3D电影的原理
2019-04-19
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3D 电影在今天已经相当普及了，那么它的原理是什么呢？这就得先从人脑的成像规律讲起了。其实3D电影是利用大脑的成像规律耍了一个小把戏。在实际生活中当我们看一件东西时，我们左右两只眼睛看到的景象其实是略有差别的（不信的话，可以盯着桌面上的水杯，然后左右眼轮换关闭试试），这种有差别的像经过我们的大脑处理之后就变成了一个具有立体感的3D图像。大脑的这种功能有利于我们去判别物体的大小和距离，对于我们祖先在野外生存是十分重要的,这是因为在野外打猎的时候需要根据猎物的大小和距离来决定采取什么样的策略。显然，同等条件下，距离越近的猎物更容易被捕获。
会变魔术的3D眼镜
对于普通的2D电影，我们左右两眼看到的景象都是一样的，因此不会有立体感。但是对于3D电影，情况就不一样了。3D电影给我们左右眼输入的图片需要不一样，这样图像经过我们大脑的处理就会变成立体图像。这也就是为什么在观看3D电影时，我们需要佩戴特殊的眼镜。
当然不同时期的3D电影采用的是不同的3D眼镜。例如，几年前的3D 眼镜主要是蓝绿色的，相信不少同学可能都见过。这种3D眼镜的红色的眼镜片可以过滤掉蓝光，而蓝色的眼镜片可以过滤掉红光，这样透过两个镜片看到的像就会有细微的差别，经过大脑的加工处理，我们看到的就是立体的像了。这种红蓝镜片的3D眼镜透过的光大多数都是红光或者蓝光，因此看到的3D影响会有一些失真，色彩也并不是十分鲜明，时间长了有些人还会感到头晕恶心等等。
而现在大多数电影院采用的都是偏振光3D眼镜。偏振光指的是光波的振动方向沿着同一个平面，我们平时看到的灯光或者太阳光，光在每一个平面都有偏振，因此它们都属于非偏振光。而偏振光3D眼镜，每个镜片只允许特定的偏振光通过。左右镜片的偏振光的偏振方向互相垂直，它们携带的成像信息略有差别，这样最后我们看到的就是立体的3D图像了。如下图所示，左边镜片通过的是水平偏振的光，右边镜片通过的是垂直方向的偏振光，两束偏振光所携带的成像信息略有差别，经过我们大脑处理后就会变成3D图像了。
因此，说的简单一些3D电影实现的关键在于给我们的左右双眼输入了稍有差别的图案，然后经过我们大脑视觉系统的处理之后，屏幕上的图案就变成了看起来像是具有立体感的实物一样。
3D电影的成像技术
现在3D电影的成像技术有很多，比如不闪式3D技术、时分法技术、光栅式技术等等，它们都各有优缺点，不过它们最终的实现依靠的还是上面所讲的原理。
例如，不闪式3D技术就是上面提到的偏光式3D成像；而时分法技术是通过提高屏幕刷新率把图像按帧一分为二，形成左右眼连续交错显示的两组画面，然后通过特殊的3D眼镜使得这两组画面分别进入左右双眼，最终在大脑中合成3D立体图像；而光栅式技术是通过光栅屏障来控制光线行进方向，让左右两眼接受到不同的影像，从而产生视差，最终形成立体显示效果。
由于3D电影需要给我们的左右双眼输入不一样的图像，因此3D电影在拍摄的时候也是用两架摆放位置稍有差别的摄影机同时拍摄的，如下图所示，3D摄像机的具有两个镜头，可以捕捉到稍微具有差别的两幅图像：
全息投影与3D电影的区别
可能有些同学还听过全息投影，全息投影和3D成像采用的是不同的技术，这里我们简单的说一下全息投影。
3D成像通过给我们的左右眼输入不同的图片信息来获得立体感，全息投影却不是，全息投影通过激光记录了物体反射或者投射的光波的全部信息，然后通过全息投影的胶片可以完全重建物体的成像信息。通过我们的左右双眼，我们看到的是物体不同方位的成像信息，这样我们看到的就是具有立体感的物体。
因为全息投影记录了物体不同方位的成像信息，因此无论我们怎么看物体都是具有立体感的，仿佛真的物体在那里一样。但是3D电影就不一样了，现在大部分3D电影拍摄时，相机的位置只有水平方向的差别，垂直方向没有，当观众歪头去观看3D电影时，就能看到两个未重合的影像。
其实不管是3D成像还是全息投影，他们的起源与发展都离不开科学不停的探索与进步。就拿3D电影来说，如果没有我们对于人脑成像规律以及光的性质的了解，现在就不会出现如此逼真的3D电影。因此科技的发展能真真切切的改变我们的生活，和我们的日常生活息息相关。
参考文献：
[1].Mendiburu, Bernard. 3D movie making: stereoscopic digital cinema from script to screen. Focal press, 2012.
△大脑立体成像原理（图片来自http://mobile.yesky.com/4/30176504_3.shtml）
会变魔术的3D眼镜
对于普通的2D电影，我们左右两眼看到的景象都是一样的，因此不会有立体感。但是对于3D电影，情况就不一样了。3D电影给我们左右眼输入的图片需要不一样，这样图像经过我们大脑的处理就会变成立体图像。这也就是为什么在观看3D电影时，我们需要佩戴特殊的眼镜。
当然不同时期的3D电影采用的是不同的3D眼镜。例如，几年前的3D 眼镜主要是蓝绿色的，相信不少同学可能都见过。这种3D眼镜的红色的眼镜片可以过滤掉蓝光，而蓝色的眼镜片可以过滤掉红光，这样透过两个镜片看到的像就会有细微的差别，经过大脑的加工处理，我们看到的就是立体的像了。这种红蓝镜片的3D眼镜透过的光大多数都是红光或者蓝光，因此看到的3D影响会有一些失真，色彩也并不是十分鲜明，时间长了有些人还会感到头晕恶心等等。
△红蓝3D眼镜（图片来自：https://www.teachersource.com）
而现在大多数电影院采用的都是偏振光3D眼镜。偏振光指的是光波的振动方向沿着同一个平面，我们平时看到的灯光或者太阳光，光在每一个平面都有偏振，因此它们都属于非偏振光。而偏振光3D眼镜，每个镜片只允许特定的偏振光通过。左右镜片的偏振光的偏振方向互相垂直，它们携带的成像信息略有差别，这样最后我们看到的就是立体的3D图像了。如下图所示，左边镜片通过的是水平偏振的光，右边镜片通过的是垂直方向的偏振光，两束偏振光所携带的成像信息略有差别，经过我们大脑处理后就会变成3D图像了。
△偏振光镜3D眼镜（图片来自：https://science.howstuffworks.com/3-d-glasses2.htm）
因此，说的简单一些3D电影实现的关键在于给我们的左右双眼输入了稍有差别的图案，然后经过我们大脑视觉系统的处理之后，屏幕上的图案就变成了看起来像是具有立体感的实物一样。
3D电影的成像技术
现在3D电影的成像技术有很多，比如不闪式3D技术、时分法技术、光栅式技术等等，它们都各有优缺点，不过它们最终的实现依靠的还是上面所讲的原理。
例如，不闪式3D技术就是上面提到的偏光式3D成像；而时分法技术是通过提高屏幕刷新率把图像按帧一分为二，形成左右眼连续交错显示的两组画面，然后通过特殊的3D眼镜使得这两组画面分别进入左右双眼，最终在大脑中合成3D立体图像；而光栅式技术是通过光栅屏障来控制光线行进方向，让左右两眼接受到不同的影像，从而产生视差，最终形成立体显示效果。
由于3D电影需要给我们的左右双眼输入不一样的图像，因此3D电影在拍摄的时候也是用两架摆放位置稍有差别的摄影机同时拍摄的，如下图所示，3D摄像机的具有两个镜头，可以捕捉到稍微具有差别的两幅图像：
△3D电影摄像机（图片来自：https://gizmodo.com/）
全息投影与3D电影的区别
可能有些同学还听过全息投影，全息投影和3D成像采用的是不同的技术，这里我们简单的说一下全息投影。
3D成像通过给我们的左右眼输入不同的图片信息来获得立体感，全息投影却不是，全息投影通过激光记录了物体反射或者投射的光波的全部信息，然后通过全息投影的胶片可以完全重建物体的成像信息。通过我们的左右双眼，我们看到的是物体不同方位的成像信息，这样我们看到的就是具有立体感的物体。
△全息投影的原理（图片来自：http://www.x64pro.com/tynews/20151230581.html）
因为全息投影记录了物体不同方位的成像信息，因此无论我们怎么看物体都是具有立体感的，仿佛真的物体在那里一样。但是3D电影就不一样了，现在大部分3D电影拍摄时，相机的位置只有水平方向的差别，垂直方向没有，当观众歪头去观看3D电影时，就能看到两个未重合的影像。
其实不管是3D成像还是全息投影，他们的起源与发展都离不开科学不停的探索与进步。就拿3D电影来说，如果没有我们对于人脑成像规律以及光的性质的了解，现在就不会出现如此逼真的3D电影。因此科技的发展能真真切切的改变我们的生活，和我们的日常生活息息相关。
参考文献：
[1].Mendiburu, Bernard. 3D movie making: stereoscopic digital cinema from script to screen. Focal press, 2012.
