立體圖的形成
——立體視覺漫談（五）
普通照片雖然能表現(xiàn)出一定的層次，但畢竟是一幅平面圖像，人們依據(jù)照片上物體 間的透視關(guān)系和生活經(jīng)驗(yàn)，“想象出”它們的空間位置。怎樣才能得到立體圖呢？
一類辦法是模擬雙眼視差來形成立體圖。雙眼視差是知覺立體物體及物體間相對(duì)距離的重要條件，當(dāng)左右眼分別觀察兩張差別不大的圖形時(shí)，只要把它們之間的距離調(diào)節(jié)得適當(dāng)，就能在大腦中引起深度效果，如果能夠模擬出雙眼視差，就有可能人為地制造立體圖像。最早實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的是英國物理學(xué)家查里斯·惠特斯通。
為了模擬雙眼視差，首先要得到觀察一個(gè)立體物體時(shí)兩眼分別形成的視像?？梢杂脙蓚€(gè)照相機(jī)，離開相當(dāng)于雙眼間的距離，從不同角度拍攝同一物體（圖5-1）。
照相機(jī)（左機(jī)） 照相機(jī)（右機(jī)）
圖 5-1
這樣得到的兩張照片，一張相當(dāng)于左眼看到的景象，稱為左圖，另一張相當(dāng)于右眼看到的景象，稱為右圖。這兩張圖片包含有雙眼視差，稱為“立體圖對(duì)”（圖5-2，5-3，5-4，5-4,5-5）。
圖 5-2
圖 5-3
圖 5-4
圖 5-5
為了使每只眼睛只看到它應(yīng)該看到的圖像，即：左眼只看到左圖而看不到右圖，右眼只看到右圖而看不到左圖，我們可以人為地設(shè)法將左眼和右眼的光路隔開，目前采用的主要方法有以下四種。
一、用幾何光學(xué)原理分隔光路
最簡單的方法，就是在左圖和右圖之間加一塊擋板，觀察時(shí)使左眼和右眼分別在擋板的兩側(cè)（圖5-6）。
圖 5-6
上面四幅立體圖對(duì)就可以用這種方法來觀察。找一張15厘米長、10厘米寬的硬紙板，將10厘米的一邊貼在書上立體圖對(duì)中間，使紙板與書面垂直，讓鼻梁貼在紙板上端，使左右眼分別在紙板兩側(cè)，雙眼同時(shí)觀看。當(dāng)兩個(gè)圖形融合成一幅圖時(shí)，立體效果就出現(xiàn)了。圖5-2為一個(gè)與書面垂直并伸向遠(yuǎn)方的圓筒；圖5-3為遠(yuǎn)近不同的三個(gè)幾何體（平放的書離讀者最近，其次是三棱柱，第三是正方體，正四棱錐離讀者最遠(yuǎn)）；圖5-4為一個(gè)黑色小方塊浮現(xiàn)在黑色背景的上方；圖5-5為一塊閃著微光的黑色晶體。習(xí)慣了這種觀察方法后，再試著去掉硬紙板，用兩眼直接觀察。這時(shí)不要直接去注意看兩個(gè)圖形，而是面對(duì)圖形，想著其他一些事，漫不經(jīng)心地去看，當(dāng)眼睛感到有些“花”的時(shí)候，由于雙眼競爭，將出現(xiàn)三個(gè)圖形，中間一個(gè)是左右圖融合后形成的，這個(gè)圖應(yīng)該有立體效果（這是需要一定時(shí)間并經(jīng)過幾次練習(xí)后才能看出的）。
另一種方法是用兩塊或四塊平面鏡來隔開光路（圖5-7、圖5-8A）?？萍拣^的《立體觀察鏡》（圖5-8B）就是用了（圖5-8A）的方法。還可以用兩塊三棱鏡，利用它對(duì)光的折射作用來隔開光路（圖5-9）。市售立體鏡（又稱實(shí)體鏡）也有直接用兩塊凸透鏡作成的。
圖 5-7
圖 5-8（A）
圖5-8（B）立體觀察鏡
圖 5-9
二、利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象分隔光路
科技館的《立體圖像發(fā)生器》就是利用了這種方法（圖5-10）。用兩個(gè)幻燈機(jī)分別將左片和右片按一定角度同時(shí)放映在同一銀幕上。用紙板擋住左眼，同時(shí)擋住放映左片的幻燈機(jī)，（以下簡稱左機(jī)）的鏡頭，這時(shí)右眼看到的是右片的圖像，當(dāng)這個(gè)圖像消失后，它的視像能在視網(wǎng)膜上保留約0.15秒的時(shí)間，很快地抽動(dòng)擋板，使它擋住右眼，同時(shí)擋住放映右片的幻燈機(jī)，（以下簡稱右機(jī)）的鏡頭，這時(shí)左眼看到的是左片的圖像，如果這一動(dòng)作非?？欤瑒t右眼的視像尚未消失，左眼又得到了左圖的視像，這兩個(gè)視像同時(shí)送入大腦，便能形成立體圖。
圖 5-10
由于視覺暫留的時(shí)間很短，用手抽動(dòng)擋板是來不及的，我們可以做一個(gè)圓盤形的檔板，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)（圖5-11）。圓盤上開有兩圈孔，各12個(gè)，內(nèi)圈和外圈孔的位置互相錯(cuò)開，就是說，當(dāng)外圈孔轉(zhuǎn)到觀察口，內(nèi)圈恰好沒有孔，這時(shí)人的右眼恰好被擋住，當(dāng)內(nèi)圈孔轉(zhuǎn)到觀察口時(shí)，外圈恰好沒有孔，這時(shí)人的左眼被擋住，兩個(gè)幻燈機(jī)的位置也是錯(cuò)開的，就是說，當(dāng)一個(gè)幻燈機(jī)放映時(shí)，另一個(gè)幻燈機(jī)的鏡頭恰好被擋住。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在檔住左眼的同時(shí)也擋住了左機(jī)鏡頭，這時(shí)右眼看到的是右機(jī)放映的圖像，反之亦然。如果圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的足夠快，那么右眼看到的圖像在大腦中還未消失，左眼又看到了左圖，從而在大腦中形成立體圖?？萍拣^展品《立體圖像發(fā)生器》就是利用這個(gè)辦法產(chǎn)生立體圖像的。
圖5-11
展品《立體圖像發(fā)生器》
在實(shí)用中是用“光閘”來代替圓盤形擋板的，在每個(gè)幻燈機(jī)的鏡頭前安裝一個(gè)光閘，它相當(dāng)于照相機(jī)的快門，由電子線路自動(dòng)控制啟閉時(shí)間，光閘打開時(shí)，幻燈機(jī)正常工作：光閘關(guān)閉時(shí)，鏡頭被擋住，銀幕上的圖像消失。兩個(gè)幻燈機(jī)上的光閘啟閉時(shí)間是錯(cuò)開的，即一個(gè)打開時(shí)，另一個(gè)就關(guān)上。觀看時(shí)，要戴上“光閘眼鏡“。眼鏡上兩個(gè)光閘的啟閉也是錯(cuò)開的，并且分別與兩個(gè)幻燈機(jī)上的光閘同步，即左機(jī)的光閘與左眼的光閘同時(shí)啟閉，右機(jī)的光閘與右眼的光閘同時(shí)啟閉。用光閘代替圓盤形檔板，可以省去一套笨重的裝置，光閘的啟閉頻率一般應(yīng)大于每秒10次。目前有些電視頻道在試播“立體電視”，就是用了這一原理。
三、用補(bǔ)色鏡分隔光路
混在一起能成為白色的兩種色光稱為互補(bǔ)色，常用的互補(bǔ)色是品紅色和蘭綠色，習(xí)慣簡稱為紅、綠色。
可以做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過一片紅玻璃去看一張寫有紅字的白紙，你會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，紅字不見了（或變得很淺）。這是由于紙上白色部分將所有色光全部反射，但只有其中的紅光可以通過玻璃到達(dá)眼睛，其余的色光都被玻璃吸收了，而紙上的紅字，只反射紅光，可以順利地通過玻璃被看到。因此紙上各處都一樣，實(shí)際上這時(shí)看到的是一片紅。但是如果換成綠色玻璃去看，情況就不一樣了，紙上白的部分變成了綠色，而紅字反射的紅光被全部吸收，看到的只是黑字。如果在紙上再另外寫幾個(gè)綠字，則會(huì)發(fā)現(xiàn)，綠字不見了（或變得很淺）。
如果紙上既有紅字，又有綠字，并且通過左紅右綠的“眼鏡”去看，會(huì)發(fā)現(xiàn)字都是黑的。這時(shí)如果閉上右眼，看到的只是黑色的綠字；閉上左眼，看到的只是黑色的紅字。就是說，用這種方法，每只眼睛只能看到紙上的一種字，并且都是黑色的。
將立體圖對(duì)用互補(bǔ)色繪制在同一塊白色背景上，左圖用綠色繪制，右圖用紅色繪制，現(xiàn)察時(shí)戴上左紅右綠的補(bǔ)色眼鏡。這時(shí)，“紅色的”左眼只能看到綠色的左圖（呈現(xiàn)紅底灰像），“綠色的”右眼只能看到紅色的右圖?。ǔ尸F(xiàn)綠底灰像）。當(dāng)兩眼同時(shí)觀察時(shí)，紅底與綠底凝成白色背景，兩個(gè)含有雙眼視差的灰像經(jīng)大腦綜合形成立體圖。實(shí)用中常把立體圖對(duì)分別染以互補(bǔ)色，稍稍錯(cuò)開后迭印在一起，成為一張圖像，科技館有一個(gè)名為《立體視覺檢查》的展品，就是用這個(gè)原理制成的。市售《高等數(shù)學(xué)立體圖冊(cè)》、《幾何彩色立體圖解》及醫(yī)用《立體視覺檢查圖冊(cè)》等也都是用這種方法來形成立體圖的。
需要指出的是，雙眼視差分為交叉視差和非交叉視差兩種。
A B
圖5-12
當(dāng)觀察條件為非交叉視差時(shí)，視像的輻合角度小于背景平面的輻合角度，從而視像被知覺為比背景遠(yuǎn)，因此圖形凹陷在背景的后方（圖5-12A）。當(dāng)觀察條件為交叉視差時(shí)，視像的輻合角度大于背景平面的輻合角度，從而視像被知覺為比背景近，因此圖形浮現(xiàn)在背景的前方（圖5-12B）。補(bǔ)色圖一般是用交叉視差原理制成的。因此，如果色鏡戴反（左紅右綠變成左綠右紅），將會(huì)看到圖形凹陷在背景的后方。
四、利用偏振光分隔光路
圖 5-13
在左圖和右圖前邊各放一個(gè)偏振片，使 它們的光軸互成90°，觀察時(shí)戴上偏振眼鏡，使兩個(gè)鏡片的光軸方向分別與相應(yīng)的圖片前的偏振鏡片相同。這樣每只眼睛將只能后到一個(gè)畫面，即左眼只看到左圖，右眼只看到右圖，從而產(chǎn)生雙眼視差，形成立體效果（圖5-13）。
有一種立體電影就是利用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)的，立體電影攝影機(jī)裝有兩個(gè)相距65毫米（相當(dāng)于人眼的目間距）的鏡頭，分別從兩個(gè)角度把同一場面拍攝到兩條膠片上，放映時(shí)用兩臺(tái)同步放映機(jī)同時(shí)放映這兩個(gè)畫面，使銀幕上出現(xiàn)兩個(gè)略有錯(cuò)位的畫面（圖5-14），兩臺(tái)放映機(jī)前各放置一片光軸互成90°的偏振片，一片能透過橫向振動(dòng)的光波，另一片能透過縱向振動(dòng)的光波。觀察時(shí)每個(gè)觀眾戴上一付偏振眼鏡，兩個(gè)鏡片的光軸分別與兩臺(tái)放映機(jī)上的偏振片相同。于是觀眾每只眼睛只能看到銀幕上的一個(gè)畫面：左眼看到左機(jī)放映的畫面；右眼看到右機(jī)放映的畫面，從而形成雙眼視差。這樣，觀眾便可看到真實(shí)感很強(qiáng)的立體電影了?？萍拣^的《立體電視》也是利用了這個(gè)原理。
采用偏振光產(chǎn)生的立體電影，不僅戴眼鏡使觀眾感到不便，而且每只眼睛只有一個(gè)偏振方向的影像，使眼睛的適應(yīng)和會(huì)聚陷入不自然的觀察狀態(tài)，從而感到疲勞。況且因偏振片的減光作用，需要更強(qiáng)的光源。因此寬銀幕電影出現(xiàn)以后，這種電影就不那么盛行了。
圖 5-14
五、“自生立體像畫片”
近年來街頭上出現(xiàn)了一種“三維立體畫”，有單張的，也有成本的。它的確切名字，應(yīng)稱為“自生立體像畫片”。由于能用肉眼直接從平面畫片上看出一個(gè)立體像來，引起人們極大興趣。這些平面畫初看起時(shí)，有的是無規(guī)則的符號(hào)；有的是樹葉、花朵或人像等；有的則只是一片雜亂無章的圖案，根本看不出是什么東西。但是當(dāng)你學(xué)會(huì)觀察方法后，就會(huì)看到另一番景像，飛機(jī)、恐龍、小鳥或正在滑雪的運(yùn)動(dòng)員會(huì)從紙面上分離出來，浮現(xiàn)在空中。
這一技術(shù)曾在世界上風(fēng)靡一時(shí)，日本人曾把它從領(lǐng)帶到瓷磚上都印刷過。在英國，現(xiàn)在也還可以在熱狗、賽車和罐頭盒上見到。在美國，也可在啤酒筒及禮品盒上看見。預(yù)計(jì)我國的廣告業(yè)不久也將會(huì)采用這種技術(shù)。
自生立體像畫片，是用眼睛直接觀看，讓立體像自己生出。在這種情況下，兩眼中的圖像必須有所不同，即必須形成雙眼視差。這是靠畫片中的圖案必須成雙成對(duì)，而且依次有微小扭曲來解決的?！弊陨Ⅲw像畫片“實(shí)際上是巧妙地利用了人眼的雙眼視差及視像融合功能。因此，兩眼視力差別較大者，看起來會(huì)比較費(fèi)勁，甚至看不出來。約有10％的人，不易看到自生立體像。戴眼鏡的人沒有關(guān)系，但不戴眼鏡更容易看到。
圖案的周期性，是自生立體畫片的另一特點(diǎn)。圖案的周期如不固定，眼睛會(huì)跳過一個(gè)或幾個(gè)周期，落在錯(cuò)誤的位置上，這時(shí)立體感仍在，但深度空間會(huì)產(chǎn)生畸變。
有的人看不出立體像，主要是沒有掌握觀察的要領(lǐng)，不一定是眼睛有問題。有兩種方法可以方便地看出立體像。一種方法是使鼻子靠近畫面，但不要貼在紙上，并盡量睜大眼睛，爭取看到整個(gè)畫面，這樣盯著看一會(huì)后，會(huì)感到眼睛有些“花”，保持這種感覺，將畫片從眼前慢慢移遠(yuǎn)，每移幾厘米，暫停幾秒鐘，讓腦子調(diào)整到新的位置上。移動(dòng)是從正常看書看報(bào)的距離，移走最遠(yuǎn)半米左右。暫停時(shí)，堅(jiān)持盯著看，立體像便會(huì)浮現(xiàn)出來。另一種方法，是離開畫片一些距離，并假想畫片是裝在玻璃鏡框里的，玻璃里面有自己的像（這個(gè)像是在畫面后邊），盯著自己像上比較明顯的某一點(diǎn)（如白色的衣領(lǐng)）觀看，（注意不要盯著畫面看），過一會(huì)，眼睛也會(huì)出現(xiàn)“花”的感覺，這時(shí)立體像就會(huì)出現(xiàn)。
看自生立體像畫片通常需要一些練習(xí)，有時(shí)幾小時(shí)才跳出立體效果。但是只要看出一次，再看多長時(shí)間或多少次，立體效果都會(huì)很容易地出現(xiàn)。而且看另外的自生立體像畫片時(shí)，很快就會(huì)出現(xiàn)三維效果。欣賞這種畫片是以眼力疲勞為代價(jià)的，因此不宜長時(shí)間連續(xù)觀看。
【作者】中國科技館劉錫印
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