茶年 · 中文维基百科

三維影像

Wikipedia · 2026-08-03 维基百科 👁 1 阅读

的立體照片對。]]

三維影像（），又稱立體學（）或立體成像（），是一種透過双眼视觉產生或增強影像深度感的技術。

任何立體影像皆稱為立体图，最初專指可透過实体镜觀察的一對立體影像。大多數立體攝影方法會呈現一對二維影像：左眼觀看左影像，右眼觀看右影像。當觀者觀看時，大腦會將兩張影像整合為單一的三維視圖，產生三維空間感。然而，立體影像通常無法提供正確的焦點深度，因此可能引起。

立體攝影與其他類型的不同，後者能在三維空間中呈現影像，使觀察者透過頭部或眼球移動獲取更多關於物體的三維資訊。立體攝影主要依賴雙眼視差來產生深度感，而非完整的空間呈現。

背景
立體攝影透過一對二維影像創造三維深度的視覺印象。人類視覺及深度感知是一個複雜的過程，始於眼睛獲取視覺資訊，並經由大腦加工以理解原始訊息。大腦在解讀所見景物時，會評估物體相對觀者的距離與深度。判斷距離和深度的「線索」包括：
*立体视觉
*
*视觉调节
*遮蔽（物體互相覆蓋）
*已知大小物體的視角
*線性透視（平行邊緣收斂）
*垂直位置（接近地平線的物體通常被感知為更遠）
*霧度、對比度、飽和度和顏色（距離越遠通常霧化越重、飽和度降低、偏藍）
*紋理細節大小的變化
*（上述線索除前兩項外，均存在於傳統二維影像中，如繪畫、照片和電視）

立體攝影透過向左右眼呈現略有差異的影像來增強立体视觉這一線索。大腦將左右眼影像整合，形成深度感。然而，由於影像中所有點均聚焦於同一平面，第二條線索（焦距）無法再現，因此深度幻覺並不完整。立體攝影對人眼有兩個不自然之處：
*聚合與調節不匹配，因物體感知位置與光線實際來源不同
*眼睛之間可能出現串影，因某些立體攝影方法分影不完全

雖然「3D」一詞在日常生活中廣泛使用，但雙二維影像呈現與真正三維影像顯示不同。最明顯的區別是，觀察者的頭部或眼球移動不會改變觀察到的三維物體資訊。與則沒有此限制。就如同用兩個立體聲喇叭無法完全重建三維聲場，僅用雙二維影像稱作「3D」也不精確。雖然「立體攝影」一詞不如「3D」普及，但更為精確。

大多數3D顯示使用立體攝影方法呈現影像。立體攝影由查爾斯·惠斯通於1838年發明， 並由大卫·布儒斯特改良，製作出首個可攜式立體觀賞裝置。

惠特斯通最初使用體積較大的立體鏡 以繪圖展示立體效果，因當時攝影尚未普及，但其原始論文已預見了立體攝影的發展：

為了說明的目的，我僅使用輪廓圖，因為若加入陰影或上色，可能會被認為立體效果完全或部分來自這些因素，而將它們排除後，立體感完全源於雙眼單眼投影的同時感知。然而，若需獲得對真實物體最忠實的再現，可適當使用陰影和上色來強化效果。仔細操作可使藝術家畫出兩幅組成圖，使觀者感覺與所表現物體完全一致。花卉、水晶、半身像、花瓶、各種儀器等均可如此呈現，以致肉眼無法區分真實物體與立體圖。透過比對左右影像中的像素，計算機可從兩張影像重建三維深度資訊。 在计算机视觉領域中，解決旨在從兩張影像生成有意義的深度資訊。

視覺需求
觀看立體影像牽涉到双眼视觉的三項主要功能：
*同時感知（simultaneous perception）
*融合影像（雙眼「單一」視覺）
*立體視覺
這些功能通常在兒童早期便已發展成熟。部分患有斜视的人可能無法正常發育立體視，但可透過视轴校正医师等方式進行矯正，以改善雙眼協調與立體感知能力。個體的

另一項研究則指出，約30%的人立體視能力極弱，無法有效利用立體視差判斷深度，這將使其觀看立體影像時的沉浸感大幅下降甚至完全喪失。
[[File:Niagra Falls Suspension Bridge by Saul Davis.jpg|thumb|（活動於1860年代–1870年代）拍攝的加拿大尼加拉大瀑布新吊橋，約1869年。明膠銀版立體照片，現藏於[https://www.nga.gov/research/library/imagecollections/features/caught-by-the-camera.html 美國國家美術館圖像收藏]。]]
立體感也可以在無視差條件下由觀者的大腦人工產生。例如於中，即便成對影像完全相同，大腦仍可能產生立體深度的錯覺。此種「假立體感」源自大腦對立體視線索的過度詮釋，會使觀者在成對照片中即使缺乏實際的3D資訊，也能自行補全深度，形成類似立體影像的感受。

並排法
傳統立體攝影是利用一對二維影像（立體圖）形成三維視覺幻覺的技術。最基本的原理是向觀者雙眼分別提供兩幅略有差異的影像，代表同一物體的兩個視角。兩影像間的水平視差與人眼在双眼视觉下自然接收到的視差相近，藉此增強大腦的。

排列成立體影像對，用於交叉視法觀賞。]]
為避免眼睛疲勞與影像變形，每幅影像應以使無限遠距離的物體看來位於觀者正前方的方式呈現，使雙眼在觀看時既不需明顯交叉亦不需外放。如果畫面中缺乏無限遠物體（如地平線或雲層），則應適度縮短左右影像間的間距。

並排式立體影像的優點包括：亮度不受損失、能呈現高解析度與全色域影像、製作過程簡單，且通常不需額外影像處理。在某些情況下，如使用自由觀察法觀看成對影像，甚至可不依賴任何光學設備或觀影器材。其主要限制在於不易用於大型影像展示，最終解析度受限於顯示器本身或人眼分辨能力。隨著影像尺寸增大，觀影器或觀者與影像的距離必須相應增加，以保持舒適視覺效果；若希望在近距離觀察更多細節，則需搭配可調式觀影設備。

自由觀察
自由觀察（Freeviewing）指在不使用任何觀影設備的情況下，直接觀看並排的立體影像對。主要有兩種方法：

*平行觀察法：指左眼觀看左側影像，右眼觀看右側影像。融合後的三維影像通常比原影像看起來更大且更遠，能逼真模擬真實場景。觀者需讓雙眼幾乎處於平行狀態，彷彿「透過」影像觀看遠方景物。由於人眼的調節（對焦）與聚合（眼位）習慣上密切協同，許多正常視力者初次嘗試平行觀察時會感到困難。常見的練習方式是將影像對置於非常近的距離，完全放鬆雙眼，不刻意對焦，先讓兩幅模糊影像自然融合，再逐步調整距離至影像清晰。為保持立體效果準確，影像的大小與間距應模擬平均人眼間距（約 63 mm）在觀看遠距離時的條件；若間距大於此值，通常需額外訓練且容易導致眼睛疲勞。

*交叉觀察法：交叉觀察法是將左右眼影像互換，使左眼觀看右影像、右眼觀看左影像。融合後的立體影像比原影像更小且更近，常使場景呈現微縮模型般的效果。對於自由觀察初學者而言，此方法通常較易上手。典型輔助方式是將手指置於兩幅影像下方中央，緩緩向眼睛靠近，保持注視手指。當影像自然融合時，三維影像會如同懸浮在手指上方。也可使用剪出小孔的紙張作為視線引導工具。
目前部分交叉觀察者會使用稜鏡或遮光式輔助眼鏡，以減少所需聚合角度並容許觀看更大尺寸的影像。然而，只要使用稜鏡、鏡子或透鏡協助對焦或融合，此類裝置本質上即屬「立體鏡」，不再被視為自由觀察的範疇。
由於在無光學輔助的情況下，要同時保持影像清晰並讓立體圖融合，必然需要眼睛在聚合與調節上進入不自然的組合，因此自由觀察無法完全重現真實世界的生理深度線索。不同觀者在影像融合能力、對焦難易度以及眼睛疲勞程度方面也會存在顯著差異。

自立體圖
自立體圖是一種，其目的在於從外部二維影像中引發觀者於人腦內部的三維空間知覺，形成視錯覺般的立體形狀。要成功在自立體圖中感知立體結構，觀者必須暫時抑制眼睛{調節與聚合之間的自動協同作用，使焦距與眼位不再保持一般視覺行為中的自然配對。

立體鏡與立體卡片
立體鏡是一種將兩幅略具視差的影像同時呈現給雙眼的儀器，用以重建立體深度知覺。簡易立體鏡受影像尺寸限制，而較複雜的立體鏡則利用一對水平潛望鏡式機構，使觀者能欣賞大尺寸影像並獲得更廣的視野與更豐富的細節。歷史上流行的立體鏡，如霍姆斯立體鏡，今日多被視為收藏品或古董加以保存。

立體卡片通常由兩張幾乎相同的照片或印刷影像組成，並以並排方式固定於硬紙背板上。此類照片可能採用多種攝影工藝，包括達蓋爾銀版、玻璃板底片或其他歷史影像技術。 某些19世紀的鮮豔立體卡片底板甚至可能含有有毒顏料，如巴黎绿。

干涉濾光系統
干涉濾光系統利用左右眼分別接收不同組合的紅、綠、藍狹窄波段光來達成立體效果。該技術透過具有特定光譜選擇性的濾光眼鏡，使每隻眼睛僅接收到原影像中屬於自己的波長範圍，從而在不失真的情況下呈現全彩3D畫面。此技術亦稱為光譜梳濾（spectral comb filtering）、波長多工顯示（wavelength multiplex visualization）或超紅青立體（super-anaglyph）。
商業系統如即採用此原理，而 Omega 3D/系統則使用改良版本。 2012年6月，DPVO Theatrical停止 Omega 3D / Panavision 3D 系統的銷售。

彩色紅青立體系統
紅青立體3D（Anaglyph 3D）是最早且最具代表性的立體影像技術之一。其原理是將左右眼影像分別以不同顏色（通常為互補色）編碼，最常見為紅色與青色。人類視覺依賴紅–青與藍–黃的顏色對比來判斷物體的形狀與邊界，因此這兩色系特別適合作為立體影像的濾色組合。

紅青立體影像包含兩幅濾色處理後的畫面；佩戴紅青濾片眼鏡後，每隻眼睛會僅看到對應顏色的影像，大腦的视觉皮层再將兩幅影像融合，形成深度感。

色深系統
色深系統（ChromaDepth system）由美國Paper Optics公司開發，基於棱鏡對不同顏色光具有不同偏折程度的光學原理。ChromaDepth 眼鏡的鏡片由含有微型棱鏡結構的特殊薄膜組成，使影像根據顏色被分離出不同的水平位移。若僅在一眼前使用棱鏡薄膜，另一眼不加濾片，兩眼便會看到略為錯位的影像，而其錯位量依顏色而異。大腦據此產生深度判斷，形成立體感。

此技術的優勢是：即使不佩戴眼鏡，ChromaDepth圖像仍能以正常的2D形式觀看；相較之下，紅青立體影像在未配戴濾色眼鏡時通常會呈現失真。然而，ChromaDepth對顏色安排有嚴格限制，因為顏色本身承載了深度資訊；若改變物體顏色，其所呈現的深度也會隨之改變。

普爾弗里希方法
普爾弗里希方法基於當視野變暗（例如透過深色濾鏡）時，視覺訊號的處理速度會變慢。由於左右眼影像處理時間的差異可造成「深度錯覺」，普爾弗里希方法能在特定方向運動（例如左右移動）的物體上產生立體效果。然而，它不適合一般立體顯示用途，因為無法呈現靜止物體的凸出或凹入效果；垂直移動的物體不會產生深度感及任何非預期方向的運動都可能造成與真實場景不符的虛假深度。

上下格式
上下格式是一種將左右眼影像以上下方式排列的立體呈現方法。專用觀影器會將右眼視線略微向上偏轉、左眼視線略微向下偏轉，使每隻眼睛各自對準正確的影像。
常見設備包括使用鏡面反射的觀影器，以及使用棱鏡折射技術的。 此格式亦應用於近年的 openKMQ 專案中。

其他無需觀影器的顯示方法
自立體顯示
使用視差障壁自立體顯示技術呈現3D影像]]
自立體顯示技術透過顯示器內建光學元件，使左右眼分別看到不同影像，因此使用者無需佩戴眼鏡，也稱為「免眼鏡3D」。光學元件將影像方向性分配到觀者雙眼，因此觀賞位置受限，需位於特定範圍才能達成立體效果。技術可提供多視角影像，而非僅兩幅。每個視角可從顯示器前不同位置觀看，允許觀者左右移動仍可看到正確視圖。自立體技術包括兩大類：一種使用頭部追蹤確保雙眼看到不同影像，另一種則顯示多個視角，不需知道觀者眼睛位置。自立體顯示技術示例包括、視差障壁、、全息攝影以及。

全息技術
雷射全息技術的原始「純」形式為攝影透射全息圖。此類全息圖能再現與原場景一致的光場，具備全軸向視差及寬廣觀賞角度。觀者的雙眼可對不同距離的全息影像進行自然聚焦，細節呈現可精細至微觀層級，其觀賞體驗被形容為「如同透過窗戶觀看真實景物」。

然而，這種「純」形式的透射全息技術具有諸多限制。被攝物必須在拍攝過程中接受雷射照射，並以極高穩定度保持靜止——任何相對於光波長的小幅移動都可能破壞干涉條紋。此外，透射全息圖的最佳觀看條件亦需使用雷射光。由於這些嚴苛條件，大多數人實際上從未見過真正的雷射透射全息圖。日常可見的商業全息影像往往經過調整，以便可在一般白光下觀看，但須犧牲影像品質；若拍攝活體物件，通常也需借助非全息中間影像程序，以避免使用高能脈衝雷射所帶來的安全風險。

2013年，矽谷公司開始研發並量產可應用於行動裝置（如智慧型手錶、智慧型手機及平板電腦）的全息顯示器。其採用多方向背光（multi-directional backlight）技術，能提供寬廣全视差角度的裸眼3D觀賞體驗，無須配戴額外眼鏡。

立體顯示
立體顯示使用某種物理機制在三維空間中呈現光點。這類顯示器使用體素而非像素。體積顯示包括多平面顯示（multiplanar displays），即多個顯示平面堆疊，以及旋轉面板顯示（rotating panel displays），其中旋轉面板掃描出一個三維體積。其他技術則可在設備上方的空氣中投射光點。透過將紅外雷射聚焦於空間中的目標位置，生成一個微小的等離子體氣泡，該氣泡會發出可見光。

整體成像
整體成像是一種立體顯示技術，兼具裸眼3D與特性。觀賞者無需配戴特殊眼鏡，並能從不同的水平或垂直位置看到對應的視角變化。此技術通常透過陣列實現，其結構類似，但採用X–Y二維排列（又稱「蒼蠅眼」式陣列），每個微透鏡皆能獨立成像，無需大型物鏡配合。另一種方式則利用針孔相機陣列捕捉與重建場景的四維光场。

整體成像生成的立體影像可隨觀賞者於左右、上下或前後移動時，呈現逼真的視差與變化。然而，從定義上來看，整體成像是否完全屬於「自立體」仍有討論，因為自立體多指基於兩幅影像的立體生成方法。

搖擺立體
搖擺立體是一種以快速交替顯示左右立體影像來模擬立體效果的簡易技術。其形式在網路上尤為常見，通常以呈現。此技術亦被稱為「Piku-Piku」。

立體攝影技術
一般立體攝影的主要目標，是重建接近人類自然視覺的空間印象；因此，在拍攝時，理想的基線距離（即左右影像拍攝位置之間的間距）應與人眼瞳距相當。當使用能忠實再現拍攝條件的適當觀賞方式時，以此基線距離拍攝的影像可呈現與實際場景相近的立體效果，通常稱為「正交立體」（ortho stereo）。然而，在某些情況下，可能希望使用更長或更短的基線距離。需要考慮的因素包括將使用的觀賞方式以及拍攝目的。基線概念同樣適用於其他立體攝影分支，例如立體繪圖與影像，但此處涉及的是觀點選擇，而非實際相機或鏡頭間的物理距離。

用途
雖然立體影像最常見的用途屬於娛樂領域，例如实体镜、3D電影、3D立體電視與，以及使用的印刷品、圖片、海報與書籍等，但立體影像技術的應用範圍遠不止於此。薩爾瓦多·達利在探索光學錯視與視覺感知的過程中，創作了多幅具實驗性的立體圖像。在立體照片普及之前，紅青立體圖像亦曾以手工方式繪製。

早在19世紀，人們便注意到立體影像能提供「遠距臨場」的視覺體驗，因此大量出版旅遊主題的立體套卡與相關書籍，用於教授地理、科學、歷史等知識。此種教育用途一直延續至20世紀中葉，例如持續製作立體卡片至1960年代。

立體圖卡（stereogram cards）與常被、、以及用於診斷與治療双眼视觉及調節反射相關異常。這些立體影像能評估雙眼協調、融合能力以及深度知覺的功能，有助於矯正弱視、斜視及輕度視覺障礙。

太空探索
NASA於2003年發射的火星探测漫游者任務，為了探索火星地貌而搭載特製的立體攝影系統，使科研人員能以立體方式觀察火星表面。每台漫遊者的由兩台相機組成，架設高度約1.5公尺，左右間距30公分，並具備向內約1度的輕微夾角。這樣的配置可產生具有科學價值的立體影像，可作為立體觀賞、紅青立體處理或轉換為三維電腦模型使用。
與鄰近星系藝術示意圖]]
利用與人眼高度相近、視差適當的雙攝影機系統，可創建逼真的三維影像，使研究者更容易理解地形、岩層與地貌的相對位置與深度特性。在缺乏霧氣、陰影或熟悉地標的環境（如火星表面）中，人類對距離的判斷高度仰賴立體視線索；若僅以單攝影機拍攝，景深資訊會大幅減少而更難解讀。立體相機因而成為無人太空探索中不可或缺的工具。

數學、科學與工程應用
開源繪圖庫擴展套件生成的三葉結立體圖。立體效果使原本隱藏的三維結構得以觀察。]]
立體影像技術在航空攝影（空拍）與地形測繪中具有重要應用。自2000年代起，三維航空影像主要依賴數位立體成像技術，以生成可供分析的三維地形模型。由於立體影像包含兩幅相對應的影像，存儲需求通常約為普通影像的兩倍，因此磁碟空間與資料傳輸成為關鍵考量。近年來，研究者致力於開發壓縮立體影像的演算法，以減少冗餘數據並提高儲存效率。

在現代地理資訊系統（GIS）與製圖領域，製圖師常使用電腦程式生成立體影像對，以三維方式呈現地形與建築結構。電腦化立體可視化技術通常採用立體匹配演算法，將不同視角的影像合成三維模型，方便分析高度、坡度及其他空間特徵。在生物學、化學及材料科學領域，複雜分子結構、蛋白質摺疊與晶體排列等常以立體影像呈現，便於觀察三維空間結構。同樣的方法也可應用於任何由兩個變數生成的數學、科學或工程資料，例如物理場分布或力學模擬。此類應用通常透過「網格扭曲」或陰影模擬遠光照效果，以增強三維感與深度知覺。

參見
*
*雙眼視覺#立體影像

參考來源
書籍
*
*
*

  • Scott B. Steinman, Barbara A. Steinman and Ralph Philip Garzia. (2000). Foundations of Binocular Vision: A Clinical perspective. McGraw-Hill Medical.

外部連結
*[http://www.oac.cdlib.org/findaid/ark:/13030/tf238nb0qx/ Guide to the Edward R. Frank Stereograph Collection.] Special Collections and Archives, The UC Irvine Libraries, Irvine, California.
*[http://dr.library.brocku.ca/handle/10464/7057 Niagara Falls Stereo Cards RG 541] Brock University Library Digital Repository
*[https://library.louisville.edu/archives/stereographic-views Stereographic Views of Louisville and Beyond, 1850s-1930] from the University of Louisville Archives & Special Collections

#计算机图形学 #三维成像 #三維影像

评论 (0)

  • 还没有评论，来抢沙发吧。