3D立體視覺探究活動設(shè)計(jì)

黃 樺

（湛江師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

3D立體視覺探究活動設(shè)計(jì)

黃 樺

（湛江師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

本文在講述立體視覺原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動，讓學(xué)生理解時(shí)下流行的3D電影制作基本原理，知道人類視覺的獨(dú)特三維空間感覺如何形成，并利用3D立體視覺的原理引導(dǎo)學(xué)生動手制作紅藍(lán)眼鏡，觀看3D圖片和3D視頻.通過探究活動讓學(xué)生知道當(dāng)下流行文化離不開科技的應(yīng)用，要享受科技帶來的樂趣之余，也要知道背后的奧秘，這樣才能在玩的同時(shí)也學(xué)習(xí)到實(shí)用的知識.

3D；立體視覺；科學(xué)探究

1 引言

3D，是指有長、寬、高三個(gè)維度的立體空間，D是“Dimensions”英文字母的第一個(gè)大寫字母，隨著3D電影《阿凡達(dá)》風(fēng)靡全球，人們視覺上受到了很大的沖突.3D成為當(dāng)下最流行的詞匯，3D照相機(jī)、3D顯示器、3D筆記本、3D游戲等3D技術(shù)也開始快速發(fā)展.3D電影是電影技術(shù)發(fā)展的革命性成果，它很大程度上提高了人們對視覺藝術(shù)的認(rèn)識水平，讓人們有身臨其境的震撼感.[1]早在上個(gè)世紀(jì)50年代，立體電影技術(shù)即已誕生，并逐步走向成熟，進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用.[2]隨著科技的高速發(fā)展，3D技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，日本、韓國、歐美等國家從20世紀(jì)80年代開始了三維立體顯示的基礎(chǔ)研究，各國根據(jù)自身的情況，開發(fā)了各種技術(shù)和產(chǎn)品.

我們生活在三維立體的世界中，理所當(dāng)然應(yīng)該用立體的眼光來看世界，3D技術(shù)的誕生，是視覺需求與科技發(fā)展高度結(jié)合的產(chǎn)物.[3]當(dāng)前流行的3D立體電影正是以雙目立體視覺為基礎(chǔ)而完成攝制與放映的，[4]而我們可以通過很多方法與技術(shù)來實(shí)現(xiàn)3D立體視覺的效果，主要有眼鏡式技術(shù)和裸眼式技術(shù).[5]前者的眼鏡式技術(shù)主要包括三種，一是色差式3D技術(shù)，即通過紅藍(lán)、紅綠等互補(bǔ)色立體眼鏡實(shí)現(xiàn)立體效果；二是主動快門式3D技術(shù)，基于時(shí)序立體眼鏡來達(dá)到立體效果；[6]三是偏振式（偏光式）技術(shù)，這個(gè)所需要的眼鏡為偏振眼鏡.[7]而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，全息照相技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)3D立體效果等等.[8]

立體視覺是人類的本能之一，研究立體視覺具有重要的意義.但是，立體視覺對于學(xué)生來講，是一個(gè)抽象的概念，如果按照傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式，學(xué)生很難學(xué)到真正的知識，學(xué)生在被動接受知識的過程中也會覺得索然無趣.在新課程教學(xué)理念下，探究教學(xué)的新模式要打破傳統(tǒng)，教師要創(chuàng)設(shè)民主、平等、和諧的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的探究意識，培養(yǎng)學(xué)生探究能力，讓學(xué)生從探究過程中體驗(yàn)成功，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂，最終走向主動學(xué)習(xí)、探究、合作交流，這樣學(xué)生才能真正地學(xué)到知識、理解知識.所以，本文通過對3D立體視覺探究活動的設(shè)計(jì)，在課堂和生活中讓學(xué)生自己動手動腦，探究立體視覺的原理.

2 雙眼立體視覺原理

我們之所以能擁有立體視覺，是因?yàn)槿祟惖碾p眼是橫向并排的，兩眼之間大約有6～7CM的間隔，因此左眼所看到的影像與右眼所看到的影像會有細(xì)微的差異，這種差異被稱為“視差”（Paral l ax），大腦會解讀雙眼的視差并借以判斷物體的遠(yuǎn)近并形成距離感，從而產(chǎn)生立體視覺.[9]

圖1 立體視覺的產(chǎn)生

兩眼節(jié)點(diǎn)O1和O2的連線稱為視覺基線.如注視點(diǎn)為A，即兩眼視軸通過A點(diǎn)，則角01AO2稱為立體視差角，以θA表示：θA=b/L.位于圓周O1O2CA上的A、C兩點(diǎn)有相同的視差角，感覺上這兩點(diǎn)與人的距離就相等；而D點(diǎn)的視差角比C點(diǎn)大（θD>θC），感覺D點(diǎn)就比C點(diǎn)近.立體視差角越大，感覺距離越近.[10]

通過以上對立體視覺產(chǎn)生的分析，學(xué)生會比較容易理解其概念，但是我們還需要借助一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會立體視覺的效果.下面我們可以通過兩個(gè)探究活動來簡單演示.

探究活動一：單眼插筆

（1）觀察者閉一只眼，睜一只眼；

（2）請另外一個(gè)人幫忙把一個(gè)開口塑料瓶放到觀察者的正前方（一臂的距離）；

（3）觀察者手里拿著一支筆，試著把筆插進(jìn)塑料瓶內(nèi)；

（4）觀察者感受單眼對物體的遠(yuǎn)近判斷.

通過以上的小實(shí)驗(yàn)，我們可以知道單眼看物體時(shí)，我們很難將筆插進(jìn)塑料瓶內(nèi).這是因?yàn)閱窝劭次矬w時(shí)，雖然有現(xiàn)場感，但我們對物體遠(yuǎn)近感就沒有那么強(qiáng)烈了，也就是幾乎沒有了立體感.這個(gè)我們可以通過探究活動二來說明.

探究活動二：左、右眼看同一物體

（1）以白墻為背景，手拿著一支筆，在眼睛前面十厘米處保持靜止；

（2）眼睛盯著筆；

（3）用兩只眼睛分別交替地看，并分別記下左右眼看到的筆的位置，比較左右眼看到的筆的位置相對于白墻的位置的不同情形.

以上的探究實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生感受左右眼看到的同一物體的位置是不一樣的，這是雙眼的立體視差的一個(gè)體現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以通過以下的圖來展示：

當(dāng)我們用兩只眼睛看一個(gè)物體的時(shí)候，其實(shí)是從兩個(gè)視點(diǎn)分別看物體，由于兩只眼睛的位置不同，我們閉上一只眼睛看同一個(gè)物體時(shí)，會發(fā)現(xiàn)物體的位置相對于兩只眼睛看到的物體的位置會有所偏移，左眼看到的物體向右偏，右眼看到的物體則向左移.當(dāng)觀察物體時(shí)，兩只眼睛所看到的影像的位置會有一定的偏差，我們左右眼睛各自從不同角度去觀察物體經(jīng)光線照射而產(chǎn)生的陰影，以及物體的棱線，便形成兩眼視覺上的差異（像差）（如圖2），兩只眼睛的運(yùn)用也提供更好的空間分辨率，反映到大腦中便產(chǎn)生遠(yuǎn)近感和層次感的三度空間立體影像.[11]簡單而言就是我們的大腦會根據(jù)兩只眼睛的視覺差來判斷物體位置的遠(yuǎn)近.所以當(dāng)我們閉上一只眼睛看物體時(shí)，只從一個(gè)角度去看該物體，而沒有另外一個(gè)角度跟它相疊加作參照，這時(shí)候我們無法正確確定該物體的距離了.

上述的兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，我們主要是為了闡述我們之所以能夠感受到生活中物體的立體，原因之一是要靠雙眼去看物體，產(chǎn)生視差，單眼看物體時(shí)，會很難判斷物體的遠(yuǎn)近，立體感也就消失了.當(dāng)然，也有人會說，單眼看物體也有立體感，事實(shí)上這是因?yàn)閱窝垡肟辞宄h(yuǎn)近不同的物體，眼睛就必需要調(diào)整焦距，通過經(jīng)驗(yàn)的累積，人對于眼睛的調(diào)整焦距可以感覺到物體相應(yīng)的距離，就產(chǎn)生了立體的效果，只是這種立體感沒有雙眼看物體來的明顯.

3 紅藍(lán)眼鏡濾光原理

現(xiàn)在，3D立體電影和立體電視非常流行，我們知道，電視和電影院的屏幕是平面的，但是，觀眾卻能在這個(gè)二維的平面上感受到三維立體的效果.目前，要在平面上實(shí)現(xiàn)立體效果的方法有很多，下面主要介紹兩種：

（1）觀察一張三維立體圖片：

①上網(wǎng)或者在雜志上找一張三維立體圖；②利用雙眼調(diào)焦看出立體效果.

（2）佩戴紅藍(lán)眼鏡看立體圖

①找一副紅藍(lán)眼鏡和紅藍(lán)圖片；

②觀察者佩戴紅藍(lán)眼鏡，并觀察紅藍(lán)圖片，利用不同色光的濾光作用來實(shí)現(xiàn)立體效果，這也是我們接下來要作詳細(xì)介紹的主題.

看三維立體圖，是需要一定的技巧的，它需要你利用自己的眼力，找出上下和遠(yuǎn)近的立體感，一般的圖是遠(yuǎn)近立體感強(qiáng)，層次分明，圖片一方面靠底色而成，另一方面底色襯托出圖片的立體感.[12]

如果不能很好地掌握方法，我們是很難從三維立體圖感受到立體的事物的，所以我們可以通過第二種方法來實(shí)現(xiàn)立體效果，其原理是利用對比性的兩色玻璃紙的選擇性濾光功能.對比色光有很多組，如紅色和青色，紅色與藍(lán)色，在此，我們主要介紹紅、藍(lán)兩色，其濾光作用可通過下一探究活動說明.

探究活動三：紅、藍(lán)玻璃紙的濾光作用

（1）先找到紅藍(lán)玻璃紙；

（2）在白紙上畫兩個(gè)圖案，如圖3（a），分別填上紅色和藍(lán)色；

（3）單眼分別透過紅藍(lán)玻璃片觀察兩個(gè)圖形，兩層玻璃片的厚度效果最佳.

當(dāng)我們用單眼透過兩層紅玻璃片看圖3（a）的兩個(gè)圖形時(shí)，會發(fā)現(xiàn)原來紅色的正方形還是紅色，但是藍(lán)色的圓就變成了黑色；反過來，當(dāng)我們透過兩層藍(lán)玻璃紙看這兩個(gè)圖形時(shí)，原來藍(lán)色的圓還是藍(lán)色，而紅色的正方形則變成了黑色.由于兩眼觀看影像的視點(diǎn)不同，所看到的影像就稍有不同，影像經(jīng)大腦分析之后，這就產(chǎn)生現(xiàn)場觀看到的立體影像的感覺.

紅藍(lán)立體電影是依靠左放映機(jī)的畫面通過紅色鏡片（左眼），拍攝時(shí)剔除掉的紅色像素自動還原，從而產(chǎn)生真實(shí)色彩的畫面；反之亦然，右放映機(jī)拍攝到的畫面通過藍(lán)色鏡片（右眼），拍攝時(shí)剔除掉的藍(lán)色像素自動還原，產(chǎn)生另一角度的真實(shí)色彩畫面.[13]

當(dāng)我們左眼戴上紅色濾光片制成的鏡片，右眼則戴上藍(lán)色濾光片制成的鏡片.屏幕中的紅藍(lán)畫面經(jīng)過紅藍(lán)鏡片的過濾后，進(jìn)入左眼的是紅色畫面，左眼鏡片的紅色濾光片可以濾掉藍(lán)色，只看到紅色部分；同理，進(jìn)入右眼的則是藍(lán)色畫面，右眼鏡片的藍(lán)色濾光片可以濾掉紅色，紅色影像變成了黑色.由于兩眼觀看影像的視點(diǎn)不同[14]，所看到的影像就稍有不同，影像經(jīng)大腦分析之后，這就產(chǎn)生現(xiàn)場觀看到的立體影像的感覺.

4 利用濾光作用制作3D立體眼鏡

受條件限制，大部分學(xué)校還不能在實(shí)驗(yàn)室中放映立體電影供同學(xué)們觀看，也很難組織學(xué)生到電影院看3D電影.但是，我們可以輔導(dǎo)學(xué)生制作一個(gè)紅藍(lán)眼鏡，用來觀看紅藍(lán)立體圖片和電影.

（1）必備材料

紅色玻璃紙、藍(lán)色玻璃紙、卡紙、雙面膠、剪刀、筆、尺子

（2）具體步驟

①對比現(xiàn)成的眼鏡，用筆在卡紙上畫出眼鏡的形狀，眼鏡框要稍微大點(diǎn)，這樣視野會相對大點(diǎn)；鼻梁部位畫的時(shí)候也要大點(diǎn)，這樣方便與我們的鼻子相吻合；兩邊的柄要畫得長一點(diǎn)，太短可能很難修改.

②畫好眼鏡后，用剪刀沿著眼鏡的線條剪出來.

③根據(jù)所剪鏡框的大小，從紅藍(lán)玻璃紙剪出一部分作為鏡片，剪的時(shí)候稍微比鏡框大且形狀一樣.

④用雙面膠把紅色的玻璃紙貼在左眼，藍(lán)色貼在右眼，不要搞錯位置了.玻璃紙一般都是比較薄，顏色不夠深，只貼一層看立體的效果會比較差，可以貼兩層或者三層玻璃紙.

（3）觀察比較

①從網(wǎng)上下載一些紅藍(lán)立體圖片，或者學(xué)校統(tǒng)一購買相關(guān)的立體圖片；

②戴上自制的紅藍(lán)眼鏡觀看紅藍(lán)眼鏡，有什么感受；看其他平常的圖片有什么不同；

③摘下眼鏡用手拿著放到眼睛前面，左眼看藍(lán)色鏡片，右眼看紅色鏡片，再看紅藍(lán)立體圖片，看看還有沒有立體感，同時(shí)再看一看別的圖片.

（4）觀看3D視頻

上網(wǎng)找一些3D視頻，戴上自制的紅藍(lán)眼鏡觀看，感受一下3D電影的立體視覺給我們帶來的視覺沖突.

5 模擬立體視覺

為了讓學(xué)生更好地了解到3D立體眼鏡的功能，在教學(xué)過程中，教師首先可以通過模擬左右眼看到的不同的影像，從而模擬出立體視覺.

探究活動四：相機(jī)拍攝立體照片

（1）先確定一個(gè)物體，然后用尺子先固定照相機(jī)的位置，拍攝一張照片A，模擬左眼看到的角度，再水平位移（往右）6—7cm拍攝第二張照片B，來模擬右眼看到的角度.

（2）將兩面鏡子擺成夾角90度角擺放在桌面，把照片A和照片B分別放于兩面鏡子旁邊，使照片A及B同時(shí)映入左右眼（如圖5），就等同于兩只眼睛同時(shí)從不同的角度看同一個(gè)景物一樣，所以可以產(chǎn)生立體感.

6 結(jié)束語

本文在講解人類雙眼視覺原理與3D立體眼鏡的基礎(chǔ)上，由淺入深設(shè)計(jì)探究活動，這樣學(xué)生能夠在動手做實(shí)驗(yàn)的過程中更好地了解人的眼睛和立體世界之間的關(guān)系，激發(fā)同學(xué)們的探究熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并不斷完善活動的實(shí)踐成果和意義；其次，可以通過自己親手制作紅藍(lán)立體眼鏡，引導(dǎo)學(xué)生從熟悉的事物中發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力.

〔1〕管永軍，金武，牛小.3D 偏振演示 實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（12）:1-3+7.

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〔3〕劉宏偉.立體視覺與 3D 電視[J].保健醫(yī)苑，2011（9）：16-17.

〔4〕孫延祿，關(guān)于3D電影成像基本原理的正確表述[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2010（3）：63-64.

〔5〕趙亮.3D 立體成像研究[J].科技信息，2011（8）：626.

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〔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，呼文來，徐雪楠.半導(dǎo)體激光器拍攝全息圖的研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（8）：24-26.

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〔10〕朱吳，等.立體視覺系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(5)：7-9.

〔11〕中山大學(xué)物理系.物理實(shí)驗(yàn)演示.http://www2.nsysu.edu.tw/physdemo/index2.htm..

〔12〕三維立體圖.百度百科.http://baike.baidu.com/view/895 760.htm.

〔13〕紅藍(lán)眼鏡.百度百科.http://baike.baidu.com/view/45633 32.htm..

〔14〕胥余川.淺談立體電影的物理原理[J].中國科技信息，2005（16）：99.

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