雙目立體視覺的定義與理解

在某些動(dòng)物如牛、馬、羊等，它們的兩眼長在頭的兩側(cè)，因此兩眼的視野完全不重疊，左眼和右眼各自感受不同側(cè)面的光刺激，這些動(dòng)物僅有單眼視覺。

人和動(dòng)物的雙眼都在頭部的前方，兩眼的鼻側(cè)視野相互重疊，因此凡落在此范圍內(nèi)的任何物體都能同時(shí)被兩眼所見，兩眼同時(shí)看某一物體時(shí)產(chǎn)生的視覺稱為雙眼視覺。 雙眼視物時(shí)，兩眼視網(wǎng)膜上各形成一個(gè)完整的物像，由于眼外肌的精細(xì)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可使來自物體同一部分的光線成像于兩眼視網(wǎng)膜的對(duì)稱點(diǎn)上，并在主觀上產(chǎn)生單一物體的視覺，稱為單視。 眼外肌癱瘓或眼球內(nèi)腫瘤壓迫等都可使物像落在兩眼視網(wǎng)膜的非對(duì)稱點(diǎn)上，因而在主觀上產(chǎn)生有一定程度互相重疊的兩個(gè)物體的感覺，稱為復(fù)視。 雙眼視覺的優(yōu)點(diǎn)是可以彌補(bǔ)單眼視野中的盲區(qū)缺損，擴(kuò)大視野，并產(chǎn)生立體視覺。

雙眼視物時(shí)，主觀上可產(chǎn)生被視物體的厚度以及空間的深度或距離等感覺，稱為立體視覺。其主要原因是同一被視物體在兩眼視網(wǎng)膜上的像并不完全相同，左眼從左方看到物體的左側(cè)面較多，而右眼則從右方看到物體的右側(cè)面較多。來自兩眼的圖像信息經(jīng)過視覺高級(jí)中樞處理后，產(chǎn)生一個(gè)有立體感的物體的形象。然而，在單眼視物時(shí)，有時(shí)也能產(chǎn)生一定程度的立體感覺，這主要是通過調(diào)節(jié)和單眼運(yùn)動(dòng)而獲得的。另外，這種立體感覺的產(chǎn)生與生活經(jīng)驗(yàn)、物體表面的陰影等也有關(guān)。但是，良好的立體視覺只有在雙眼觀察時(shí)才有可能。 立體視覺是人眼對(duì)看到的景象具有的深度感知能力，而這些感知能力又源自人眼可以提取出景象中的深度要素。

除了雙目視覺可產(chǎn)生立體感外，單眼看空間景物時(shí)，也能辨別物體的前后深度，具有一定的立體感。對(duì)于三維顯示技術(shù)，更為全面地了解眼睛的立體視覺因素具有重要的意義。現(xiàn)代心理學(xué)公認(rèn)有十種要素來察覺像的深度，其中涉及生理機(jī)能的有四種，涉及心理暗示的有六種。 (1) 雙目視差(binocularparallax)。由于人的兩只眼睛存在間距(平均值為65mm)，因此對(duì)于同一景物，左右眼的相對(duì)位置(relativeposition) 是不同的，這就產(chǎn)生了雙目視差，即左右眼看到的是有差異的圖像。 (2) 眼睛的適應(yīng)性調(diào)節(jié)(accommodation)。人眼的適應(yīng)性調(diào)節(jié)主要是指眼睛的主動(dòng)調(diào)焦行為。眼睛的焦距是可以通過其內(nèi)部構(gòu)造中的晶狀體進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)的，焦距的變化使我們可以看清楚遠(yuǎn)近不同的景物和同一景物的不同部位。一般來說，人眼的最小焦距為1.7cm，沒有上限。而晶狀體的調(diào)節(jié)又是通過其附屬肌肉的收縮和舒張來實(shí)現(xiàn)的，肌肉的運(yùn)動(dòng)信息反饋給大腦有助于立體感的建立。即使我們用單眼觀看物體，這種立體感也是有的，所以可以說是單眼深度暗示?？墒沁@種暗示只在與其他雙眼暗示組合在一起，而視距又在2m 之內(nèi)時(shí)才是有效的。 (3) 單眼移動(dòng)視差(motion parallax)。運(yùn)動(dòng)視差是由觀察者和景物發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，這種運(yùn)動(dòng)使景物的尺寸和位置在視網(wǎng)膜的投射發(fā)生變化，從而產(chǎn)生深度感。當(dāng)用一只眼睛看一個(gè)固定物體時(shí)，則調(diào)節(jié)就成為對(duì)深度感的唯一有效暗示?？墒?，如果觀看位置是允許移動(dòng)的，我們就可利用雙目視差這種效應(yīng)從各個(gè)方向觀看物體。這個(gè)效應(yīng)就稱為單眼移動(dòng)視差。特別重要的是，當(dāng)觀看者移動(dòng)得相當(dāng)快速時(shí)，如坐在飛機(jī)上或極快的列車上，更是如此。 (4) 會(huì)聚(convergence)。當(dāng)雙眼觀看物體上的一點(diǎn)時(shí)，兩只眼睛的視軸將會(huì)聚，兩視軸的夾角稱為會(huì)聚角。對(duì)于空間不同物點(diǎn)，視軸將發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)這種會(huì)聚，人眼肌肉需要牽引眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，肌肉的活動(dòng)反饋到人腦時(shí)就會(huì)給出一種深度感覺。實(shí)驗(yàn)表明，在適應(yīng)性調(diào)節(jié)和會(huì)聚之間是存在著相互作用的，一方面對(duì)應(yīng)于一定距離的會(huì)聚信息自動(dòng)地引起一定程度的調(diào)節(jié)，另一方面調(diào)節(jié)的信息也影響會(huì)聚。這一效應(yīng)可由簡單實(shí)驗(yàn)來證明，即我們先遮住一眼，移動(dòng)另一眼所注視的物體，當(dāng)物體的距離突然由無限遠(yuǎn)改變?yōu)?0cm時(shí)，則會(huì)聚需要有0.2?0.3s 時(shí)間才能對(duì)調(diào)節(jié)所給出的距離信息作出響應(yīng)。

深度感的心理學(xué)暗示

(1) 視網(wǎng)膜像的相對(duì)大小。同樣大小的物體，當(dāng)觀看距離不同時(shí)，在視網(wǎng)膜上成像的大小也不相同，距離越遠(yuǎn)，視網(wǎng)膜像越小，見圖1?；蛘哒f，視線方向上平行線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)隨著視距的增大，在視網(wǎng)膜上所成像點(diǎn)的距離線性減小。由此，可通過比較視網(wǎng)膜像的大小來判斷物體的前后關(guān)系。

圖1線性透視

(2) 根據(jù)視覺這一現(xiàn)象形成了一種繪畫方法||線性透視法，透視法是在平面上表現(xiàn)立體感的最有效的方法，在繪畫藝術(shù)中被廣泛采用。但對(duì)于傳統(tǒng)的中國畫，不太遵循透視繪畫原理，例如在著名的韓熙載夜宴圖中(圖2(a))，人物的大小看起來不是很協(xié)調(diào)，這是一種透視錯(cuò)覺，其原理如圖2(b)所示，圖中人物的圖像尺寸是一樣的，但看起來遠(yuǎn)處大一些。

圖2透視錯(cuò)覺

(3)視野。人眼的視野很寬，水平方向約220±，垂直方向約130±，呈橢圓形。但在通常的顯示方式中，圖框均在視野之內(nèi)，因此缺乏立體視覺的身臨其境感。為此，增大畫框或者使畫框不清楚，可以增強(qiáng)立體感。例如，寬銀幕電影的立體感就比窄銀幕的強(qiáng)，而全景電影由于沒有畫框，立體感更強(qiáng)。

圖3空氣透視

(4)光和陰影。物體上光亮部分和陰影部分的適當(dāng)分配可以改變或增強(qiáng)立體感，陰影及影子對(duì)深度感也是心理學(xué)上重要的暗示。 (5)空氣透視。對(duì)于同一場景，近處的景物比遠(yuǎn)處的景物或多或少有些模糊，這樣也可以產(chǎn)生深度暗示。景物越遠(yuǎn)，其發(fā)出的光線被空氣中的微粒(如塵埃、煙、水汽) 散射越多，因而顯得越模糊, 如圖3所示。 (6)重疊。當(dāng)景物有相互遮擋時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生深度暗示，如圖4所示，包含球體、柱體和立方體三個(gè)幾何體，三個(gè)幾何體在不同遮擋情況下將產(chǎn)生不同的立體視覺。

圖4重疊產(chǎn)生的深度視覺

深度感的生理機(jī)能是三維顯示最重要的依據(jù)，而心理學(xué)暗示所產(chǎn)生的立體感一般用于平面顯示技術(shù)之中，如繪畫和立體畫，圖中在地上爬的兩個(gè)人中一個(gè)是真實(shí)的人，而另一個(gè)卻是畫在地面上的。以心理學(xué)暗示或主觀經(jīng)驗(yàn)對(duì)圖像產(chǎn)生的立體知覺不存在視差，即兩只眼睛看到的圖像是一樣的，當(dāng)然更不能期望通過移動(dòng)眼睛或圖片去看到物體的不同側(cè)面。

大家在看3D電影的時(shí)候你需要領(lǐng)取一副3D眼鏡，你就可以發(fā)現(xiàn)電影里的畫面如同真實(shí)般的浮現(xiàn)在你的眼前。

但你知道3D眼鏡為什么能夠達(dá)到這種效果呢？是因?yàn)槲覀儬I造了立體視覺，3D眼鏡欺騙了我們的大腦，把屏幕上的東西認(rèn)為是立體的。 什么是立體視覺呢？簡單來說，立體視覺是指通過雙眼視覺獲得可見對(duì)象的深度和距離的過程。 我們有兩個(gè)眼睛，眼睛從不同的位置接收物體產(chǎn)生的光線，就形成了視差。雙眼視覺形成的視差可以輔助產(chǎn)生精細(xì)的深度知覺，進(jìn)而產(chǎn)生立體視覺。

我們可以用一個(gè)非常簡單的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種現(xiàn)象。首先，盯著你附近的一個(gè)物體，然后用手遮掉一只眼睛，交替遮掉另一只眼睛，你看到的物體的角度是一樣嗎？

這樣你就可以感受到視差的存在了。

除了3D眼鏡，我們還可以用什么方式營造立體視覺呢？接下來，創(chuàng)客達(dá)芬奇用三個(gè)方法和若干例子，帶你看看營造立體視覺的各種方式。

方法一：視覺陷阱

制造視覺陷阱的方法有很多，比如下面這個(gè)“跟著你動(dòng)的眼睛”的制作，就是這么一個(gè)案例。

另一個(gè)制造視覺陷阱的就是浮動(dòng)方塊了。它利用半個(gè)立方體欺騙你的大腦，讓你誤以為是一個(gè)浮動(dòng)的立方體。與之相似的還有盯著你看的小恐龍，同樣也是利用半個(gè)立方體來欺騙大腦 視覺陷阱經(jīng)常被用于藝術(shù)創(chuàng)作中，比如街頭藝術(shù)的立體畫，就是用到了視覺陷阱的原理。

不要以為立體畫只有現(xiàn)在才有哦，早在巴洛克時(shí)期就有立體畫了。比如下面這幅是文藝復(fù)興時(shí)的代表作《大使們》，從畫的側(cè)面看，你能發(fā)現(xiàn)一個(gè)用視覺陷阱畫成的骷髏。

此外還有讓畫面人物逃出畫框的畫法，也是用到了視覺陷阱。用立體視覺讓人物撲面而出，比如十九世紀(jì)卡索的這幅《潛逃》

用同樣的原理，我們還可以在普通的電影畫面中加上兩條白線，產(chǎn)生一個(gè)類似畫框的效果，讓畫面突出畫框，形成立體視覺。

方法二：全息投影

第二種方法是利用全息投影的方法，利用多光源的干涉和衍射制作出來的立體效果。目前全息投影的技術(shù)還沒完全成熟，不過我們可以通過制作“偽全息投影”來欺騙眼睛，獲得立體視覺。

這是一個(gè)利用四塊亞克力板和一個(gè)手機(jī)投影做成的“偽全息投影”，這種方法常用語商品展示中，你自己也可以做一個(gè)，換一個(gè)角度看是這樣子的。

第三種方法：產(chǎn)生視差

第三種方法，就是讓我們的兩個(gè)眼睛看到不同的畫面，讓眼睛誤以為產(chǎn)生視差，從而達(dá)到立體視覺的效果。我們熟悉的3D眼鏡、VR眼鏡就是利用這種原理。 3D眼鏡分為兩種：色差式眼鏡和偏振式眼鏡。它們都是讓左右眼屏蔽一部分光，從而欺騙眼睛看到兩種不同的圖像，進(jìn)而產(chǎn)生視差。

它們的屏蔽方式不一樣，色差式是利用不同的鏡片顏色來屏蔽光線；偏振式是利用兩個(gè)互相垂直的偏振片來屏蔽某個(gè)方向的光。

下次去看3D電影的時(shí)候，看看你拿到的是色差式還是偏振式的眼鏡。 而VR眼鏡用的也是類似的原理，只不過它直接分別在兩只眼睛前面顯示不同的畫面，從而產(chǎn)生視差，欺騙了你的眼睛。

總結(jié)一下，我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)了三種制造立體視覺的方法，分別是視覺陷阱、全息投影和產(chǎn)生視差。 雙目立體視覺這一有著廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，隨著光學(xué)，電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將不斷進(jìn)步，逐漸實(shí)用化，不僅將成為工業(yè)檢測，生物醫(yī)學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。目前在國外，雙目立體視覺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，生活中，而我國正處于初始階段，尚需要廣大科技工作者共同努力，為其發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

審核編輯：郭婷