3D立体视觉探究活动设计

黄 桦

（湛江师范学院 物理科学与技术学院，广东 湛江 524048）

3D立体视觉探究活动设计

黄 桦

（湛江师范学院 物理科学与技术学院，广东 湛江 524048）

本文在讲述立体视觉原理的基础上，设计科学探究活动，让学生理解时下流行的3D电影制作基本原理，知道人类视觉的独特三维空间感觉如何形成，并利用3D立体视觉的原理引导学生动手制作红蓝眼镜，观看3D图片和3D视频.通过探究活动让学生知道当下流行文化离不开科技的应用，要享受科技带来的乐趣之余，也要知道背后的奥秘，这样才能在玩的同时也学习到实用的知识.

3D；立体视觉；科学探究

1 引言

3D，是指有长、宽、高三个维度的立体空间，D是“Dimensions”英文字母的第一个大写字母，随着3D电影《阿凡达》风靡全球，人们视觉上受到了很大的冲突.3D成为当下最流行的词汇，3D照相机、3D显示器、3D笔记本、3D游戏等3D技术也开始快速发展.3D电影是电影技术发展的革命性成果，它很大程度上提高了人们对视觉艺术的认识水平，让人们有身临其境的震撼感.[1]早在上个世纪50年代，立体电影技术即已诞生，并逐步走向成熟，进入了商业应用.[2]随着科技的高速发展，3D技术已经逐步发展成熟，日本、韩国、欧美等国家从20世纪80年代开始了三维立体显示的基础研究，各国根据自身的情况，开发了各种技术和产品.

我们生活在三维立体的世界中，理所当然应该用立体的眼光来看世界，3D技术的诞生，是视觉需求与科技发展高度结合的产物.[3]当前流行的3D立体电影正是以双目立体视觉为基础而完成摄制与放映的，[4]而我们可以通过很多方法与技术来实现3D立体视觉的效果，主要有眼镜式技术和裸眼式技术.[5]前者的眼镜式技术主要包括三种，一是色差式3D技术，即通过红蓝、红绿等互补色立体眼镜实现立体效果；二是主动快门式3D技术，基于时序立体眼镜来达到立体效果；[6]三是偏振式（偏光式）技术，这个所需要的眼镜为偏振眼镜.[7]而在我们日常生活中，全息照相技术也能实现3D立体效果等等.[8]

立体视觉是人类的本能之一，研究立体视觉具有重要的意义.但是，立体视觉对于学生来讲，是一个抽象的概念，如果按照传统的讲授式教学模式，学生很难学到真正的知识，学生在被动接受知识的过程中也会觉得索然无趣.在新课程教学理念下，探究教学的新模式要打破传统，教师要创设民主、平等、和谐的学习环境，激发学生的探究意识，培养学生探究能力，让学生从探究过程中体验成功，体验学习的快乐，最终走向主动学习、探究、合作交流，这样学生才能真正地学到知识、理解知识.所以，本文通过对3D立体视觉探究活动的设计，在课堂和生活中让学生自己动手动脑，探究立体视觉的原理.

2 双眼立体视觉原理

我们之所以能拥有立体视觉，是因为人类的双眼是横向并排的，两眼之间大约有6～7CM的间隔，因此左眼所看到的影像与右眼所看到的影像会有细微的差异，这种差异被称为“视差”（Paral l ax），大脑会解读双眼的视差并借以判断物体的远近并形成距离感，从而产生立体视觉.[9]

图1 立体视觉的产生

两眼节点O1和O2的连线称为视觉基线.如注视点为A，即两眼视轴通过A点，则角01AO2称为立体视差角，以θA表示：θA=b/L.位于圆周O1O2CA上的A、C两点有相同的视差角，感觉上这两点与人的距离就相等；而D点的视差角比C点大（θD>θC），感觉D点就比C点近.立体视差角越大，感觉距离越近.[10]

通过以上对立体视觉产生的分析，学生会比较容易理解其概念，但是我们还需要借助一些相关的实验让学生体会立体视觉的效果.下面我们可以通过两个探究活动来简单演示.

探究活动一：单眼插笔

（1）观察者闭一只眼，睁一只眼；

（2）请另外一个人帮忙把一个开口塑料瓶放到观察者的正前方（一臂的距离）；

（3）观察者手里拿着一支笔，试着把笔插进塑料瓶内；

（4）观察者感受单眼对物体的远近判断.

通过以上的小实验，我们可以知道单眼看物体时，我们很难将笔插进塑料瓶内.这是因为单眼看物体时，虽然有现场感，但我们对物体远近感就没有那么强烈了，也就是几乎没有了立体感.这个我们可以通过探究活动二来说明.

探究活动二：左、右眼看同一物体

（1）以白墙为背景，手拿着一支笔，在眼睛前面十厘米处保持静止；

（2）眼睛盯着笔；

（3）用两只眼睛分别交替地看，并分别记下左右眼看到的笔的位置，比较左右眼看到的笔的位置相对于白墙的位置的不同情形.

以上的探究实验，主要是让学生感受左右眼看到的同一物体的位置是不一样的，这是双眼的立体视差的一个体现，该实验现象可以通过以下的图来展示：

当我们用两只眼睛看一个物体的时候，其实是从两个视点分别看物体，由于两只眼睛的位置不同，我们闭上一只眼睛看同一个物体时，会发现物体的位置相对于两只眼睛看到的物体的位置会有所偏移，左眼看到的物体向右偏，右眼看到的物体则向左移.当观察物体时，两只眼睛所看到的影像的位置会有一定的偏差，我们左右眼睛各自从不同角度去观察物体经光线照射而产生的阴影，以及物体的棱线，便形成两眼视觉上的差异（像差）（如图2），两只眼睛的运用也提供更好的空间分辨率，反映到大脑中便产生远近感和层次感的三度空间立体影像.[11]简单而言就是我们的大脑会根据两只眼睛的视觉差来判断物体位置的远近.所以当我们闭上一只眼睛看物体时，只从一个角度去看该物体，而没有另外一个角度跟它相叠加作参照，这时候我们无法正确确定该物体的距离了.

上述的两个探究实验中，我们主要是为了阐述我们之所以能够感受到生活中物体的立体，原因之一是要靠双眼去看物体，产生视差，单眼看物体时，会很难判断物体的远近，立体感也就消失了.当然，也有人会说，单眼看物体也有立体感，事实上这是因为单眼要想看清楚远近不同的物体，眼睛就必需要调整焦距，通过经验的累积，人对于眼睛的调整焦距可以感觉到物体相应的距离，就产生了立体的效果，只是这种立体感没有双眼看物体来的明显.

3 红蓝眼镜滤光原理

现在，3D立体电影和立体电视非常流行，我们知道，电视和电影院的屏幕是平面的，但是，观众却能在这个二维的平面上感受到三维立体的效果.目前，要在平面上实现立体效果的方法有很多，下面主要介绍两种：

（1）观察一张三维立体图片：

①上网或者在杂志上找一张三维立体图；②利用双眼调焦看出立体效果.

（2）佩戴红蓝眼镜看立体图

①找一副红蓝眼镜和红蓝图片；

②观察者佩戴红蓝眼镜，并观察红蓝图片，利用不同色光的滤光作用来实现立体效果，这也是我们接下来要作详细介绍的主题.

看三维立体图，是需要一定的技巧的，它需要你利用自己的眼力，找出上下和远近的立体感，一般的图是远近立体感强，层次分明，图片一方面靠底色而成，另一方面底色衬托出图片的立体感.[12]

如果不能很好地掌握方法，我们是很难从三维立体图感受到立体的事物的，所以我们可以通过第二种方法来实现立体效果，其原理是利用对比性的两色玻璃纸的选择性滤光功能.对比色光有很多组，如红色和青色，红色与蓝色，在此，我们主要介绍红、蓝两色，其滤光作用可通过下一探究活动说明.

探究活动三：红、蓝玻璃纸的滤光作用

（1）先找到红蓝玻璃纸；

（2）在白纸上画两个图案，如图3（a），分别填上红色和蓝色；

（3）单眼分别透过红蓝玻璃片观察两个图形，两层玻璃片的厚度效果最佳.

当我们用单眼透过两层红玻璃片看图3（a）的两个图形时，会发现原来红色的正方形还是红色，但是蓝色的圆就变成了黑色；反过来，当我们透过两层蓝玻璃纸看这两个图形时，原来蓝色的圆还是蓝色，而红色的正方形则变成了黑色.由于两眼观看影像的视点不同，所看到的影像就稍有不同，影像经大脑分析之后，这就产生现场观看到的立体影像的感觉.

红蓝立体电影是依靠左放映机的画面通过红色镜片（左眼），拍摄时剔除掉的红色像素自动还原，从而产生真实色彩的画面；反之亦然，右放映机拍摄到的画面通过蓝色镜片（右眼），拍摄时剔除掉的蓝色像素自动还原，产生另一角度的真实色彩画面.[13]

当我们左眼戴上红色滤光片制成的镜片，右眼则戴上蓝色滤光片制成的镜片.屏幕中的红蓝画面经过红蓝镜片的过滤后，进入左眼的是红色画面，左眼镜片的红色滤光片可以滤掉蓝色，只看到红色部分；同理，进入右眼的则是蓝色画面，右眼镜片的蓝色滤光片可以滤掉红色，红色影像变成了黑色.由于两眼观看影像的视点不同[14]，所看到的影像就稍有不同，影像经大脑分析之后，这就产生现场观看到的立体影像的感觉.

4 利用滤光作用制作3D立体眼镜

受条件限制，大部分学校还不能在实验室中放映立体电影供同学们观看，也很难组织学生到电影院看3D电影.但是，我们可以辅导学生制作一个红蓝眼镜，用来观看红蓝立体图片和电影.

（1）必备材料

红色玻璃纸、蓝色玻璃纸、卡纸、双面胶、剪刀、笔、尺子

（2）具体步骤

①对比现成的眼镜，用笔在卡纸上画出眼镜的形状，眼镜框要稍微大点，这样视野会相对大点；鼻梁部位画的时候也要大点，这样方便与我们的鼻子相吻合；两边的柄要画得长一点，太短可能很难修改.

②画好眼镜后，用剪刀沿着眼镜的线条剪出来.

③根据所剪镜框的大小，从红蓝玻璃纸剪出一部分作为镜片，剪的时候稍微比镜框大且形状一样.

④用双面胶把红色的玻璃纸贴在左眼，蓝色贴在右眼，不要搞错位置了.玻璃纸一般都是比较薄，颜色不够深，只贴一层看立体的效果会比较差，可以贴两层或者三层玻璃纸.

（3）观察比较

①从网上下载一些红蓝立体图片，或者学校统一购买相关的立体图片；

②戴上自制的红蓝眼镜观看红蓝眼镜，有什么感受；看其他平常的图片有什么不同；

③摘下眼镜用手拿着放到眼睛前面，左眼看蓝色镜片，右眼看红色镜片，再看红蓝立体图片，看看还有没有立体感，同时再看一看别的图片.

（4）观看3D视频

上网找一些3D视频，戴上自制的红蓝眼镜观看，感受一下3D电影的立体视觉给我们带来的视觉冲突.

5 模拟立体视觉

为了让学生更好地了解到3D立体眼镜的功能，在教学过程中，教师首先可以通过模拟左右眼看到的不同的影像，从而模拟出立体视觉.

探究活动四：相机拍摄立体照片

（1）先确定一个物体，然后用尺子先固定照相机的位置，拍摄一张照片A，模拟左眼看到的角度，再水平位移（往右）6—7cm拍摄第二张照片B，来模拟右眼看到的角度.

（2）将两面镜子摆成夹角90度角摆放在桌面，把照片A和照片B分别放于两面镜子旁边，使照片A及B同时映入左右眼（如图5），就等同于两只眼睛同时从不同的角度看同一个景物一样，所以可以产生立体感.

6 结束语

本文在讲解人类双眼视觉原理与3D立体眼镜的基础上，由浅入深设计探究活动，这样学生能够在动手做实验的过程中更好地了解人的眼睛和立体世界之间的关系，激发同学们的探究热情，培养学生的科学素养，并不断完善活动的实践成果和意义；其次，可以通过自己亲手制作红蓝立体眼镜，引导学生从熟悉的事物中发现问题，培养其创新能力.

〔1〕管永军，金武，牛小.3D 偏振演示 实验[J].物理实验，2011，31（12）:1-3+7.

〔2〕王琼华，王爱红.三维立体显示综述[J].计算机应用，2010，30（3）:579-581+588.

〔3〕刘宏伟.立体视觉与 3D 电视[J].保健医苑，2011（9）：16-17.

〔4〕孙延禄，关于3D电影成像基本原理的正确表述[J].现代电影技术，2010（3）：63-64.

〔5〕赵亮.3D 立体成像研究[J].科技信息，2011（8）：626.

〔6〕EBERT D S， PARENT R E.Rendering and animation of gaseous phenomena by combining fast volume and scan line a buffer techniques [C]//Proceedings of the 17th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.New York:ACM Press，1990:357-366.

〔7〕STAM J.Stable fluids [C]//Proceedings of the 26th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.Los Angeles， California， USA:ACM Press，1999:121-128.

〔8〕田宇，呼文来，徐雪楠.半导体激光器拍摄全息图的研究[J].物理实验，2010，30（8）：24-26.

〔9〕杨明.3D立体显示技术的前世今生[J].文化产业导刊，2011（1）：67-73.

〔10〕朱吴，等.立体视觉系列实验的设计[J].实验室研究与探索，2005，24(5)：7-9.

〔11〕中山大学物理系.物理实验演示.http://www2.nsysu.edu.tw/physdemo/index2.htm..

〔12〕三维立体图.百度百科.http://baike.baidu.com/view/895 760.htm.

〔13〕红蓝眼镜.百度百科.http://baike.baidu.com/view/45633 32.htm..

〔14〕胥余川.浅谈立体电影的物理原理[J].中国科技信息，2005（16）：99.

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1673-260X（2012）05-0041-03