毕业论文：3d电影的光学原理探讨(编辑修改稿)

毕业论文：3d电影的光学原理探讨(编辑修改稿)内容摘要：

前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。 虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，大脑就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。 一只眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。 根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感。 简而言之，两眼的视差是产生立体视觉的 主要因素。 人的大脑产生立体视觉主要是通过两只眼睛来实现的，如下图 21 所示，人的双眼间距大约为 60mm，几乎处于平行的位置。 观察外界景物时，在每只眼睛的视网膜上都形成一个独立的图像，这两幅图像大部分重叠，而只存在一些微小的差别，这种差别即视差。 具有视差的两幅图像所引起的神经冲动传送到大脑的视觉皮层，由皮层的融合作用形成一个具有立体的视觉影像。 图 21 视差的产生 双目立体视觉模型如 下 图 22 所示 ，用 来表征人眼的视差立体形成过程。 图 22 双目立体视觉模型 由于人的双眼在观看物体时绝大多数时间总是处于水平位置，因此在成像模型中以单一的点来表征物体，并且假定成像的高度在左右眼中是一样的。 图 22中的 OXYZ 是立体空间的坐标系， Lo 和 Ro 分别 是左眼和右眼的位置， 1 11OXY 和2 2 2OXY 分别是左右眼的像平面坐标系 .设 d 为 人 的 双 眼 瞳 距 ， 则/2LROO OO d， 12LRO O O O f（ f 为瞳孔的成像焦距）。 空间点 P(X， Y，Z)关于 LO 在 1 11OXY 投影为 1 1 1()PXY ，关于 Ro 在 2 2 2OXY 中的投影为 2 2 2()P XY ，则有： 1 2 1 2222x x y y fddy y zxx    （ 21） 可以计算出坐标： 1 ()2fdxxz 2 ()2fdxxz （ 22） 12fy y yz 图像的 视差： 12 ( ) ( )22f d f d fds x x x xz z z       （ 23） 视角： 2 2 2 222a r c ta n a r c ta nddxxy z y z （ 24） 由（ 23）式可知，物体在双眼中成相视差 S 与物体到眼睛垂直距离 Z 成反比物体离眼睛越远，视差 S越小，视角也越小。 当物体离眼睛足够远时，视差和视角变得非常微小，即是零视差的情况，这时眼睛感觉不到立体感。 光 学全息 上面讲到了 3D 电影的最基本原理偏光原理，此原理是应用最为广泛、比较容易实现的。 其实 3D 电影还可以通过另外一种光学技术来实现，那就是光学全息技术。 我们通常在电影院看到的 3D 电影都是根据偏光原理制作的，虽然立体效果很好，但观众必须佩带特制的偏光眼镜。 而根据光学全息技术制作的 3D 电影，裸眼就能实现，而且还能对拍摄的景物进行 360 度的观看。 既方便、直观，携带信息量又大。 简介 全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像技术。 “全息”来自 希腊字“ holos”，意即完全的信息 —— 不仅包括光 的振幅信息，还包括位相信息。 利用干涉原理，将物光波前以干涉条纹的形式记录下来，由于物光波前的振幅和位相即全部信息都储存在记录介质中，故被称为“全息图”。 光波照明全息图，由于衍射效应能再现出原始物光波，该光波将产生包含物体全部信息的三维像。 这个波前记录和再现的过程就是全息技术。 [7] （ 1）波前记录 记录介质只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息，只有使位相的空间调制转换为强度的空间调制才可能实现完整信息的波前记录 —— 干涉法可实现这一转换。 图 23 波前记录 如图 23 所示，假定记录介质 H 位于 xy 平面上，物光波前在 H 上产生的复振幅分布为： 0( , )0( , ) ( , )j x yO x y o x y e （ 25） 引入相干的参考波，它在 H 上产生的复振幅分布为： ( , )0( , ) ( , ) rj x yR x y r x y e （ 26） 上两式中， 0( , )o xy 和 0( , )r xy 分别表示物波和参考波的振幅分布， ( , )o xy和 ( , )r xy 分别表示物波和参考波的位相分布，它们都是实函数。 H 上总光场为： ( , ) ( , ) ( , )U x y O x y R x y （ 27） 强度分布为： 2 2 2 ( , ) ( , )00( , ) ( , ) ( , ) ( , ) 2 ( , ) ( , ) c o s [ ]rox y x yI x y U x y O x y R x y o x y r x y       （ 28） 全息图实际上就是一副干涉图，第三项是干涉项，在干涉条纹的幅值以及条纹位置信息中包含有物光振幅和位相的信息，它们分别受到参考光振幅和位相的调制。 （ 2）波前再现 用一束相干光波 （ 通常选球面波和平面波 ）照射全息图， 假定它在全息图面上的复振幅分布 为 ( , )Cxy ，则透过全息图的光场为： 1 2 3 4( , ) ( , ) ( , ) 39。 * 39。 * 39。 *bU x y C x y t x y t C O O C R C O R C OU U U U           （ 29） 1U 前的系数 bt 表示常量 ，只改变照明光振幅； 2O 表示物光波单独存在时在底片产生的不均匀光强； 2U 指振幅受到调制的照明光波，产生离散杂光。 当 CR时， 23 ( , ) 39。 ( , )U x y R O x y ， 3U 是原来物波波前的准确再现，观察到的是物体的虚像，为全息图衍射场中的 +1 级波； 当 CR 时， 24 ( , ) 39。 * ( , )U x y R O x y ， 4U是发生变形的物光波 ， 观察到的是物体的实像 ， 为全息图衍射场中的 1 级波；当*CR ， 3 ( , ) 39。 * * ( , )U x y R R O x y ， 24 ( , ) 39。 * ( , )U x y R O x y ， 34UU 分别产生虚像和实像，虚像发生变形，实像不变形。 （见图 24） （ a）用原参考波照明 （ b）用共轭参考波照明 图 24 波前再现 光学参数 下面介绍几个 3D 电影光学原理中常用到的几个参数 [6][8]： 1．光角 由图 23 所示，不难看出“目标物体 1”与两眼所成的夹角 1 ，会比“目标物体 2”与两眼所成的夹角 2 大。 图 25 光角示意图 显然，“目标物体 1”比“目标物体 2”更靠近眼睛。 在物理学上 我们把 1 和2 称之 为 光角， 即物体与两眼所形成的角度。 利用光角可以判断物体的远近。 2．视角 立体影像的光学原理中另外一个比较重要的参数是视角，即物体的高度与眼睛所成的角度。 利用视角可以判断物体的大小 ， 视角越大 ， 则物体也越大。 如图24 中，物体 1 比物体 2 小，其视角 1 比视角 2 小。 图 26 视角示意图 光角与视角 的 最大区别，在于光角的形成必须要两眼才行；而视角的形成只需单眼即可。 光角可以判断物体的远近（层次、深度）；而视角则可以判断物体的大小。 我们可以很清楚地分辨出二者的差异性，同时要看到物体的深度，就必须依赖我们的双眼不可。 3．视差 视差是透过双眼各自所看到目标物体位置的差异性 ， 是指在两眼视网膜上成像的位差 ， 如图 25 所示。 就是 因为有了视差 ， 才能赋予立体影像有深度 、 层次的空间感。 在图中可以看出，光角越大视差也越大。 但视差不易太大，否则会造成眼睛不舒服。 可为了增加立体 效果，一般会将视差加大。 图 27 示意图 根据人眼看景物的近、中、远三个不同的层次，如图 26 可将视差分为以下三类： （ 1） 非交错视差： 两眼焦点视线在屏幕前没有任何交叉情况 ，此时其影 像将会呈现在屏幕后。 （ 2） 零视差： 两眼焦点视线的交叉点 刚好 落在屏幕上 ，此时 其影像将会呈现在屏幕上。 （ 3） 交错视差： 两眼焦 点视线在屏幕前有交叉情况 ， 则其影像将会呈现在屏幕前的交叉点上。 图 28 视差分类 4．深度 立体影像中的深度即指场景中各点相对于摄像机的距离。 下面结合深度示意图推导出深度的计算公式 ： 图 29 深度示意图 在 图 27 中， F 是摄像机的焦距， 1X 是物点 P 在左摄像机中成像的位置， rX是物点 P 在右摄像机中成像的位置， B 是基线距离。 场景点 P 在左、右图像平面中的投影点分别为 P 左和 P 右，假设坐标系原点与左透镜中心重合，比较相似三角形 1PMC 和 11PLC 得到： 1XxzF （ 25） 同理，由相似三角形 rPNC 和 1 rPRC 得到： rXxBzF  （ 26） 合并（ 25）和（ 26） 两式 得 ： 1 rBFz XX  （ 27） 由上面推导可知各种场景中的深度信息与视差成反比 ， 与基线和焦距成正比。 3D 电影的制作方法 根据以上介绍的两种 3D 电影的光学原理 ，可以将 3D 电影的制作分为偏光眼镜法和 360 度全息显示法。 偏光眼镜法是利用偏光原理制作的，需要观众佩戴偏光眼镜才能感受到 3D 的立体效果； 360 度全息显示法是利用光学全息制作的，观众无须佩戴眼镜，就能全方位的感受 3D 的立体效果。 偏光眼镜法 3D 立体电影 有多种 制作方 式 ， 其中较为广泛 采用的是偏光眼镜法 [3]。 依据人眼观察景物的方法 ， 利用两台并列安置的摄影机 ， 分别代表人的左、右眼 ，同步拍摄出两条略带水平视差的画面。 放映时 ， 将两条电影胶片分别装入左、右放映机 ， 分别播放出左眼和右眼的画面。 每台放映机前端装有改变光线相位的偏振片。 同时 ， 两台放映机前面有一个周期转动的遮光板 ， 通过遮光板的转动 ， 将放映机输出的每秒 24 格画面提升至每秒 48 格。 由于左右放映机的遮光板有相位差。