人眼的雙目立體視覺(jué)成像人類最神秘最完美的身體構(gòu)造之一,，了解人眼的基本構(gòu)造和視覺(jué)成像處理過(guò)程,，對(duì)于 3D 顯示技術(shù)具有極大的啟發(fā)。本文主要對(duì)人眼的基本構(gòu)造,、視覺(jué)成像系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,，并對(duì)基于此立體視覺(jué)原理的偏光式 3D 顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析和介紹。

1.人眼的構(gòu)造與成像原理

人類在觀看外界事物時(shí)先是通過(guò)雙眼接收由光所搭載的物體信息,，信息傳遞到大腦后再經(jīng)神經(jīng)中樞處理形成最終的視覺(jué)效果,。人類的視覺(jué)成像系統(tǒng)包括眼睛和視覺(jué)神經(jīng)，其中光覺(jué),、形覺(jué),、色覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)和體視覺(jué)等功能又受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制,，人眼結(jié)構(gòu)如圖所示,。

人眼底部視網(wǎng)膜正中的黃斑區(qū)對(duì)光學(xué)信號(hào)敏感度最高，對(duì)物體的成像也最清晰,。光信號(hào)會(huì)在視網(wǎng)膜上進(jìn)行變換,、濾波、編碼,，以神經(jīng)信號(hào)的方式傳輸給視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng),。人眼的雙目視覺(jué)指的是觀察一個(gè)外界物體時(shí)，其影像分別在兩眼視網(wǎng)膜的黃斑區(qū)內(nèi)成像并轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)信號(hào)沿視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X,，大腦的高級(jí)中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)把雙眼所接收的視覺(jué)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)和分析，最后融合成一幅完整且富有立體感的畫面,，人眼的這個(gè)成像過(guò)程稱為雙眼單視,。雙眼單視中又包含一項(xiàng)獨(dú)立的高級(jí)視覺(jué)成像功能，稱為立體覺(jué),，就是感知三維立體空間的直覺(jué),，這是人眼成像系統(tǒng)中一項(xiàng)必不可少的功能,。人的眼睛好像一架照相機(jī)，其中晶狀體就等同于照相機(jī)鏡頭,，外界的光線從瞳孔進(jìn)入,，通過(guò)晶狀體以后在視網(wǎng)膜上成像，視網(wǎng)膜的作用類似于 CCD（圖像傳感器）,，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)并通過(guò)視神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X,，最終在大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)完成圖像的綜合分析和認(rèn)知。 

2.雙目立體視覺(jué)

人類習(xí)慣使用雙眼來(lái)觀察所處的這個(gè)三維立體的現(xiàn)實(shí)世界,，不僅能夠感知到物體的大小,、顏色、形狀,，還能察覺(jué)出物體與自己相隔的距離,，產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺(jué)。像這樣對(duì)距離的感知就稱為深度感知,，也就是空間深度感,，空間深度感是形成 3D立體視覺(jué)最關(guān)鍵的因素。 

2.1雙眼視差

上個(gè)世紀(jì)初期,，“視差創(chuàng)造立體”原理被提出,。“視差”就是指當(dāng)人的雙眼分別從不同角度來(lái)觀察外界世界時(shí),，右眼和左眼看到的同一物體之間微小的差別,。在雙眼觀察同一物體時(shí)，左眼看到的物像左邊的部分會(huì)多一些,，右眼看到的物像右邊的部分會(huì)多一些,。這是因?yàn)槌赡耆说耐组g距在 53mm-73mm 范圍內(nèi)，平均間距在 65mm 左右所以,，當(dāng)雙眼觀察同一物體時(shí)是具有細(xì)微的差別的,，這就是“雙眼視差”。人的大腦在接收到雙眼獲得的這些細(xì)微差別后,，經(jīng)過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分析處理,，加工融合，可以得到物體的空間位置等信息,，最終形成立體視覺(jué),。 

有一個(gè)簡(jiǎn)單的書脊成像實(shí)驗(yàn)可以展示雙眼視差的形成，如圖 下圖所示,。將一本書放在正前方距雙眼大約 25cm 的位置,，把書脊朝向人臉的方向并向下傾斜大約45°，這個(gè)時(shí)候輪流閉上一只眼睛，用另一只眼睛觀察書本,，右眼恰好可以看到書的封底,，而左眼正好看到封面。當(dāng)雙眼視網(wǎng)膜所成的像傳到視覺(jué)神經(jīng)中樞時(shí),，人就可以感覺(jué)到眼前這本書具有立體感,。

保齡球成像實(shí)驗(yàn)更直觀地展示了雙眼視差的效果。在觀察放在人正前方的保齡球時(shí),，左右眼的視野稍有差別,，左眼和右眼看到的是保齡球列不同的側(cè)面，最后通過(guò)大腦的分析和融合才得到了正前方的保齡球視圖,。

像這樣具有微小視差的一對(duì)平面圖像我們稱之為立體圖像對(duì),。

2.2人眼的深度感知

當(dāng)人們觀察物體上的某一點(diǎn)時(shí)，由該點(diǎn)發(fā)射的光就會(huì)聚于雙眼視網(wǎng)膜中心的中央凹,，我們?cè)趦裳鄣囊暰W(wǎng)膜上為兩個(gè)中央凹給出了一對(duì)可以進(jìn)行比較的對(duì)應(yīng)位置,，以此作為依據(jù)來(lái)確定雙眼的會(huì)聚，同時(shí),，來(lái)自關(guān)注點(diǎn)以外的光并不一定會(huì)會(huì)聚在兩眼視網(wǎng)膜上給出的對(duì)應(yīng)位置,。這里可以通過(guò)全息圓（如圖 所示）來(lái)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程，并通過(guò)推導(dǎo)獲得雙眼視差所產(chǎn)生深度感知的定量數(shù)值,。 我們?cè)O(shè)雙眼晶狀體的中心點(diǎn)分別為 O1和 O2,，當(dāng)雙眼注視圖中的 M 點(diǎn)時(shí)，模擬光線傳輸將 O1,、O2和 M 點(diǎn)用兩條直線連接起來(lái),，ml和 m2是這兩條直線的延伸線與視網(wǎng)膜的交點(diǎn)。接下來(lái),，我們?cè)趫D中的兩眼視網(wǎng)膜上分別確定兩個(gè)點(diǎn)Pl和 P2,，這兩個(gè)點(diǎn)也是在視網(wǎng)膜上成像的空間中的點(diǎn)，當(dāng)∠P1O1m1= ∠ P2O2m2時(shí)它們恰好處于對(duì)應(yīng)的位置,。

當(dāng) P 點(diǎn)按以上描述在視網(wǎng)膜上成像為 Pl,、P2時(shí)，它在視網(wǎng)膜上沒(méi)有雙眼視差,。由幾何關(guān)系可知,，將所有雙眼視差為零的 P 點(diǎn)連起來(lái)恰好構(gòu)成了一個(gè)經(jīng)過(guò) O1和O2兩點(diǎn)的圓。這個(gè)根據(jù)雙眼視差所得出的圓就稱為全息圓,。 如圖中 Q 點(diǎn)這樣不在全息圓上的點(diǎn),，它所發(fā)射的光線就無(wú)法會(huì)聚在兩眼視網(wǎng)膜上的對(duì)應(yīng)位置，這樣視覺(jué)神經(jīng)中樞通過(guò)感知和分析雙眼視差就可以識(shí)別空間各點(diǎn)之間的距離差別,。 我們可以輕易地分析出雙眼視差和絕對(duì)距離的關(guān)系,。當(dāng)會(huì)聚角∠ β＜ ∠α?xí)r,，Q 點(diǎn)到雙眼平面 O1O2的垂直距離大于 P 點(diǎn)到雙眼平面的垂直距離，大腦就會(huì)產(chǎn)生Q 點(diǎn)比 P 點(diǎn)遠(yuǎn)的深度感,。 

對(duì)于雙眼視差和相對(duì)距離的關(guān)系我們可以定量的方式來(lái)推導(dǎo)計(jì)算： 
設(shè) P 點(diǎn)的會(huì)聚角與 Q 點(diǎn)會(huì)聚角相差： η = α -β 
設(shè) M 點(diǎn)和 Q 點(diǎn)到雙眼平面 O1O2的垂直距離分別是ML 和QL ，令 QM-QL = δ,，當(dāng)δ<<M L時(shí),，得： 

人眼的雙眼視差對(duì)η 的感覺(jué)靈敏度閾值為10′′，它被稱為立體銳視度,。因此,，M 點(diǎn)和 Q 點(diǎn)相對(duì)距離的最小值為： 
ML = 1米時(shí)，δmin= 0.8毫米  

ML = 10米時(shí),，δmin = 8厘米  

ML = 100米時(shí),，δmin= 8米；

針對(duì)人眼最常觀察的中等視距來(lái)說(shuō),，雙眼視差所提供的信息就是人眼深度感知最重要的線索,。 

2.3 3D顯示器的立體感

3D 顯示屏幕之所以能夠使觀眾產(chǎn)生立體視覺(jué)效果，就是因?yàn)樗軌蚴褂^眾產(chǎn)生深度感,，這種深度感既可以向前又可以向后,，下圖說(shuō)明了 3D 顯示屏幕是如何通過(guò)雙眼視差來(lái)使物體在屏幕上產(chǎn)生向前或者向后的深度感。

我們假設(shè)屏幕上顯示了 3 個(gè)點(diǎn)：A,、B,、C，并且每個(gè)點(diǎn)都同時(shí)具有左,、右兩
個(gè)圖像對(duì),，分別為 Al和 Ar，Bl和 Br,，Cl和 Cr,，其中 Al、Bl和 Cl由左眼畫面顯示,，而 Ar,、Br和 Cr則由右眼畫面顯示。 當(dāng)我們使用雙眼觀看屏幕時(shí),，可以分為三種情況,。A 點(diǎn)的左眼圖像 Al和右眼圖像 Ar恰好在屏幕上重合，此時(shí)雙眼看到的正好是同一個(gè)圖像點(diǎn),，大腦會(huì)判斷點(diǎn)A 的位置處在與屏幕水平面重合的 A’處,；B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)的情況就不同了，B,、C 兩點(diǎn)的左右眼圖像在屏幕上并不重合,，這時(shí)如果對(duì) 3D 顯示器顯示畫面采用適當(dāng)?shù)奶幚硎侄?，?B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)的左眼圖像 Bl和 Cl只能被左眼看到，而右眼圖像 Br和 Cr只能被右眼看到,，觀眾的大腦視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)就會(huì)分析融合兩眼圖像形成 B 點(diǎn)和 C點(diǎn)的空間圖像,，并判斷 B 點(diǎn)的位置處在屏幕水平面后方的 B’處，C 點(diǎn)的位置處在屏幕水平面前方的 C’處,。3D 顯示屏幕就是這樣利用人眼的雙眼視差使得 A,、B、C 三點(diǎn)產(chǎn)生深度感,，也就是立體感,。

我們把顯示器屏幕上的一對(duì)圖像對(duì)之間的象素差稱為水平視差，如上圖中 B 點(diǎn)所示,，當(dāng)左眼看到的圖像 Bl位于屏幕左側(cè),，右眼看到的圖像 Br位于屏幕右側(cè)時(shí)，這一對(duì)圖像對(duì)之間的水平視差被稱為正視差,；相反,，如圖中 C 點(diǎn)所示，當(dāng)左眼看到的圖像 Cl位于屏幕右側(cè),，而右眼看到的圖像 Cr位于屏幕左側(cè)時(shí),，這一對(duì)圖像對(duì)之間的水平視差就被稱為負(fù)視差；而如圖 3-5 中 A 點(diǎn)所示,，當(dāng)左眼看到的圖像 Al與右眼看到的圖像 Ar重合時(shí),，這一對(duì)圖像對(duì)之間的水平視差為 0，稱之為零視差,。  

3.3D顯示的條件

普通的平面二維顯示器無(wú)法實(shí)現(xiàn) 3D 視覺(jué)效果是因?yàn)槿藗冊(cè)诳措娨暤臅r(shí)候,，無(wú)論電視里的畫面內(nèi)容如何改變，人的雙眼對(duì)屏幕畫面某一點(diǎn)所產(chǎn)生的會(huì)聚角始終沒(méi)有變化,，水平視差一直處于零視差,，所以看到的永遠(yuǎn)只是一個(gè)平面而沒(méi)有立體深度感。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因就在于左右眼看到了完全相同的畫面,。所以,，如果我們能設(shè)法向左右兩眼分別傳輸兩組拍攝角度稍有不同的畫面，并且讓左右兩眼都只能看到其對(duì)應(yīng)的畫面,，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)這兩組畫面之間細(xì)微的不同來(lái)調(diào)節(jié)雙眼水平視差,，使物體產(chǎn)生空間深度感，進(jìn)而再現(xiàn)其空間定位以實(shí)現(xiàn) 3D 立體顯
示,。 由以上理論分析可以知道,，3D 顯示器要想使觀眾產(chǎn)生 3D 立體視覺(jué)效果，在屏幕上實(shí)現(xiàn) 3D 立體顯示,，有三個(gè)條件是必須具備的： 
（1） 需要左眼和右眼兩路影像,； 
（2） 兩路影像是不同的,，并且具有正確的視差； 
（3） 左右眼的兩路影像要完全分離,，左影像進(jìn)左眼,，右影像進(jìn)右眼。

4.正交偏振 3D 顯示系統(tǒng) 

4.1正交偏振 3D 顯示系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

可以知道顯示器前端出射的是搭載了視頻畫面信號(hào)的偏振光,。配套的偏振眼鏡左右眼鏡片的偏振方向互相垂直成 90°夾角,，并且分別與該配套液晶顯示器出射偏振光的偏振方向垂直和平行。而系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3D顯示效果的 TN 副屏是一層功能獨(dú)立的液晶副屏,，它貼附在液晶顯示器前端，也就是出射偏振圖像一側(cè),，TN 副屏在 3D 顯示系統(tǒng)中主要是作為開(kāi)關(guān)面板工作,。

4.2正交偏振 3D 顯示系統(tǒng)的工作原理 

正交偏振 3D 顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3D 效果的工作過(guò)程有兩個(gè)階段。我們先假設(shè)TFT-LCD 前端出射的偏振光初始偏振方向?yàn)?0°,，配套偏振眼鏡的左眼鏡片偏振方向?yàn)?0°,，右眼為 90°。 
在第一階段,，不對(duì) TN 副屏施加電壓,。此時(shí) TN 副屏內(nèi)的液晶分子由于連續(xù)彈性體理論和液晶分子的粘滯性呈現(xiàn)自然扭轉(zhuǎn) 90°狀態(tài)。由于液晶的光波導(dǎo)效應(yīng),，由 TFT-LCD 前端出射的搭載了圖像信息的偏振光在透過(guò) TN 副屏?xí)r,，其偏振方向會(huì)隨著液晶分子的連續(xù)扭轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn) 90°，如圖所示,。所以,，當(dāng)它透過(guò) TN副屏后偏振方向從 0°變?yōu)榱?90°，剛好與配套的偏振眼鏡右眼鏡片偏振方向平行,，而與左眼垂直,，因此只能透過(guò)右眼鏡片被右眼接收。 
在第二階段,，對(duì) TN 副屏施加驅(qū)動(dòng)電壓,，此時(shí) TN 副屏內(nèi)的液晶分子由于液晶的電光效應(yīng)會(huì)沿電場(chǎng)方向排列，液晶的光波導(dǎo)效應(yīng)消失,，由TFT-LCD 前端出射的偏振光在透過(guò) TN 副屏?xí)r,，其偏振方向不會(huì)發(fā)生任何改變。所以,，當(dāng)它透過(guò) TN 副屏后偏振方向依然為初始方向 0°,，剛好與配套的偏振眼鏡左眼鏡片偏振方向平行，而與右眼垂直,，因此只能透過(guò)左眼鏡片被右眼接收,。 由于 TN 副屏的這種開(kāi)關(guān)作用成功地分離出了兩路偏振方向互相垂直的偏振光,，每一路偏振光恰好只能通過(guò)一只偏振眼鏡的鏡片被一只眼睛接收。這時(shí),，只需要準(zhǔn)備稍有不同且具有正確雙眼視差的兩路影像片源,，左眼圖面搭載于進(jìn)入左眼的 0°偏振光，同時(shí)右眼畫面搭載于進(jìn)入右眼的 90°偏振光,。這樣,，觀眾的右眼就只能觀察到右眼畫面而左眼只能觀察到左眼畫面，通過(guò)大腦皮層中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分析和融合作用,，就能產(chǎn)生 3D 立體視覺(jué)效果,。 

3.5立體圖像對(duì) 

有了 3D 顯示器件，同樣還需要 3D 片源才能觀看到 3D 影像,。人們通常會(huì)制作符合雙眼視覺(jué)特征的兩幅立體圖像,，稱之為“立體對(duì)”。3D 片源就是用這樣的立體圖像對(duì)制作而成的,。立體圖像對(duì)通常是使用兩臺(tái)模擬人眼視覺(jué)機(jī)制的攝像機(jī)共同拍攝制作而成,，或是使用計(jì)算機(jī)圖像生成技術(shù)按照要求制作而成。 使用立體攝像機(jī)拍攝 3D 片源時(shí),，兩臺(tái)相同的攝像機(jī)會(huì)保持固定的距離和夾角關(guān)系,，兩個(gè)鏡頭的間距通常采用人眼平均間距 65mm，在拍攝過(guò)程中可以調(diào)整兩臺(tái)攝像機(jī)之間的距離和夾角來(lái)模擬人的雙眼,。兩臺(tái)攝像機(jī)會(huì)分別拍攝對(duì)應(yīng)于左眼和右眼的兩套影像,，后續(xù)處理中再進(jìn)行進(jìn)一步的立體視圖匹配計(jì)算。而使用計(jì)算機(jī)圖像生成軟件制作的立體影像,，通常會(huì)先建立一幅單眼視圖,，如右眼視圖，然后根據(jù)平移,、映射,、旋轉(zhuǎn)等算法生成右眼視圖。 下圖一 是 3D 攝像拍攝制作的立體圖像對(duì),，（a）為左眼圖像,，（b）為右眼圖像。從圖中可以看出左右眼圖像在舌頭伸出的角度,，帽子右邊界與背后畫上的字符位置,，人的身體與畫上人物腳的位置等這些細(xì)節(jié)方面有微小差異，這就是模擬人左右眼拍攝制作的立體圖像對(duì)所體現(xiàn)出的雙眼視差,。 圖（c）就是把（a）和（b）的立體圖像對(duì)左右眼圖像合成后制作的 3D 片源,，可以從畫面上看出左右眼圖像的細(xì)微差別。