立体影像形成原理及实现方法.pdf

第 3 5卷第 5 期 2 O 1 4年 物 理 教 师 PH YSI CS T EAC H ER Vo 1 3 5 No 5 (2 0l 4)色，右 眼 图片 呈 现 蓝(青)色 在 观 看 时，在 左 眼 睛前 面 放置 一张 红色 透 明滤色 片，右 眼睛前 面放 置一 张蓝 色 透 明滤 色片 由于红 光 只 能透 过 红 色滤 色片，蓝 光 只 能 透 过蓝 色滤 色片，这 样就 顺利 实现 了左 眼 图片只 能进 入左 眼，右 眼 图片 只能进 入 右 眼 的 目的，从而 形 成 逼 真 的 三 维 立 体 感 这种方法实现起来非常容易，只要有红 蓝立体 图片或 视频源(可从 网上搜 索下载)，再加上 红蓝 滤色 片(如 红蓝 玻璃纸)，那 即使 在教 室或 家 里，也 能通 过 普通 的电 脑屏 幕、投影屏幕观看立体 图片或立体 电影 了 当然，由于进入 左右眼的光线强度减弱，因而亮度 不够强，效果 不是太 好 但如果学生能在课 堂或家中看到立体 图片或 电影，这 无疑 能激发学生的学习兴趣和动机 2 2 分光法 这是课本介绍的方法，电影院 的立 体 电影就是用 这种 方法来实现 的 常见 的光 源都 会 随机 发 出 自然 光 和偏 振 光，分光技术是用偏振滤光镜或偏 振片滤除 特定角度 偏振 光以外的所有光，让 O。偏 振光 只进入右 眼，9 O。偏振光 只进 入左眼(也可用 4 5。和 1 3 5。的偏振 光搭配)两种 偏振 光分 别搭 载着 两套 画面，观众 则需 要戴上 专用 的偏 光 眼镜，眼 镜的两片镜片 由偏振滤 光镜 或偏振片制成，分别可 以让 0。和 9 O。的偏振光通过，这样就完成 了第 2次过 滤 早期 的 电 影投影机必须使用 双投 影机加偏振光 滤镜的方 案，现 在 已 经可以用 单投 影机来实 现，不过都必须 配合不 破坏偏 振光 的金属投影幕才能使用目前 家庭 3 D 电视 基本 上也 已采 用这种方式来 实现立体影像 的观看 2 3分时法 分时技术 是将 2 套 画面在不 同的 时间播放，显示 器在 第 1次刷 新时播放 左眼画面，同时用专 用 的眼镜遮住 观看 者的右眼，下 1 次刷 新时播 放 右眼 画面，并遮 住 观看 者的 左眼 按照上述方法 将两 套画 面 以极 快 的速度 切换，在 人 眼视 觉暂 留特性 的作 用下就 合 成了 连续 的画面 目前，用 于遮住左 右眼的眼镜用 的都 是液 晶板，因此 也被称为 液晶 快 门眼镜 有些 电视 台播放的立体视频 节 目就 是用这 种方 法 实 现 的 2 4立体光栅法 立体 光栅 法是利用 一种光 栅材 料使 图像 影 物具有 立 体感 的制作方 法 所 印制 出的立 体 图片，无须 用什 么工 具 观察，就能看到立体 感的 图像 目前 很多 无需 佩戴 眼镜 就 能观看 的立体 电视就是采用 了这种技术 光栅技术 和前 3 种差别较 大，它是 将屏幕(或 图片)划 分成一条 条垂直方 向 上的栅 条(图 5)，栅条 交错 呈现左 眼 和右 眼 的 画面，如 1，3，5 显 示 左 眼 画 面，2，4，6 显 示 右 眼画面 然后在屏幕 和观 众之 间设一 层“视 差障 碍”视 差 障碍也是 由垂直方 向上 的栅 条组 成的，最简单 的栅条 就是 间隔一致 的黑条光栅(图 6)，光栅距 后面 的画面有 一点 间 隔，由于我们 两眼不在 一个 点上，两 眼透 过一条 缝 隙看 到 后面 的画面不在一处，因此，只要 适当设 置栅条 的分布，就 能使左眼 只能看 见左 图，右 眼 只能看 见右 图，从 而 实现 立 体感(两种颜色代表交替的两幅画面)图 5 交替呈现的图片-I-Y-A 眼睛 图 6 比黑条光栅效果好 的是柱镜光 栅，它 由一 条条的柱 面 透镜组成(图 7)，柱面透镜与图片栅条平行，左 右 图片基 本 处于柱面透镜的焦平面上 由于焦平面上 的点发 出的光线 经过透镜后 将变 为平 行 光线，从而 只 能射 向特定 的方 向 (图 8)，因此，如果让左 眼恰好处 在左 图片光线 射 出的特定 方向，右 眼恰好处在右 图光线射 出 的特定方 向，那 么，左 右 图片发出的 光就 只能 分 别进 入 左右 眼，从 而 实现 了立体 感 顺便一提 的是，由于柱镜的焦距 非常小，所 以眼睛 以正 常距离观看图片时就可近似认 为人眼在无 穷远处，从 而顺 利观看到立体效果 市场上 常能买到这种 柱镜光栅 立体 图 片 另外，有些学生用的刻度尺上也 有类似 的图片，但它 的 目的不是想 呈现 立体 图 片，而 是想 呈 现 出几 张 不 同的 图 像，但原理基本相 同 图 7 图 8 除了以上介绍的 4种立体成像 实现方法 外，还 有一种“视点调节 法”，它 是将“左右 图 片”左 右并 排 呈现 在 屏幕(图片)上，然后利用对 眼(“斗鸡 眼”)的方 法来达 到观看立 体图片的效果，但利用对眼法需要 经过一 定的训 练才能观 看 当然，如果无 法直 接用 对眼法进行 观看，也可购 买专业 立体 观屏镜 观看 具体方 法本 文不 再介 绍，有兴 趣 的读者 可以参 看“中国 3 D立体摄影 网”中的介绍 3如何拍 摄和 制作 立体 图片 一般 的立体 图片或 影视 作 品是通 过专 业仪 器设 备来 进行拍 摄和制 作的 但 只要是 要求 不高，也 可 以用普 通 的 数 码相 机和软 件来 拍 摄并 制 作 立体 图 片 过 程其 实 很简 单，对着景物先拍摄一张，不改动相机 的设置，不要 侧歪相 机，水平移动一点再 拍一 张 即可 至于 移动 多大 的距 离才 合适呢?根 据经验，左机位、景物、右机位 3者间 的夹角要 在 O。1 2。之间 在这 个范 围内移动都 能拍到立 体组 图，只 不过是立体感 的强弱 问题 而 已 具 体来 说：要 微距 拍 摄昆 虫花卉就 只需 移 动 几 mm，要 拍 摄 居 家生 活 就移 动十 多 c m，如果要拍 摄山川风景就要移动好几步 总之掌握在 l 2。之 内就行，多练习就完全能够熟 练掌握 另外，也 有人提 出 一个简单 的计算公式：移动距离 一摄影景物的距 离 5 0 Vo I 3 5 No 5 (2 01 4)物 理 教 师 PH YSI CS TEA C H ER 第 3 5 卷第 5期 201 4钲 巧用 3 D彩色 眼镜探 究颜 色的决定 因素 江 宁(南通 市第 三中学，江苏 南通2 2 6 0 0 1)摘 要：在 自然光下使用彩色玻璃来探 究颜 色的决定 因素，效果甚微 本文说 明 了利用 3 D 彩色眼镜取代 彩色玻 璃来进行实验的原 因，并介 绍了如何 巧用 3 D彩色眼镜 来完成此探 究实验 关键词：3 D彩色 眼镜；物体 的颜色；实验；探 究 l 问题 的提 出 在探究“物体颜 色的决定因素”时，受实验 条件限制，教 师通常采用演示实验和理论推 导的方式，最终让学 生接受：“不透明物体的颜色，是 由它 反射 的色 光决 定的；透 明物体 的颜色，是 由透过它 的色光决定 的”在实验 中，最常见 的限 制条件就是彩色玻璃问题，诸如玻璃 的颜 色种 类单一、颜 色 不纯、滤 光性不 良等 如果没 有彩色 玻璃，有 的教 师干脆用 有色 的生活用品如绿玻璃瓶、蓝玻璃杯等，甚至用透 明玻璃 涂上颜料或在装水烧杯中加染料来代替 由于器材 的短缺，最终 的实验效 果 可想 而知 为 了 自圆 其说，教师 往往 解 释 道：“白天光线太强、玻璃质量不好、学生眼睛的错觉”等 科学探究来不得半点虚假 在学习了白光的色散 以及 3 原色光 的合成后，学生 虽然能够 在教师 的启发下 认识物 体 的颜 色原理，但没有经过真正的实验验证，学生 的脑海 中没 有深 刻的印象，最终学 生是持着 半信半 疑的态度 接受 了教 师所传授 的知识点，以至于若 干年后有些 学生 有条件 完成 此类 实验时，学生对最终所看到的实验现象惊讶不已 彩色玻璃的正确使用在“物体 的颜色”知识点 的学习 中，起着至关重要 的作用，由于它易损 易缺，所 以 要想办法找到 替代品，而 3 D彩色眼镜的镜片不失为一个更好的器材 2 3 D彩 色眼镜 的原 理和选 用理 由 根据分色立 体成像 原理，利用 两 台不同 视角 七拍 摄 的影像分别以两 类不 同 的颜色 印制 在 同一 副画面 中 用 肉眼观看 的话会呈 现模 糊的重影 图像，通过 3 D彩色眼镜 对色彩进行红色和绿、蓝 色等颜 色 的过 滤，使 眼睛 形成视 差，此 时两 只眼睛看 到 的不 同影像 在 大脑 中重 叠就 会呈 现 出 3 D立 体 效 果 常 见 的 3 D 彩 色 眼镜 的颜 色 主要有 红+青、绿+品红、蓝+棕黄 3种 现 用 红+青色 眼镜 来说 明成 像 原理，如 图 1所 示：左 放映机 的红 色画 面通 过 红 色 镜 片(左 眼)，拍摄 时的红 色像 素通 图 1 过左 眼镜 还 原，其 他颜 色 被红 色 镜 片 吸收；右放 映 机 的 绿、蓝色 面通过 青 色镜 片(右 眼)，拍 摄 时的绿、蓝色像 素通过右 眼镜 还原，其他颜色 被青 色镜片 吸收，最终过 滤 的 3 原色 在大脑 中叠加，从而产生真实色彩 的立体 画面 拍摄完后就 是立体 图片 的制 作 由于 条件 限制，我们 可 以制作 的立体 图 片主要是 用于 分色法 或视 点 调节 法观 看 的图片 其中视点 调 节法的立 体 图片制 作非 常 简单，只 需要将左 右 2 张 图片并排平 行放置就 行，最 简单 的办 法就 是将它们并排放置 在 wo r d中 制作 分色法 则相 对复 杂一 点，一种办法是利用绘 图软件 P h o t o s h o p将左 右图 片分别 调成红色 和蓝(青)色 然 后再 合并 为一 张 图片，具体请 到 网上搜索“如何用 P S制作平 行和 红蓝立 体 图片”还 有一 种办法是利用专业 软件“i 3 D P h o t o”进行制作，这 种办法 简 单 易行，只要把拍摄 的两 张照 片扔进 软 件 中就可 以 了，其 使用 方法 本文也不再介绍，请读者 自行 网上搜索 4展 望 事实上，上述介绍的立体影像 观看方法 或多 或少都有 不足 有的需要佩戴 眼镜，观看 时间一 长眼睛就 容 易受 到 损害，严重 的甚至会 患上 青光 眼等 眼病，因此佩 戴立 体 眼 镜观看时应该注意 用眼卫 生，不能 长 时间 观看 有些 虽 然 能裸眼观看 但分 辨率 相对较 低，且 只能在 一 个较 狭窄 的 特定角度范围观看 才行，超 过这个 范 围就 无法 观看 了 而 且，上述方法都是通 过技 术手段来 欺骗眼睛的假 3 D 为此，不少科 学家正 在 研制 真正 的三 维立 体显 示 器 真正的三维立体显示首先要摒 弃传统 的二 维显 示空 间，实 现在物理三维空 间 的显 示，且在 空 间范 围内 3 6 0。可 视，而 且不采用虚拟显 示眼镜 这类 辅助设 备 的光学 方法 产 生双 目视差，对于所显 示物体的每一个点 在三维空 间都具 有对 应的像点 在计算 机硬 件技 术没有 突破 性 发展 之前 这是 无法实现的，因为 即使 一个 很小、很 简单 的物 体也 都 包含 有大量 的数据信息，这将对 数据存储 和处理速 度提 出很高 的要求 但 随着计 算机 硬件 性能 的提 高，现 在 已经可 以满 足处理这类数据 的要求 了 相信 在 不远 的将来，我们 就可 以看到真正 的类 似科幻 中的三维显示场景了 参 考 文 献：1 刘剑锋 探究奇妙 的明信片 J 中学物理(高中版)，2 0 1 1(3)：1 1 1 2 2 王冬翠等 关于立 体视 觉与 真三 维立 体显 示技术 J 现代 显 示，2 0 0 9(9)：1 6 2 9 3 孙延禄 关于 3 D电影成像基本 原理 的正 确表述 J 现代 电影 技术，2 O 1 0(3)：6 3 6 4 4 花雷等 3 1)电影诱 发急性 闭角型青 光眼 1例 J 国际眼科 杂 志，2 0 1 3(2)：4 1 7 5 3 D 中 国 论 坛：h t t p：www c h i n a 3 一 d c o rn (收 稿 日期：2 0 1 2 1 2 2 3)