空间深度和立体视觉(1).doc

空间深度感与立体视觉
我们生活的世界是三维的，但是这并不是大脑的视觉系统直接得到的结论，因为人眼是通过在视网膜上的成像来观察物体的，由于视网膜是二维的，所以在它上面生成的图像也是二维的，从视网膜上得到的信息来看，出现的事物应该是二维的，但我们看到的却是三维的世界。
这是因为人眼能产生立体视觉的重要基础是空间深度感。人眼在观察物体时，能一定程度上定性的长生距离远近的感觉，这种远近的感觉叫做空间深度感。无论是单眼还是双眼，观察时都有空间深度感，但双眼的深度感比单眼的强而且可靠。
1、单眼的深度感
1）依据几个物体之间的相互遮蔽关系，判断其相对远近；
2）对高度相同的物体，可依据其对应的视角来区分远近，视角大者距离较近。这也就是常说的“近大远小”的来由；
3）根据对物体细节的辨认程度也能比较物体的远近；
4）通过眼肌收缩的紧张程度感知远近，但是这种感知只在近距离有效（2、3米内）；
5）依据经验对熟悉的物体判定远近。
2、双眼深度感与立体视觉
双眼观察到时候，除了以上的因素产生深度感觉之外，最重要的因素就是视差。
人有两只眼，两眼之间有一定的距离，这就造成物体的影像在两眼中有一些差异，也就是左右眼会形成一个视差，而大脑会根绝这个视差来感觉到立体影像。
当人注视一个平面物体时，它的每一点都落在两眼视网膜的对应点上,视象互相吻合（图1）。AB为平面物体,如果两眼注视物体中间的Z点,Z便落到双眼视网膜中央凹的z′、z″，A和B部分也落到双眼视网膜的对应部位a′、a″和b′、b″。如将两眼视网膜重合起来,两个视象的位置是互相重合的,这时人就会知觉到一个平面的物体。

当人看一个立体物体时，两眼视象便不完全落到对应部位。因为两眼之间有60～65毫米的目间距，所以左眼看物体的左边多些，右眼看物体的右边多些，两个视网膜象不完全重合，它们都偏向鼻侧（图2 ）。

ABZ为一个立体（三角锥），当眼睛注视Z点时，Z便落到两眼中央凹的z′、z″点上，A和B分别落到a′、a″和b′、b″上。a′与a″,b′与b″为非对称点,视象向鼻侧偏移，即。这样,立体的客体在两眼视网膜上的呈象就有了差异，这个差异就叫双眼视差。双眼视差是深度知觉的主要线索。两眼的不对应的视觉刺激转变为神经兴奋，传到大脑便形成深度知觉。双眼视差作为深度知觉线索的作用可通过实体镜加以证实。

图3说明同视界的概念。

当用两个眼睛观察外界空间的一个物体F时,两个眼睛必然同时注视在这个物体上，物体在两眼中央凹上成象，如f′和f″。这时,通过F和两眼水晶体形成的圆周上的各点,也都在两眼视网膜上相对应的点上成象。这个圆周称作同视界。同视界上任何一点在左右眼上的象在大脑中融合成为单一的视象。不在同视界上的各点，无论较远或较近的点刺激两眼视网膜时，都在非对应点上成象，形成视差，从而看起来比所注视的物体显得远些或近些。如C远于F，左视网膜上c′和f′的距离大于右视网膜上的c″和f″的距离,c′和c″是非对应点,这个视差就会引起C远于F的知觉。
********资料：立体视觉的应用********
1、立体电影
人以左右眼看同样的对象，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并不完全相同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。立体电影的原理即为以两台摄影机仿照人眼睛的视角同时拍摄，在放映时亦以两台投影机同步放映至同一面银幕上，以供左右眼观看，从而产生立体效果。
拍摄立体电影时需将两台摄影机架在一具可调角度的特制云台上，并以特定的夹角来拍摄。两台摄影机的同步性非常重要，因为哪怕是几十分之一秒的误差都会让左右眼觉得不协调;所以拍片时必须打板，这样在剪辑时才能找得到同步点。
放映立体电影时，两台投影机以一定方式放置，并将两个画面点对点完全一致地、同步地投射在同一个银幕内。在每台投影机的镜头前都必须加一片偏光镜，一台是横向偏振片，一台是纵向偏振片(或斜角交叉)，这样银幕就将不同的偏振光反射到观众的眼睛里。观众观看电影时亦要戴上偏振光眼镜，左右镜片的偏振方向必须与投影机搭配，如此左右眼就可以各自过滤掉不合偏振方向的画面，只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机放映的画面，右眼只能看到右机放映的画面。这些画面经过大脑综合后，就产生了立体视觉。
在戴眼镜观看的立体电影中，广泛采用着彩色眼镜法和偏光眼镜法。
彩色眼镜法是把左右两个视角拍摄的两个影像，分别以红色和青（或绿）色重叠印到同一画面上，制成一条电影胶片。放映时可用一般放映设备，但观众需戴一片为红另一片为青（或绿）色的眼镜。使通过红镜片的眼睛只能看到红色影像，通过青色镜片的眼睛只能看到青色影像。此法的缺点是观众两眼色觉不平衡，容易疲劳；优点是不需要改变放映设备。初期的立体电影常用这种方法。
偏光眼镜法的立体电影，从1922年开始一直为各国所重视，有些国家已和大视野的电影相结合，拍成质量更高、效果更好的彩色立体电影。这种电影在放映时，左右画面以偏振轴互为90°的偏振光放映在不会破坏偏振方向的金属幕上，成为重叠的双影，观看时观众戴上偏振轴互为90°、并与放映画面的偏振光相应的偏光眼镜，即可把双影分开获得立体效果。由于制作和放映工艺的不同，偏光立体电影有双机和单机之分。1985年的筑波博览会上展出了70毫米大银幕彩色立体电影。自60年代以来，中国拍摄的立体电影是偏光立体电影。
在70年代研试了全息立体电影，观看时不必戴眼镜，有很大的影像亮度范围。由于观众眼睛的视觉调节和收敛是自然的，不会引起过分紧张和疲劳，观众只要转动头部，即可看到如同实物那样的位置变化，比普通电影有更大的深度感，就象真实物体那样。这种电影仍在研究试验阶段。

2、三维内窥镜
3、三维立体画
我们之所以能分辨物体的空间位置，是因为我们有一对眼睛，所以看到的物体就不是象照片一样平面的感觉。原因是左、右眼看到的图像并不相同，之间细微的差别被大脑识别，用经验即可判断物体的空间位置。在五、六十年代的欧美国家，曾经流行看一种“立体镜”。实际上是这样一种镜子。它能使左眼和右眼分别看到两张照片， 这两张照片是用两部照相机，置于双眼的位置拍摄所得。在人们用立体镜看去时，就会呈现立体感觉。

还有一个视点的问题，人们看某物时不会前、后都清晰，当我们把视点调到前面时，后面就会模糊，反之前面就会模糊。当然，这些调节是我们无意识的。我们想看清什么物体时，就马上把视点调到它上面。
三维立体画也是相同的原理，看画时把视点落在立体画后面合适的位置，使左眼看到的画面与右眼错开一个单位块。左、右眼也就看到不同的图案。如果我们把这两幅图案做成象左右两张照片一样有一定差别，就能看出立体效果。
方法： 把视点调到物体后面，对于一个初看三维立体画的人来讲并非易事，可以循序渐进，按以下步骤来：1： 在面前（25厘米处）伸出手指，眼睛看手后面的物体，比如地面，此时应发现手指已变成两个。2：平行伸出两个手指，相距3厘米左右，眼睛看地面，使手指看作四个，努力使中间两个手指并在一起，成为三个手指。3： 在纸上画两个小圈，相距约三厘米，象刚才一样把视点调到纸后面，使两个圆圈重合成一个。经过以上练习，如果都通过的话，就可以用同样的方法看三维立体画了。但要注意，图画上下两边一定要与双眼平行，斜着不会看出来的。但倒过来(180度)能看出，不妨请一试。还有一点，如果眼睛近视，一般不会有什么妨碍，但如果双眼视力相差过大，就一定要照顾双眼，调节眼与纸之间的距离，使双眼看到的图案都较清晰，而不是一边很清晰一边模糊。