1、 . PAGE37 / NUMPAGES37江 西 理 工 大 學本 科 畢 業 設 計（論文）題 目：3D電影的光學原理探討學 院：信息工程學院專 業：光信息科學與技術班 級：091班學 生：段小虎學 號：20092577指導教師：艷玲 職稱：講師 時 間：2013年5月江 西 理 工 大 學本 科 畢 業 設 計（論文）任 務 書信息工程學院 光信息科學與技術專業 09級（09屆）1班 學號: 20092577 學生: 段小虎題 目：3D電影的光學原理探討專題題目（若無專題則不填）：原始依據(包括設計（論文）的工作基礎、研究條件、應用環境、工作目的等)：作為光信息專業大四的學生已經修讀了工

2、程光學、物理光學和信息光學等專業課程，對幾何光學的基本定律、典型的光學系統、光學設計、光的電磁理論和傅里葉光學等有了一定的了解。3D電影的光學原理之一就是基于光的偏振特性，因此學生有完成此課題的理論基礎。完成此課題一方面要求學生多查閱相關文獻書籍，在掌握基本原理的基礎上找到創新點；另一方面，要求學生會用一些基本的辦公軟件和計算軟件。這就要求學生有一臺電腦能夠上網下載文獻和完成相關計算。主要容和要求：（包括設計（研究）容、主要指標與技術參數，并根據課題性質對學生提出具體要求）：立體效果好，成本低廉，實現容易的立體顯示系統是當前立體顯示技術發展的一個重要方向。偏振光立體電影技術以其色彩表現豐富，畫

3、面立體感強烈，觀看方便等優點稱為當今立體顯示的主流。本文主要研究基于光的偏振特性制作3D電影的光學原理。要求學生在理解光的偏振特性基礎上，探討3D電影的光學原理，找到創新點，給出更易實現的制作或顯示3D電影的方案。鍛煉學生運用所學知識獨立完成課題，從文獻檢索、科學實驗中獲取知識的能力，提高學生的科學素養。日程安排：2013年1月3月 確定選題、文獻調研、開題報告；2013年4月 撰寫論文，提交一稿、中期檢查2013年5月 修改論文，提交最終定稿，準備答辯。主要參考文獻和書目：1 郁道銀，談恒英 著. 工程光學(第三版). ：機械工業，2008.2 梁銓廷. 物理光學(第三版). ：電子工業，2

4、010.3 周炳琨，高以智，倜嶸. 激光原理. ：國防工業，2009.4 紀成剛. 3D電影的成像原理簡介和聲音制作探討. 現代電視技術，2009，2317.5 許磊. 立體影像技術的研究與實踐. 碩士學位論文，2009.6 世波. 淺析3D立體影像技術的應用與發展. 科技博覽，2013，1：210.7 穆良柱，海君. 立體影像顯示原理與其技術進展. 物理實驗，2008，28(1)：913.8 延祿. 關于圓偏振光在3D立體影像顯示中的應用. 現代電影技術，2010，9：2429.指導教師（簽字）： 年 月 日注：本表可自主延伸，各專業根據需要調整。江 西 理 工 大 學本 科 畢 業 設 計

5、（論文）開 題 報 告信息工程學院 光信息科學與技術專業 09級（09屆）1班 學號: 20092577 學生: 段小虎題 目：3D電影的光學原理探討專題題目（若無專題則不填）：本課題來源與研究現狀：課題來源：自2009年3D電影阿凡達的出現，重新掀起了3D電影的熱潮。我們知道3D電影是通過光學處理的方法，將觀眾帶入三維的世界，觀眾因此才有身臨其境的感覺。作為光信息科學與技術專業的學生，對偏光原理和全息技術都有一定的了解，將這些光學知識應用到3D電影的研究上是一個很好的課題。此為本課題的來源。研究現狀：其實，早在上世紀50年代就出現了3D技術，只是由于當時技術不成熟、觀眾反應不太好，才一直未得

6、到發展。如今，隨著科技的進步，將3D電影與數字信號處理相結合，取得了前所未有的發展。課題研究目標、容、方法和手段：本文嘗試從光學原理的視角，結合3D 電影的發展歷程和現狀，對3D電影的光學原理和制作方法以與實現方式和顯示技術都進行了介紹。著重對光學原理的光學參數、3D電影的實現過程、裸眼式3D顯示技術展開探討，并對 3D 電影的發展前景做出預測。設計（論文）提綱與進度安排：設計提綱： 緒論研究意義和背景3D電影的發展歷程論文結構第二章 3D電影介紹 2.1 3D電影簡介 2.2 光學原理 2.3 3D電影的制作方法2.4 本章小結第三章 3D電影的實現方式 3.1 立體圖像獲取 3.2 立體顯

7、示方法 3.3 本章小結第四章 3D電影顯示技術 4.1 眼鏡式3D技術 4.2 裸眼式3D技術 4.3 本章小結第五章 總結與展望進度安排：2013年1月3月 確定選題、文獻調研、開題報告；2013年4月 撰寫論文，提交一稿、中期檢查2013年5月 修改論文，提交最終定稿，準備答辯。主要參考文獻和書目：1 應均. 基于DMD的3D顯示算法研究. 碩士學位論文. 2011. 35.2 梁銓廷. 物理光學(第三版). ：電子工業. 2010.3 周炳琨，高以智，倜嶸. 激光原理. ：國防工業. 2009.4 紀成剛. 3D電影的成像原理簡介和聲音制作探討. 現代電視技術. 2009. 2317.

8、5 許磊. 立體影像技術的研究與實踐. 碩士學位論文. 2009.6 世波. 淺析3D立體影像技術的應用與發展. 科技博覽. 2013. 1：210.7 穆良柱，海君. 立體影像顯示原理與其技術進展. 物理實驗. 2008. 28(1)：913.8 洪艷，佩怡. 3D電影的現狀與問題研究. 郵電大學學報，2012：93.9 信息技術與標準化. 我國啟動立體影像技術標準化工作. 信息技術. 2009，12.10 胡佳寧. 基于立體影像技術的產品展示設計研究. 藝術探索，2011，25（2）.11 青云. 全息電視呈現完美立體影像. 知識就是力量，2012（7）.12 戴晨光，永生，黃小波，申林.

9、 基于微機的3維景觀立體顯示技術. 測繪通報. 2002，9：1 820.13 黃安詳. 空間立體仿真視景的技術研究與實現J. 系統仿真學報. 2001，13(3).14 銘. 怎樣制作紅青雙色立體影像. 數字與縮微影像. 2012（3）.15 王穎鑫. 不只是電視,立體影像的全面進化真實幻境穿梭3D體驗第二波.數碼界，2010,09（8）.16 欣. 3D電視探析. 中國有線電視，2012（6）.指導教師審核意見： 教研室主任（簽字）： 年 月 日注：本表可自主延伸摘 要人類處在三維世界之中，我們的一雙眼睛能夠辨別周圍物體的所處環境，也能感受這美妙的立體世界。以前，廣泛采用的照相術和攝影術只

10、能記錄平面影像，缺乏立體感和真實感。近年來，3D電影技術正在迅速發展。立體效果好、成本低廉、實現容易的立體顯示系統是當前立體顯示技術發展的一個重要方向。如今，3D電影正在朝著這個方向前進。 對于 3D 電影的探討，多集中于電影美學、電影敘事方式、影片類型等領域。本文嘗試從光學原理的視角，結合3D 電影的發展歷程和現狀，對3D電影的光學原理和制作方法以與實現方式和顯示技術都進行了介紹。著重對光學原理的光學參數、3D電影的實現過程、裸眼式3D顯示技術展開探討，并對 3D 電影的發展前景做出預測。關鍵詞：三維；3D電影；偏振光；光學原理；視差；光學全息；ABSTRACTPeople live in

11、the three-dimensional world,not onlycan our eyes distinguish the environment of objects around us, but also can feel this wonderful three-dimensional world. Previously, widely used in radiography and tomography plane can only record images, the lack of three-dimensional sense and realism. In recent

12、years, the technology of 3D movie is developing rapidly. Good three-dimensional effect, low cost and easy to implement stereoscopic display system is an important direction that the development of three-dimensional display technology. Nowadays, 3D movies are moving in the direction. For 3D movie dis

13、cussion, mostly concentrated in film aesthetics, film narrative, film type, etc. This paper attempts to optics perspective, combined with 3D movies Development and Present, optics for 3D movies and production methods, and implementation and display technologies are introduced. Focus exploring from t

14、he optics of the optical parameters, 3D movie of the implementation process, naked-eye 3D display technology, and make predictions for the development of 3D movies.Key words:three-dimensional；3D movie；Polarized light；optical principle； Parallax；optical holography；目 錄緒論. 1 1.1 研究意義和背景 1 3D電影的發展歷程. 1

15、1.3 論文結構. 33D電影的光學原理. 4 2.1 3D電影簡介. 4 2.2 光學原理. 4 2.2.1 偏光原理. 4 2.2.2 光學全息技術. 6 2.2.3 光學參數. 7 2.3 3D電影的制作方法 10 2.3.1 偏光眼鏡法. 10 2.3.2 360度全息顯示. 11 2.4 本章小結. 11 第三章 3D電影的實現方式 .12 3.1 立體圖像獲取. 12 3.2 立體顯示方法. 12 3.2.1 體式顯示方式. 13 3.2.2 自由立體顯示方式 15 3.3 本章小結. 18第四章 3D電影顯示技術. 19 4.1 眼鏡式3D技術. 19 4.1.1 色差式3D技術

16、. 19 4.1.2 快門式3D技術 20 4.1.3 偏光式3D技術 20 4.2 裸眼式3D技術 21 4.2.1 光屏障式技術 21 4.2.2 柱狀透鏡技術 21 4.2.3 指向光源技術 22 4.3 本章小結. 22第五章 總結與展望 23參考文獻 24致 25緒論1.1 研究意義和背景人類處于三維立體世界之中，用我們明亮的眼睛能夠辨別周圍物體所處的相對空間位置，也能感受這美妙的立體世界。但是，至今廣泛采用的照相術和攝影術只能記錄平面影像，缺乏立體感和真實感。近幾年來，顯示技術有了飛速的發展，從電子束顯示CRT到現在的平板、數碼顯示LCD/LED，變得越來越清晰、準確、直觀、方便、

17、節能、信息化，甚至色彩、立體化等。從而也引起三維立體影像（3D電影）的迅猛發展，三維立體影像是繼二維平面影像的自然演進。我們通常所看到的電視、電影大多都是二維空間的，即上下和左右兩個維度的，我們一般稱之為2D。3D除了上下和左右兩個維度之外，又增加了一個新的維度前后。3D電影不僅具有普通2D電影清晰、直觀等優點，更引人注目的是，它能讓觀眾有穿越銀幕、身臨其境的感覺。這樣，就可以使觀眾欣賞到一種逼真的、具有空間立體感的視覺效果。這就是顯示技術朝著立體化、信息化方向發展的原因，也是3D電影得到迅猛發展的催動力。隨著現代人類生活水平的提高，對物質的要求也越來越高，人們希望看到的東西是更貼近生活、更適

18、合自己的故事。因此，在電影這一行業，3D電影無疑是以后發展的一個新方向。如果說對3D電影的研究具有很重要的意義，那么對3D電影的光學原理探討則是重中之重。1.2 3D電影發展歷程說到3D電影，相信大多數人并不陌生，因為其飛快的發展速度，已經引起了電影工作者的高度重視。2009年末阿凡達的上映猶如一顆重磅炸彈，使3D這一技術元素在電影界甚囂塵上。人們被它成熟的CG技術1和完美的3D效果所折服，所有的評論呈現一邊倒的態勢，以至于在業界有人把2009年稱為3D元年，阿凡達也成了3D新紀元的奠基之作。似乎用任何辭藻來形容阿凡達都不為過，它的所有元素，不管是該片導演的十余年打磨一劍，還是近乎完美的CG技

19、術與真人實拍相結合，為影片全新開發的表情捕捉系統以與成熟的3D顯像技術、過硬的劇本、巨額影片投資以與空前的票房回報等，如此種種使阿凡達成為世界電影發展史上濃墨重彩的一筆。阿凡達已經超越了影片本身，它是作為一個電影事件而存在著。其實，早在上世紀50年代，就已經發明了立體電影。1922年，世界上第一部3D電影是愛情的力量，遺憾的是，影片很早之前就已經遺失了。早期的3D電影都是以展示立體效果為主，片中常以指向觀眾的槍、扔向觀眾的物體為噱頭。但由于制作工藝和制作技術比較落后，導致觀眾感覺看不清楚、頭暈、不太適應、沒有舒適感，畫面缺乏真實感、顏色不是很理想等等各種負面的評價。所以由于技術的不成熟和市場缺

20、少關注等原因，那個時期的3D電影一直未得到普與。近幾年，隨著影視數字技術的成熟，3D立體電影有了長足的進步，阿凡達就是數字技術與3D立體電影相結合的一個成功例子。如今，3D電影已經進入了發展的黃金期。2009年11月19日，全國音頻、視頻與多媒體系統與設備標準化技術委員會2在京舉辦了“立體影像技術標準研討會暨研究組成立會議”，來自國外從事立體影像技術和標準研發與應用的30多位專家出席會議。立體影像技術標準研究組的成立將推動我國立體影像技術標準研究制定工作的有效開展，加速制定我國立體影像技術標準體系。3D電影在國大圍上映實際始于2008年的 HYPERLINK :/baike.baidu /vi

21、ew/1895089.htm t _blank 地心歷險記，近在咫尺的細微生物、呼嘯而過的珍奇異獸、過山車般身臨其境的美妙感覺。其100元的高昂票價和前所未有的視覺沖擊力，讓該片在有限的80塊3D銀幕放映27周，票房達6700萬元，平均每塊銀幕票房80萬元。以票房3.2億元的赤壁(上)為例，它在3600塊銀幕放映合每塊銀幕票房8萬多元。比較兩部影片，3D電影平均銀幕票房數是普通影片的10倍！“賣一部電影的票房就收回了放映設備的投入”，堪稱奇跡。一系列引進的3D大片掀起了3D熱潮，國眾多院線紛紛擴建、更新放映設備，力推3D電影。08年中國的3D銀幕數量還只有86塊，一部 HYPERLINK :/

22、baike.baidu /view/1895089.htm t _blank 地心歷險記6700萬的票房極大的刺激了各院線老板的胃口，紛紛升級3D銀幕和設備，到暑期 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1644010.htm t _blank 冰河世紀3上映之時，中國的3D銀幕數量已經迅速發展到350塊。 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2694918.htm t _blank 阿凡達上映之時，中國的3D銀幕數量將突破600塊，成為緊隨美國之后的全球第二大3D電影市場。中國3D銀幕數量2010年的目標甚至是1300塊。短短一年半時間，3D銀幕

23、數翻了近五番，而且這一增速還在持續。一種是放映機成本較低，投入幾十萬，但科技含量在眼鏡上，因此一副 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2436773.htm t _blank 立體眼鏡的成本就達到了700元（如今更新換代，不少影城已經不需押金了）；另一種方式，則是眼鏡只有20到30元，但設備成本高達幾百萬。只要有數字銀幕，在此基礎上花20多萬元添加設備就能放映3D電影，成本不算高，復制起來非常容易。因此絕大部分影城都采用前者設備放映3D電影。中國3D電影市場一不留神成為全球第二，成長速度可謂一日千里。同時，一批優秀的影視、動畫工作者也投入到了3D電影的制作，開創了國產

24、3D電影的先河。只可惜國產3D電影還不成熟，一方面技術上不能真正與 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6947.htm t _blank 好萊塢3D效果抗衡，另一方面急功近利的創作不倫不類，這幾部電影進入市場幾乎都無一席之地。1.3 論文結構對于3D電影的探討，多集中于電影美學、電影敘事方式、影片類型等領域。本文在重點探討3D電影光學原理基礎上，介紹了3D電影的制作和實現方法，著重對3D電影的顯示技術展開分析討論，特別是裸眼式顯示技術。論文主體容分為以下四個部分：第一部分：第二章主要介紹3D電影和它的光學原理，光學原理包含了四個重要的光學參數。最后介紹了3D電影的兩種

25、制作方法，分別是偏光眼鏡法和360度全息顯示法。第二部分：第三章介紹了3D電影的實現方式和過程，過程包括目標立體景象的圖像信息獲取、圖像信息的處理和立體設備顯示。著重對立體顯示方式展開研究，介紹了體式顯示方式和自由立體顯示方式。第三部分：第四章圍繞著3D電影的顯示技術展開討論，介紹了兩類顯示技術，分別是眼鏡式和裸眼式技術。這兩種技術各有各的優缺點，眼鏡式技術雖然效果好，但不方便、不舒服；裸眼式雖不要戴眼鏡，到效果不佳，技術目前還不成熟。第四部分：第五章主要對前面幾個章節的總結，并對3D電影未來發展方向做出預測。第二章 3D電影的光學原理2.1 3D電影簡介3D電影34即立體電影，其中D是英文D

26、imension（線度、維）的字頭，3D電影指的是三維立體電影的意思。立體電影是利用人雙眼的視角差和會聚功能制作的可產生立體效果的電影，出現于1922年。這種電影放映時兩幅畫面重疊在銀幕上，通過觀眾的特制眼鏡或幕前輻射狀半錐形透鏡光柵，使觀眾左眼看到從左視角拍攝的畫面，右眼看到從右視角拍攝的畫面，通過雙眼的會聚功能，合成為立體視覺影像。人眼能感覺到景物的立體感是因為景物分別在左右眼視網膜上成像。所有類型的立體顯示系統都是模擬人眼觀察物體的方式拍攝片源，然后通過各種分光技術分別投射視差片源到人的左右眼。3D電影同我們通常看的普通電影不同之處在于：普通電影（也稱2D電影）畫面只有上下和左右兩個維度

27、，3D電影除了上下和左右兩個維度之外，又增加了一個新的維度前后。這樣，觀眾在觀看3D電影時就能體會到一種逼真的、具有空間立體感的視覺效果。 2.2 光學原理2.2.1 偏光原理3 D多是利用偏光原理56：人的兩眼分開約6cm，兩只眼睛除了瞄準正前方以外，看任何一樣東西，兩眼的角度都不會一樣。雖然差距很小，但經視網膜傳到大腦里，大腦就用這微小的差距，產生遠近的深度，從而產生立體感。一只眼睛雖然能看到物體，但對物體遠近的距離卻不易分辨。根據這一原理，如果把同一景像，用兩只眼睛視角的差距制造出兩個影像，然后讓兩只眼睛一邊一個，各看到自己一邊的影像，透過視網膜就可以使大腦產生景深的立體感。簡而言之，兩

28、眼的視差是產生立體視覺的主要因素。人的大腦產生立體視覺主要是通過兩只眼睛來實現的，如下圖2-1所示，人的雙眼間距大約為60mm，幾乎處于平行的位置。觀察外界景物時，在每只眼睛的視網膜上都形成一個獨立的圖像，這兩幅圖像大部分重疊，而只存在一些微小的差別，這種差別即視差。具有視差的兩幅圖像所引起的神經沖動傳送到大腦的視覺皮層，由皮層的融合作用形成一個具有立體的視覺影像。圖2-1 視差的產生 雙目立體視覺模型如下圖2-2所示，用來表征人眼的視差立體形成過程。圖2-2 雙目立體視覺模型由于人的雙眼在觀看物體時絕大多數時間總是處于水平位置，因此在成像模型中以單一的點來表征物體，并且假定成像的高度在左右眼

29、中是一樣的。圖2-2中的是立體空間的坐標系，和分別是左眼和右眼的位置，和分別是左右眼的像平面坐標系.設d為人的雙眼瞳距，則，（f為瞳孔的成像焦距）。空間點P(X，Y，Z)關于在投影為，關于在中的投影為，則有： （2-1）可以計算出坐標： （2-2）圖像的視差： （2-3）視角： （2-4）由（2-3）式可知，物體在雙眼中成相視差S與物體到眼睛垂直距離Z成反比物體離眼睛越遠，視差S越小，視角也越小。當物體離眼睛足夠遠時，視差和視角變得非常微小，即是零視差的情況，這時眼睛感覺不到立體感。2.2.2 光學全息上面講到了3D電影的最基本原理偏光原理，此原理是應用最為廣泛、比較容易實現的。其實3D電影還

30、可以通過另外一種光學技術來實現，那就是光學全息技術。我們通常在電影院看到的3D電影都是根據偏光原理制作的，雖然立體效果很好，但觀眾必須佩帶特制的偏光眼鏡。而根據光學全息技術制作的3D電影，裸眼就能實現，而且還能對拍攝的景物進行360度的觀看。既方便、直觀，攜帶信息量又大。1.全息簡介全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像技術。“全息”來自希臘字“holos”，意即完全的信息不僅包括光的振幅信息，還包括位相信息。利用干涉原理，將物光波前以干涉條紋的形式記錄下來，由于物光波前的振幅和位相即全部信息都儲存在記錄介質中，故被稱為“全息圖”。光波照明全息圖，由于衍射效應能再現出原始物光

31、波，該光波將產生包含物體全部信息的三維像。這個波前記錄和再現的過程就是全息技術。2.波前記錄和再現7（1）波前記錄記錄介質只對光強有響應，不能記錄波前攜帶的位相信息，只有使位相的空間調制轉換為強度的空間調制才可能實現完整信息的波前記錄干涉法可實現這一轉換。圖2-3 波前記錄如圖2-3所示，假定記錄介質H位于平面上，物光波前在H上產生的復振幅分布為： （2-5）引入相干的參考波，它在H上產生的復振幅分布為： （2-6）上兩式中，和分別表示物波和參考波的振幅分布，和分別表示物波和參考波的位相分布，它們都是實函數。H上總光場為： （2-7）強度分布為： （2-8）全息圖實際上就是一副干涉圖，第三項是

32、干涉項，在干涉條紋的幅值以與條紋位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它們分別受到參考光振幅和位相的調制。（2）波前再現用一束相干光波（通常選球面波和平面波）照射全息圖，假定它在全息圖面上的復振幅分布為，則透過全息圖的光場為： （2-9）前的系數表示常量，只改變照明光振幅；表示物光波單獨存在時在底片產生的不均勻光強；指振幅受到調制的照明光波，產生離散雜光。當時，是原來物波波前的準確再現，觀察到的是物體的虛像，為全息圖衍射場中的+1級波；當時，是發生變形的物光波，觀察到的是物體的實像，為全息圖衍射場中的-1級波；當，分別產生虛像和實像，虛像發生變形，實像不變形。（見圖2-4）（a）用原參考波照明

33、 （b）用共軛參考波照明圖2-4 波前再現2.2.3 光學參數 下面介紹幾個3D電影光學原理中常用到的幾個參數68：1光角由圖2-3所示，不難看出“目標物體1”與兩眼所成的夾角，會比“目標物體2”與兩眼所成的夾角大。圖2-5 光角示意圖顯然，“目標物體1”比“目標物體2”更靠近眼睛。在物理學上我們把和稱之為光角，即物體與兩眼所形成的角度。利用光角可以判斷物體的遠近。2視角立體影像的光學原理中另外一個比較重要的參數是視角，即物體的高度與眼睛所成的角度。利用視角可以判斷物體的大小，視角越大，則物體也越大。如圖2-4中，物體1比物體2小，其視角比視角小。圖2-6 視角示意圖光角與視角的最大區別，在于

34、光角的形成必須要兩眼才行；而視角的形成只需單眼即可。光角可以判斷物體的遠近（層次、深度）；而視角則可以判斷物體的大小。我們可以很清楚地分辨出二者的差異性，同時要看到物體的深度，就必須依賴我們的雙眼不可。3視差視差是透過雙眼各自所看到目標物體位置的差異性，是指在兩眼視網膜上成像的位差，如圖2-5所示。就是因為有了視差，才能賦予立體影像有深度、層次的空間感。在圖中可以看出，光角越大視差也越大。但視差不易太大，否則會造成眼睛不舒服。可為了增加立體效果，一般會將視差加大。圖2-7 示意圖根據人眼看景物的近、中、遠三個不同的層次，如圖2-6可將視差分為以下三類：（1）非交錯視差：兩眼焦點視線在屏幕前沒有

35、任何交叉情況，此時其影像將會呈現在屏幕后。（2）零視差：兩眼焦點視線的交叉點剛好落在屏幕上，此時其影像將會呈現在屏幕上。（3）交錯視差：兩眼焦點視線在屏幕前有交叉情況，則其影像將會呈現在屏幕前的交叉點上。圖2-8 視差分類4深度立體影像中的深度即指場景中各點相對于攝像機的距離。下面結合深度示意圖推導出深度的計算公式：圖2-9 深度示意圖 在圖2-7中，F是攝像機的焦距，是物點P在左攝像機中成像的位置，是物點P在右攝像機中成像的位置，B是基線距離。場景點P在左、右圖像平面中的投影點分別為P左和P右，假設坐標系原點與左透鏡中心重合，比較相似三角形和得到： （2-5）同理，由相似三角形和得到： （2

36、-6）合并（2-5）和（2-6）兩式得： （2-7）由上面推導可知各種場景中的深度信息與視差成反比，與基線和焦距成正比。2.3 3D電影的制作方法根據以上介紹的兩種3D電影的光學原理，可以將3D電影的制作分為偏光眼鏡法和360度全息顯示法。偏光眼鏡法是利用偏光原理制作的，需要觀眾佩戴偏光眼鏡才能感受到3D的立體效果；360度全息顯示法是利用光學全息制作的，觀眾無須佩戴眼鏡，就能全方位的感受3D的立體效果。2.3.1 偏光眼鏡法3D立體電影有多種制作方式，其中較為廣泛采用的是偏光眼鏡法3。依據人眼觀察景物的方法，利用兩臺并列安置的攝影機，分別代表人的左、右眼，同步拍攝出兩條略帶水平視差的畫面。放

37、映時，將兩條電影膠片分別裝入左、右放映機，分別播放出左眼和右眼的畫面。每臺放映機前端裝有改變光線相位的偏振片。同時，兩臺放映機前面有一個周期轉動的遮光板，通過遮光板的轉動，將放映機輸出的每秒24格畫面提升至每秒48格。由于左右放映機的遮光板有相位差，左右眼的圖像是交替出現的，到達觀眾的眼中，就成為每秒 96 格的立體圖像了。兩臺放映機同步運轉，同時將畫面投放在金屬銀幕上，形成左右像雙影。當觀眾戴上特制的偏光眼鏡時，由于左、右兩片偏光鏡的偏振軸互相垂直，并與放映鏡頭前的偏振軸一致，致使觀眾的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通過雙眼匯聚功能將左、右像疊加在視網膜上，由大腦神經產生三維立體的視覺

38、效果，展現出一幅幅連貫的立體畫面，使觀眾感到景物撲面而來、或進入銀幕深凹處。但是，由于膠片放映的穩定性較差，長時間觀看這樣的影片，會感覺到頭暈等不適。所以，長期以來3D立體電影一直是以特種電影的形式存在。2.3.2 360度全息360度全息顯示9：它是由南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員目前宣布他們成功研制的，這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像，只是會有些危險。可以說這些技術很多國家都在研制，毫不夸的說這項技術它包含了未來，誰最先使用這項技術，誰就最先走入未來的先進技術行列。全息投影技術是全息攝影技術的逆向展示，本質上是通過在空氣或者特殊的立體鏡片上形成立體的影像

39、。不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實現立體感，全息投影技術是真正呈現3D的影像，可以從360的任何角度觀看影像的不同側面。2.4 本章小結本章主要介紹了3D電影的概念，在此基礎上探討了3D電影的光學原理，主要有偏光原理和光學全息技術。并就光學原理里面講到了幾個重要的光學參數，光角、視角、視差與深度進行了討論，它們之間都是相互聯系的，可以相互推導的。最后，簡單介紹了3D電影的兩種制作方法。第三章 3D電影的實現方式 3D電影的實現過程5是把客觀存在或虛擬的立體場景在特定的時間和地點呈現出來，其過程包括目標圖像信息的獲取，圖像信息的儲存和處理，圖像信息的重現三個環節，如圖3-1

40、所示。圖3-1 3D電影的實現過程3.1 立體圖像獲取 由雙目立體視覺原理可知，要想產生立體感，立體圖像必須包含至少一對具有一定視差的立體圖像對，即一對左眼圖像和右眼圖像，并且這種視差要符合人眼的生理結構。立體圖像的來源有三種：1多相機拍攝多相機拍攝中最簡單的方法是雙目攝像機拍攝。兩臺攝像機的角度和距離模仿人的雙眼，拍攝產生具有一對視差的左眼圖像和右眼圖像，然后編碼成視頻信號儲存起來。2立體掃描立體掃描可以從多個角度記錄立體信息，并儲存在特定的介質中，如光學全息成像等。與多相機拍攝不同，通過立體掃描觀看者可以在任何角度看到立體效果。3軟件生成軟件生成是利用計算機圖像處理技術，通過某個具體的立體

41、建模軟件生成立體場景。現在主流的立體軟件有3D Studio，Maya等。3.2 立體顯示方法根據人眼立體視覺原理，形成人工立體視覺必須具備以下3個條件：1輸出的兩幅圖像必須有一定的左右視差；2左右眼必須分別觀察到左眼圖像和右眼圖像，即實現“分像；3兩幅圖像所放置的位置必須使相應視線成對相交，消除上下視差；由以上3個條件我們可將人工立體顯示方法分為兩大類：體視顯示方式（Stereoscopic Display）與自由顯示方式（Autostereoscopic Display）。體視顯示方式借助眼鏡、頭盔等設備，使人的雙眼同時分別看到具有視差的立體圖像對，以形成立體視覺；而自由顯示方式大都采用光

42、學板，觀看者不需要佩戴輔助設備就能看到立體影像。3.2.1 體式顯示方式體式顯示方式的立體實現主要有三種：分時法，分光法和分色法。這三種方式都需要通過播放平臺將左眼圖像和右眼圖像分離再顯示，觀看者在觀看時佩戴相應眼鏡，使左右眼分別接收到左眼圖片和右眼圖片。1.分時法分時法也稱為液晶閃閉法，如圖3-2所示。該方法是指將左右圖像按幀(場)序交替顯示，通過單一顯示器用液晶閑閉的方式實現圖像分像。顯示過程中，顯示屏上沿水平方向交替顯示兩幅具有視差的立體圖像對。觀看者佩戴液晶眼鏡，液晶眼鏡上設置有液晶快門，液晶快門受邏輯控制電路中紅外信號控制，該紅外信號與顯示器交替顯示左右眼圖像對的信號同步。在顯示器顯

43、示左眼圖像期間，紅外信號控制液晶眼鏡打開左跟液晶快門并同時關閉右眼液晶快門；在顯示器顯示右眼圖像期間，紅外信號控制液晶眼鏡打開右眼液晶快門并同時關閉左眼液晶快門。左右液晶快門以高頻率交替開關，由于人眼的視覺延遲作用，觀看者就可以觀看到立體圖像。圖3-2 分時法演示圖這種方式是通過對視頻信號處理讓左右眼畫面交替顯示，然后以特定頻率的同步信號控制液晶眼鏡。因此，從液晶眼鏡看顯示器時。顯示器的當前刷新率除以2才是通過液晶眼鏡看到的實際刷新率。如果眼鏡中左右眼的畫面刷新速度不夠快，顯示畫面會出現明顯閃爍，這將導致觀看者眼部不適合和頭暈。當顯示器每秒刷新120次（120 Hz），左眼和右眼每秒分別可以看

44、到每秒60幅(60Hz)的畫面，這時候人眼才會覺得畫面沒有太大的閃爍。人眼基本可以接受。然而，對于習慣了85 Hz刷新率的人來說，顯示器要達到170 Hz的刷新頻率才可阻實現液晶眼鏡中的85Hz。所以，在使用這種液晶眼鏡的時候，要求顯示器的垂直刷新率至少達到120Hz。如果是在計算機平臺上實現，則要求顯示卡必須能夠快速交替顯示左右圖像，因此，液晶閃閉法對顯示設備的要求較高。2.分色法分色法是將左眼圖片和右眼圖片分別用不同顏色顯示10，觀看者佩戴相應的補色眼鏡觀察。分色法最常用的是紅綠模式，實現過程如下：將左右眼圖片分別用紅色和綠色顯示，觀看帶上紅綠眼鏡后，紅色鏡片濾掉綠色圖像，綠色鏡片濾掉紅色

45、圖像，這樣就保證人的左右眼分別接收到左眼和右眼圖像。紅綠分色實現立體的方法成本低廉，實現容易，觀看者只需佩戴紅綠濾光片，觀看方便。分色立體技術早期應用于印刷品，立體照片等靜態顯示。隨著計算機圖形處理技術的提高，分色技術可應用于動態立體顯示，即將立體視頻流里的左右眼圖像分別渲染成不同顏色，觀看者通過佩戴相應補色眼鏡觀察獲得立體感。分色法的缺陷是觀看者只能觀察到單調的兩種顏色，色彩表現不夠豐富。3.分光法分光法立體顯示系統是基于偏振光平臺的11。偏振光是具有偏振特性的光，它的振動方向固定在一個平面的。由于偏振片的“起偏特性，只允許和起偏方向一致的光通過，如3-3圖所示。因此，當自然光通過偏振片時，

46、就變成了偏振光。圖3-3 分光法演示圖利用偏振光的這一特性，讓投射左眼圖片和右眼圖片的光分別經過相互正交的偏振片，觀看者帶上相應的偏振眼鏡后，由于偏振眼鏡的“檢偏作用”，左眼和右眼分別接受到左眼圖片和右眼圖片，再經過大腦合成，可產生立體感。偏振光立體電影原理如圖3-4所示。偏振光除了水平極化和垂直極化外，還有互為正交的斜極化偏振和互為旋轉的圓極化偏振。圖3-4 偏振光立體電影原理偏振分光立體顯示方式色彩表現豐富，立體效果顯著，觀看著只需佩戴輕便的偏振光眼鏡即可觀看到立體效果。當前電影院，博物館，展覽館等大型場合的3D實現均采用此種方式。但由于需要采用具有非去極化性能的金屬屏幕，因此成本比較昂貴

47、。4.三種實現方法的對比，如表3-1所示。實現方法立體效果畫面色彩人眼舒服度成本分時法好好一般高分色法一般差一般低分光法好好好一般表3-1 三種體式顯示方式對比由表3-1可知，綜合立體效果，畫面色彩，人眼舒適度和系統成本等因素，分光立體顯示技術優勢顯著。因此，偏振光立體顯示系統得到了廣泛應用。3.2.2 自由立體顯示方式自由立體顯示方式是通過柱面鏡、視差柵、全息屏和菲涅耳透鏡等光學板，來產生具有立體感的視覺區域。在視覺區域，觀看者無需佩戴立體眼鏡即可觀察到立體效果。自由立體顯示方式又分為線光源照明法和多視圖顯示（視差照明）法。1線光源照明法線光源照明法是在立體顯示器LCD或TFT的像素層后使用

48、一系列并排的線狀光源給像素提供背光照明，線光源寬度極小且與顯示器的列像素平行。背光照明使整個顯示器的奇列像素和偶列像素傳播路徑分離，在可視區保證觀察者左眼接收到奇列像素組成的圖像，右眼接收到偶列像素觀察的圖像。圖3-5是線光源照明法的示意圖，為照明層和像素層的距離，P為顯示器像素間距，L為顯示器到人眼的距離，E為瞳孔距離，為視場分離角。線光源，相鄰兩列像素和眼睛的位置構成了兩個相似三角形，各參數有如下關系： （3-1） （3-2）對于標準的TFT或LCD顯示屏來說，像素間距P為一常數，可通過改變線光源間距，像素與線光源偏移量和L，等參數調節立體效果，經驗值一般取=4P-10P。圖3-5 線光源

49、照明法原理圖根據此方法立體顯示原理可知，左眼圖片和右眼圖片分別顯示在顯示器的奇行像素區和偶行像素區（分別成L區和R區），因此，立體片源制作過程如圖3-6所示：首先得到左右并列顯示的左眼和右眼圖片(a)，再把左眼圖片按像素列離散化，使之分離成梳狀映射到L區(b)，同樣再把右眼圖片按像素列離散化，使之分離成梳狀映射到R區，此時左眼圖像和右眼圖像在屏幕上是交錯分布的(C)。圖3-6 線光源照明法立體圖的制作2多視圖顯示系統(光柵遮擋法)多視圖顯示系統由平面顯示面板和視差柵板組成，利用視差柵的分光作用進行立體顯示。原理如圖3-7所示，首先將觀察目標用4臺攝像機從連續的四個角度進行曝光，每相鄰的兩臺攝像

50、機模仿人的雙眼組成一對雙目攝像機，得到的圖片經過圖像轉換器轉換后在平面顯示面扳上形成多視圖。視差柵板選用垂直視差柵，其遮擋方向與圖像的列像素平行。多視圖經過視差柵板的遮擋，形成多視圖區域。在多視圖區域，人的雙跟可同時觀察到兩幅子畫面，如果這兩幅子畫面是相鄰的攝像機拍攝得到，根據立體視覺原理，人可以感覺到立體效果。圖3-7 多視圖顯示系統(四相機)若要實現右眼看到顯示屏上全部的奇像素列所構成的圖像，而看不到顯示屏上任何偶像素列，左眼只看到顯示屏上全部的偶像素列所構成的圖像，而看不到顯示屏上任何奇像素列，還必須正確地配置立體顯示器的結構參數。對于特定的LCD屏，還必須確立像素尺寸、水平顯示分辨率、

51、光柵板柵距、隙縫寬度、像素平面與照明板之間的距離等結構參數與人眼兩瞳孔之間的距離、立體視帶與顯示屏之間的距離、視區尺寸等立體視覺性能參數之間的關系。這種采用垂直視差(圖3-8)的現實方式是以犧牲水平分辨率為代價的，成像的時候水平分辨率將大幅下降，而垂直分辨率卻沒有變化，顯示圖像嚴重失真。為了克服這一缺陷而采用光屏障式技術（圖3-9）技術12，該技術與垂直視差柵相比，其遮擋方式為矩形塊，而不是條狀，這樣可保證圖像水平分辨率和垂直分辨率一致。 圖3-8 垂直視差 圖3-9光屏障式技術3.3 本章小結我們知道3D電影原理和制作方法之后，需要了解它的實現方式和過程。本章主要研究3D電影的實現方式和過程

52、，其過程包括目標物體的圖像信息獲取、圖像信息處理和立體設備顯示。著重對立體設備顯示方式展開研究，介紹了體式顯示方式和自由立體顯示方式兩種。第四章 3D電影顯示技術隨著廣大消費者對3D顯示需求的增加，各種各樣的3D技術也在不斷發展。3D顯示技術131416主要可以分為裸眼式和眼鏡式，裸眼式3D技術目前主要應用在工業商用顯示市場，如3D廣告牌；眼鏡式3D技術則集中于消費級市場，如此次流行的3D阿凡達普遍采用的是眼鏡式3D技術。眼鏡式3D技術可分為色差式、快門式和偏光式三種，而裸眼式3D技術可分為透鏡陣列、屏障柵欄和指向光源三種，每種技術的原理和成像效果都有一定的差別。4.1 眼睛式3D技術目前市場

53、上的3D電影，幾乎都是眼鏡式顯示技術，就是說觀眾在觀看電影時必須戴上特制的眼鏡，才能體會到3D的立體效果。之所以采用這種技術，是因為眼鏡式顯示技術比裸眼式顯示技術效果更好。眼鏡式3D技術可分為三類：色差式、快門式和偏光式，下面簡單介紹一下。4.1.1 色差式3D技術色差式技術使用的是被動式紅-藍（或者紅-綠、紅-青）濾色技術。這種技術歷史悠久，成像原理簡單，實現成本相當低廉，眼鏡成本僅為幾塊錢，但是獲得的3D效果也是最差的。色差式3D先使用兩種不同顏色的濾光片對左右視角圖像進行畫面濾光，然后疊加到一個顯示平面上。觀看者使用色差3D眼鏡濾光后所看到的左右眼圖像分別對應原來的左右視角圖像，從而形成

54、3D立體的效果。這樣的方法會大幅降低亮度，并且容易使畫面邊緣產生偏色。色差式技術雖然效果不是很好，但成本低廉、容易實現，自己在家就可以制作，因此應用還是比較廣泛。下面通過圖4-1介紹一下6步完成立體眼鏡的制作過程15。圖4-1 六步制作立體眼鏡4.1.2 快門式3D技術 快門式技術將LCD技術應用到3D眼鏡鏡片上。這種3D技術因為在電視和投影機上應用得最為廣泛，資源相對較多，而且3D效果出色，受到很多廠商推崇和采用，不過其匹配的3D眼鏡價格較高。主動快門式3D主要是通過LCD技術控制鏡片透光率來實現3D效果。當3D信號輸入到顯示設備（諸如顯示器、投影機等）后，圖像以左右幀交替的方式顯示。通過紅

55、外發射器將這個幀同步信號傳輸出去，負責接收的3D眼鏡根據同步信號控制左右鏡片的開關，實現左右眼看到各自對應的圖像。由于左右眼看到的圖像快速切換，因此在大腦中產生錯覺，便觀看到立體影像。用于人眼的反應速度有限，只要刷新率足夠高，人眼就感覺不到鏡片開關帶來的閃爍。快門式3D技術能夠保持畫面的原始分辨率，且不受視角視距和佩戴姿勢影響，因此能獲得很好的3D效果。4.1.3 偏光式3D技術偏光式技術使用的是被動式偏振光技術。偏光式3D技術的圖像效果比色差式好，而且眼鏡成本也不算太高，目前電影院普遍采用的即是該類技術。偏光式3D是利用光線有“振動方向”的原理來分解原始圖像的，在顯示時會送出垂直方向偏振光和

56、水平方向偏振光兩組畫面，然后3D眼鏡左右分別采用不同偏振方向的偏光鏡片，這樣人的左右眼就能接收兩組畫面，呈現立體影像。在偏光式3D系統中，目前市場中較為主流的有RealD 3D系統、MasterImage3D、杜比3D系統三種。特別是RealD 3D技術，其市場占有率最高，而且不受面板類型的影響，可以幫助任何支持3D功能的電視和顯示器產生出高清3D影像，擁有這項技術的RealD公司主要是通過技術授權進行推廣，目前已經和東芝、索尼、JVC、三星等公司達成了合作，在3D影院方面其占有率也遙遙領先。偏光式3D技術會降低圖像的水平分辨率，同時也會降低亮度，而且偏光眼鏡的佩戴姿勢必須固定才能獲得較好的立

57、體感。4.2 裸眼式3D技術16由于在畫面的亮度和分辨率上3D電影比起2D電影仍然存在諸多差距。有3D觀影經驗的觀眾必然會察覺到戴上立體眼鏡觀看3D電影時，所呈現的畫面要比摘下眼鏡時的畫面亮度暗。這無疑會損失掉許多畫面的細節。除此還有一個問題就是，目前由于技術的限制，觀看3D電影的觀眾還必須戴上特制的3D眼鏡。許多觀眾戴上這種眼鏡觀看立體電影會有頭暈等不舒適之感，近視眼的觀眾需要同時戴著兩副眼鏡，非常不方便。同時，觀眾也會對3D眼鏡的衛生問題有所擔憂。隨著科學技術的不斷發展和完善，裸眼式3D技術的出現，使這些問題都迎刃而解。裸眼式主要利用顯示器件對左右眼形成不同的光路，從而實現3D的立體效果。

58、從技術上來看，裸眼式3D可分為光屏障式、柱狀透鏡技術和指向光源三種。4.2.1 光屏障式技術 光屏障式技術利用了安置在背光模塊與LCD面板間的“視差障壁 ” ，在立體顯示模式下，應該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋右眼；同理，應該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀者看到3 D影像。4.2.2 柱狀透鏡技術 柱狀透鏡技術，在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡，使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上，這樣在每個柱透鏡下面的圖像的像素被分成幾個子像素 ，透鏡就能以不同的方向投影每個子像素，雙眼從不同的角度觀看顯示屏，就看到不同的子像素。4.2.3 指向光源技術指向光源技術，搭配兩組LED，配合快速反應的LCD面板和驅動方法，讓3D容以排序方式進入觀看者的左右眼互換影像產生視差，進而讓人眼感受到3D三維效果 。4.3 本章小結本章主要介紹了3D電影的顯示技術，分為兩類：