D外接鏡頭(見左圖)。
3D視覺效果,幾乎每隔20年就會風行一次。
不過,曇花一現的結果,讓這個鏡頭已成絕響,現在連照片都找不到,只剩當初的設計圖,真是叫人不勝欷噓。
特別要感謝熱心的香港網友梁偉棠先生,辛苦找出在20年前買的這類鏡頭並拍了以下的相片,轉寄到本站和網友分享這種特殊的3D鏡頭(日本製造STITZCo.)。
從照片中,我們可以清楚的看到,整個套件包含鏡頭,看片箱和專用的55mm轉接環。
未完待續..................
Mr.OH!
主述
ANAN策劃/編輯
立體眼鏡取代3D看片箱
續上一講....,受限於立體看片箱的大小,早期要享受3D視覺效果的人,必須緊緊縮在一個小框框之中。
而且雙眼距離因人而異,Brewster的設計不能滿足人們追求大視野與3D便利性的要求。
到了1950年代中期,彩色底片與攝影開始普及之後,有人發現若將立體圖的兩張照片,中左眼圖所有的白點轉換成綠點,右眼圖中的白點轉換成紅色點,並重疊成一張所謂的紅綠立體圖(anaglyph)-見下圖。
而紅綠點重疊處則成為藍色點(見左圖)。
此時你只要戴上兩眼色澤不同的有色眼鏡,左眼是紅色的鏡片(注意選擇讓綠色光線透不過去的紅鏡片或紅色玻璃紙),右眼是綠色的鏡片(同樣讓紅色光線透不過去的綠鏡片),則可看出這張混層圖的立體感,這種紅綠眼鏡儼然成為3D新寵。
同學們如果有興趣,可以按照上面的尺寸製做紅綠3D眼鏡
偏光立體眼鏡(polaroidstereoscope)-色盲者的3D福音
這種『紅綠3D眼鏡』直到1970年代中期,才由美國商業化成功。
從印刷漫畫到動畫電影,人們迫不及待的走進電影院,戴起紅綠眼鏡享受高質感的3D震撼。
從兒童讀物到成人雜誌,莫不感染此一流行3D風。
但是,這時候紅綠立體眼鏡開始困擾著一些觀眾,他們就是色盲族群。
由於,先天的遺傳問題,色盲通常對『紅綠』兩者色彩無法感應,也因此對他們來說無法理解究竟螢幕上到底在演些什麼?
電子偏光立體眼鏡和發信器
東方人罹患這種病症的比較少見,西方人則約有0.5%左右的不同程度色盲。
雖然,沒有確切證據指出『偏光立體眼鏡』是專為個族群所設計,但同學們倒可以從這個故事中體會,新發明是可以造福更多的人類。
偏光鏡立體和紅綠立體相似,在觀看以此方法製作的立體電影或投影片時,須戴上左右不同角度的偏光鏡(互為垂直角度);攝影製作時則以雙機或立體鏡頭取得左右眼之底片,轉以播放時在放映機鏡頭前疊上兩只偏光鏡(須設定與觀看者角度相同)投射在珠光銀幕上。
如此我們在觀賞立體電影時,便能左右眼各看不同視距的分圖,得到立體效果。
3D眼鏡內置螢幕特寫
這樣的作法的優點是立體感十足,色彩逼真。
缺點是成本太高,過去電影院在播放結束的時候,還必須回收這型眼鏡。
近年來由於科技的進步,偏光眼鏡改以進入家庭和電腦的方式繼續生存下來。
也出現了所謂『電子偏光立體眼鏡』,將小型TFTLCD置於鏡片位置,透過介面卡分流製造不同的電子訊號到左右眼的螢幕。
拋開眼鏡-享受立體
人類千方百計的想將立體感建立在2D平面上,就某種層面來說,已經到了走火入魔的地步。
就像是『非得想辦法騙倒自己的眼睛才甘心』!
實際上,立體圖的印製和立體攝影在歷史的發展軌跡上是非常近似的,也就是說同一時期有人鑽研3D攝影,就一定有另一幫人在研究3D印刷。
光柵印刷立體圖
3D立體圖的進步說來比攝影還更戲劇化。
3D立體圖印刷技術早在1928年即有,主要是以光柵印刷為主,並分為兩類:
背光縫隙黑幕式和線性鏡頭式。
透過這兩種方式,觀賞者無須配戴任何眼鏡,即可呈現出些微的立體感。
它是將3組或3組以上的不同視角影像壓縮於同一平面,上再經由光柵放大還原,使觀測者在不同角度可看到不同視角的影像。
這類印刷物最出名的該是1967年不丹王國發行了世界第一套立體郵票,其後陸陸續續有非洲莫三比克等,先發行類似的立體生態郵票。
亂點印刷立體圖(SIRDS)
1960年代興起的新技術,在製作上須將連續圖案作局部左右平移,使用一系列灰階或彩色圖案以明暗區分立體深度,現在已有方便的電腦軟體可供代勞。
觀看時也不需要帶特殊眼鏡,但須訓練眼球肌肉將視線聚焦於無窮遠處(也有人先貼近圖片後,再拉遠觀看),不是人人可以看到這種合成3D圖形。
Dr.BelaJulesz是第一個以這種隨機亂點製作出有立體感錯覺的人(見下圖-可點選放大),但約有10~15%的人無法訓練自己的雙眼接受這種隨機點立體圖(Single-imageRandom-dotstereogram,簡稱SIRDS),Mr.OH!
附上兩張這類SIRDS的彩色版,考考同學們的視力。
全像立體圖(Hologram)
雷射發明後,實際應用在立體攝影技術的貢獻之一。
並且讓該技術的創始人英國物理學家D.Gabor(1900~1979)於1971年獨自榮獲諾貝爾物理獎。
Holography利用兩組雷射光掃描固定景物(一般以塑像為主),在底片上留下光線干涉條紋。
你在觀看這種照片時,不管從哪個角度,妳都可以看到掃瞄時的那一面。
該技術印刷成本低廉,效果顯著,在1985年,又革新以鋁箔代替底片,也就是俗稱的雷射貼紙。
不過,器材成本昂貴,加上幾乎無法變造,成為紙鈔和重要金融商品的防偽標籤。
電腦加入立體運算-3D虛擬實境
電腦的計算能力越強大,製作3D影像的能力與速度也就越強。
掌握人類雙眼像差的程度與物體的距離,距離越近,像差越顯著;反之則越小的基本原則。
立體影像鮮活的呈現在人們的生活之中,舉凡電影特校,CAD工業設計,甚至連網站美工都逃脫不開3D設計。
雖說,大多數的電腦3D視覺還停留在2D平面的演繹階段,不過,當加入材質,光影和合成背景之後,人眼幾乎難分真假。
我們很難預言,電腦的發展會超越一個怎樣的階段,不過,可以確定的一點是3D影像將繼續伴隨人類的生活而成長。
相關參考網址:
http:
//www.amsreview.org/amsrev/theory/holbrook11-97g.html
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- 影像 原理 制作