李桂苓，潘 榕，許樹檀

（天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

自然界存在于三維空間，人類觀看自然景物時(shí)，不僅能看到其高度和寬度，而且能辨別遠(yuǎn)近，產(chǎn)生深度感，形成立體視覺。

受種種條件限制，目前電視系統(tǒng)播出二維畫面。有經(jīng)驗(yàn)的攝影師或經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，借助人們的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)能力等，雖可制作帶有一定立體感的電視節(jié)目，但十分受限。

對(duì)形成立體視覺的機(jī)制至今不甚清楚，有客觀因素也有生理和心理因素，又因人群及年齡而異?？陀^因素主要包括畫面構(gòu)圖、邊界、紋理、遮擋、陰影、顏色、對(duì)比、背景、透視、空氣透視和運(yùn)動(dòng)等?？陀^因素加上人們的理解能力和先驗(yàn)知識(shí)，使得單眼看物體，單鏡頭攝像，也能誘發(fā)或增強(qiáng)一定的立體感。生理因素主要體現(xiàn)為調(diào)節(jié)、輻輳和融合，而人們的學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想和經(jīng)驗(yàn)積累，所處環(huán)境、視野和心情等，則屬心理因素。這些因素相互作用，但普遍認(rèn)為立體視覺主要靠雙眼獲取雙目立體信息，經(jīng)大腦融合而得，這是目前構(gòu)建較實(shí)用的立體圖像或視頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1-3]。

制作、播出和收視立體電視節(jié)目，構(gòu)建三維電視（3DTV）系統(tǒng)，是人類多年的追求，數(shù)十年間，曾幾度興起高潮。近來，立體電影《阿凡達(dá)》成功上演，推動(dòng)了3DTV。目前，偏振光式和開關(guān)式電視顯示屏和藍(lán)光光盤已商品化，今年NAB2011有眾多廠商展示3DTV攝像機(jī)和3DTV節(jié)目制作平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外在試播或籌辦3DTV廣播。為此，本文簡(jiǎn)要介紹建立立體視覺主要靠哪些因素，有哪些主要要求等，旨在促進(jìn)3DTV發(fā)展。

1 雙目立體視覺

人類兩眼的瞳孔距約58～72 mm，這使兩眼看同一物體時(shí)，左右視角略有差別，成像于視網(wǎng)膜亦不盡相同。這種雙眼視覺差異稱雙目視差。雙鏡頭3DTV攝像機(jī)即模擬兩眼攝取圖像。

雙目視差分為水平和垂直兩種。水平視差如圖1所示，較易在大腦中融合，制作3DTV節(jié)目應(yīng)盡量利用。垂直視差是兩眼視網(wǎng)膜成像相關(guān)點(diǎn)在垂直方向上的差異，大腦難以融合，并易引起視覺不適，制作3DTV節(jié)目應(yīng)予避免。

視覺分辨雙目水平視差的能力用立體視覺銳度表示，單位為秒（"）。立體視覺正常的人，立體視覺銳度約5"～10"。由圖2所示幾何關(guān)系，可導(dǎo)出立體視覺銳度的弧度值近似為

式中：d為瞳孔距；Δz為遠(yuǎn)近兩點(diǎn)P2與P1的距離差；z為觀看距離。

雙目視差的存在會(huì)引起兩眼睫狀肌等進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整，這些生理信息經(jīng)視神經(jīng)送到大腦，可感知物體距離，形成深度感，加上人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)等，便形成源自雙目視差的立體視覺。因3DTV攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)難以模擬這一復(fù)雜過程，其建立的立體感必不完善，加之更難反映所有人雙眼的調(diào)整能力，致使同一3DTV節(jié)目對(duì)某些觀眾可能更加不適應(yīng)。

圖3示出了視覺對(duì)帶有視差的左右眼圖像進(jìn)行變形移位，形成整體雙目圖像，產(chǎn)生立體感的視覺現(xiàn)象，并稱之為視覺移位現(xiàn)象。該圖表明，視覺會(huì)將字母F移位到E和H的中間，并感知F浮在E和H的前面。不戴眼鏡觀看需戴眼鏡觀看的立體電視圖像時(shí)，會(huì)看到左右錯(cuò)開的不重疊圖像，戴上眼鏡使二重像對(duì)應(yīng)成像于雙眼，才能形成深度感，也說明了視覺移位現(xiàn)象。

2 融合與立體視覺

融合是大腦將同時(shí)成像于兩眼視網(wǎng)膜略有差異的一對(duì)影像綜合為完整而有縱深感印象的過程。

融合功能分為感覺融合（靜態(tài)融合）和運(yùn)動(dòng)融合（動(dòng)態(tài)融合）兩種。感覺融合指大腦把落在兩眼視網(wǎng)膜對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的物像綜合為一個(gè)完整印象的機(jī)制。運(yùn)動(dòng)融合是一種通過大腦視覺中樞神經(jīng)所支配的反射性眼球運(yùn)動(dòng)，使兩眼偏離對(duì)應(yīng)點(diǎn)的物像重新回到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即調(diào)整眼睛的狀態(tài)，來維持感覺融合的能力。

能維持融合的一對(duì)圖像差異之限界為融合范圍，其值因人而異，差異超過這個(gè)界限的物像對(duì)將感知為雙像。

3 雙目立體視覺的工程實(shí)現(xiàn)

工程上，雙目立體視覺可基于幾何光學(xué)，由立體攝像機(jī)模擬。目前較常用的這類模型有平行式立體視覺模型和會(huì)聚式立體視覺模型兩種。前者是后者的特例。

平行式立體視覺模型原理上由兩臺(tái)平行放置的攝像機(jī)組成，按較簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，可較好地模擬基于雙目視差的雙目立體視覺。會(huì)聚式立體視覺模型的會(huì)聚距離有限，更接近兩臺(tái)攝像機(jī)光軸難以真正平行的真實(shí)情況，用來攝取立體圖像或視頻較為方便，如圖4所示。

圖4a是一平行光軸雙目立體成像系統(tǒng)模型。它由左（L）、右（R）兩臺(tái)光軸平行、具相同線性特性的攝像機(jī)組成。物體上的P點(diǎn)在左（L）攝像機(jī)成像于PL，它位于P點(diǎn)與透鏡中心CL連線同圖像平面的交點(diǎn)。若知圖像平面上的點(diǎn)PL和透鏡中心CL，則可確定一條射線PLCL，所有可成像在PL點(diǎn)的物體點(diǎn)必在此射線上。同一物體點(diǎn)P在右（R）攝像機(jī)的成像點(diǎn)為PR，PR與相應(yīng)透鏡中心CR決定射線PRCR，PRCR與PLCL的交點(diǎn)即P點(diǎn)的空間位置。這意味若有按此模型攝取的一對(duì)圖像，則可以其一為基準(zhǔn)，尋找同一物體點(diǎn)在兩圖像中的匹配點(diǎn)，它們與相應(yīng)透鏡中心連線之交點(diǎn)即該點(diǎn)的空間位置，從而獲其深度信息。

如圖4b所示，對(duì)兩攝像機(jī)光軸平行、水平掃描線位于同一平面、焦距為f的理想平行視點(diǎn)模型，設(shè)P點(diǎn)在左、右圖像平面中成像點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)OL和OR（左、右攝像機(jī)透鏡光軸與圖像平面的交點(diǎn)）的距離分別為x1和x2，則P點(diǎn)在左、右圖像平面中成像點(diǎn)位置差x1-x2即雙目視差。

按幾何光學(xué)

式（4）表明，攝像機(jī)幾何參數(shù)固定時(shí)，視差x1-x2與距離z成反比，與P點(diǎn)離相機(jī)光軸距離無關(guān)。拉遠(yuǎn)兩攝像機(jī)距離d，可加大視差，增強(qiáng)立體感，但其值難以模擬多種體征和年齡段受眾，致使所拍節(jié)目不能適應(yīng)所有人群。為突出立體感而過分拉大兩鏡頭間距離，將引發(fā)觀看不適。

4 輻輳與立體視覺

雙眼觀看景物時(shí)，左右眼視網(wǎng)膜上成像的相對(duì)位置略有差異。使這種二重像成為單像，眼球需旋轉(zhuǎn)，稱之為輻輳。兩眼對(duì)一視點(diǎn)兩視線之夾角稱輻輳角。輻輳過程中，眼外肌做功，其張力感和兩眼狀況提供立體視覺信息，產(chǎn)生深度感。

如圖5所示，L，R分別為左右眼，d為兩眼間的瞳孔距，z為視距，P2和P1分別為兩個(gè)物體或同一物體上遠(yuǎn)近不同的兩點(diǎn)，ΔZ為 P1和 P2間的深度距離，θ1和θ2分別為左右眼視角，α1和α2分別為 P1和 P2的輻輳角。P2和 P1兩點(diǎn)遠(yuǎn)近的不同，輻輳角α2和α1不一樣，使眼球需做的旋轉(zhuǎn)程度不一，從而產(chǎn)生P2和P1兩點(diǎn)間的深度感。

雙目視差也可按圖5所示的兩眼視角差定義。在P1和P2間相對(duì)距離很近的情況下，由幾何關(guān)系可近似導(dǎo)出雙目視差

式（5）表明，雙目視差近似與深度成正比，而與視距的平方成反比。正常視力可分辨的雙目視差約5"～10"，雙目視差單獨(dú)起作用時(shí)，視距約超過250 m即失去立體感，如圖6所示。

式（1）、式（4）和式（5）均定量描述了水平方向的雙目視差。式（1）與式（5）相同，說明立體視覺銳度是按雙目視角差定義，而圖5和式（5）物理意義較明顯，但圖4和式（4）對(duì)立體成像和尋求左右圖像匹配點(diǎn)等工程問題更便捷。

5 運(yùn)動(dòng)視差與立體視覺

當(dāng)觀看者與景物間或物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)觀看者來說，景物、不同物體、同一物體不同部位或物體與背景間，對(duì)人眼的相對(duì)位置將發(fā)生變化。這些變化反映為視網(wǎng)膜成像位置、形狀或大小的差別。這些差別的變化方向、速度及大小的差異稱為運(yùn)動(dòng)視差。視覺通過比較視網(wǎng)膜圖像時(shí)間序列的變化信息，會(huì)產(chǎn)生深度感。

運(yùn)動(dòng)視差對(duì)立體視覺的貢獻(xiàn)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，且因人而異，較敏感的角速度范圍約為每秒幾度。運(yùn)動(dòng)視差還與視距有關(guān)，如圖6所示，在百米和數(shù)百米以下的中距離內(nèi)，運(yùn)動(dòng)視差和雙目視差是產(chǎn)生立體視覺的主要因素。

6 交叉視差及非交叉視差與立體視覺

雙眼同時(shí)注視某一目標(biāo)時(shí)，雙眼視線交叉于一點(diǎn)，稱其為注視點(diǎn)。注視點(diǎn)分別成像于雙眼視網(wǎng)膜的中心凹，這兩個(gè)光點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，相應(yīng)信息傳入大腦，由視中樞神經(jīng)合成為一個(gè)完整像點(diǎn)。但視覺不僅能看清這一點(diǎn)，而且能辨別這一點(diǎn)與周圍物體間的距離、深度和凹凸等關(guān)系，視覺依靠這種立體視覺功能，形成立體像。

比注視點(diǎn)近的物體在注視眼黃斑顳側(cè)與非注視眼的顳側(cè)視網(wǎng)膜成像，這對(duì)成像間的差異形成交叉視差。尚能由大腦融合的交叉視差的極大值即融合范圍的前界。遠(yuǎn)于注視點(diǎn)的物體在注視眼黃斑鼻側(cè)與非注視眼的鼻側(cè)視網(wǎng)膜成像，這對(duì)成像間的差異形成非交叉視差。尚能由大腦融合的非交叉視差的極大值即融合范圍的后界。

交叉視差和非交叉視差均屬雙目視差，視覺對(duì)前者更敏感些。融合范圍的前、后界限定整個(gè)視覺融合范圍。

7 繼時(shí)顯示與立體視覺

左右眼同時(shí)接受圖像刺激產(chǎn)生的視覺稱同時(shí)視覺，進(jìn)入左右眼的圖像有先后則稱繼時(shí)顯示。繼時(shí)顯示形成立體視覺的規(guī)律與同時(shí)視覺有所不同，除與滯后時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)外，也與先行顯示圖像顯示時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。若先行顯示圖像顯示時(shí)間約長(zhǎng)20 ms，則繼時(shí)顯示滯后時(shí)間約短于20 ms時(shí)，繼時(shí)顯示的雙目視差圖像所產(chǎn)生的立體視覺與同時(shí)顯示產(chǎn)生的立體視覺大致相同；繼時(shí)滯后時(shí)間長(zhǎng)于20 ms時(shí)，繼時(shí)顯示的立體視覺隨著滯后時(shí)間的增長(zhǎng)而減弱，超過約100 ms后，則難以形成立體視覺；當(dāng)圖像的亮度增高時(shí)，為形成立體視覺所允許的繼時(shí)顯示滯后時(shí)間縮短；先行顯示圖像的顯示時(shí)間接近400 ms時(shí)，繼時(shí)顯示不再能形成立體視覺。

現(xiàn)已實(shí)用化的開關(guān)眼鏡式立體電視顯示方式即繼時(shí)顯示技術(shù)的一種應(yīng)用。目前，平板顯示屏刷新頻率可以提得較高，切換雙目視差圖像的技術(shù)也相當(dāng)成熟。實(shí)際上選定開關(guān)眼鏡式平板電視的時(shí)間參數(shù)，還應(yīng)考慮到閃爍和響應(yīng)時(shí)間等因素。

8 立體視覺與觀看距離和運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系

人眼允許輻輳與調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)變化，但兩者的變化超過各自允許的范圍，就會(huì)在觀看三維景象時(shí)引起視覺疲勞、眩暈、惡心等各種不適。為避免或減小這種不適程度，制作立體圖像或立體視頻節(jié)目時(shí)，需力求符合視覺規(guī)律，不要為立體感強(qiáng)而一味人為地夸大，或嚴(yán)重破壞各立體視覺要素間的平衡。

各立體視覺因素各有對(duì)應(yīng)的分辨精度和有效距離。圖6給出了深度靈敏度D/ΔD與視距D的關(guān)系。

圖6表明，在數(shù)米范圍的近距離，調(diào)節(jié)、輻輳，瞳孔反應(yīng)等立體視覺因素起主要作用，屬動(dòng)態(tài)立體視覺。對(duì)千米級(jí)遠(yuǎn)距離，例如觀看遠(yuǎn)處層疊起伏的山巒時(shí)，大視野和空氣透視等成為主要立體視覺因素，屬靜態(tài)立體視覺。在百米左右的中距離，雙目視差和運(yùn)動(dòng)視差是立體視覺的主要因素。其中，運(yùn)動(dòng)視差對(duì)立體視覺的貢獻(xiàn)還與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，且因人而異。

9 結(jié)束語(yǔ)

本文講述了立體視覺主要有哪些因素，分析了它們的形成機(jī)理，導(dǎo)出了雙目視差關(guān)系式，給出了相應(yīng)參數(shù)的約略值或范圍。希望能對(duì)制作立體電視節(jié)目、編碼傳輸立體電視數(shù)據(jù)流和正確重顯立體視頻圖像有一定的參考價(jià)值。

隨著立體電視節(jié)目攝制、錄放、編輯、傳輸和顯示等技術(shù)的趨于成熟和相關(guān)設(shè)備的商品化，特別是高質(zhì)量節(jié)目量的增加，會(huì)促進(jìn)立體電視的發(fā)展。

[1]RUICHEK Y，ISSA H，POSTAIRE J G，et al.Towards real-time obsta?cle detection using a hierachical decomposition methodology for ste?reo matching with a genetic algorithm[C]//Proc.16th IEEE Internati?nal Conference.[S.l.]：IEEE Press，2004：138-147.

[2]GROSSBERG S，HOWE P D L.A laminar cortical model of stereopsis and three-dimensional surface perception[J].Vision Research，2003，43（7）：801-829.

[3]陳松.現(xiàn)代眼科檢查方法與進(jìn)展[M].北京：中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2000.