在此首先定義立體感(Depth perception)，其為一種視覺能力，讓我們 可以感覺三維的空間與分辨物體的距離，讓我們可以和空間中不同距離的物 體有準確的互動，比如接近、拾起、遠離等等[7]。
人眼視覺系統可分成輸入端的眼睛、傳輸的神經和終端的大腦，前者功 能可以以相機來比擬，後者則如解碼程式讓資訊為我們所用，神經則為重要 的分工者，將資訊正確的傳遞到左右腦。在此章節中我們首先了解成像系統 的構造與特性，再討論要產生立體感的認知要素，最後討論這些要素如何影 響我們設計帄面式立體螢幕。
2.1-1 人體視覺系統
在此小節中我們先了解眼睛，接著了解視覺訊息的傳播途徑。
圖 14 是眼睛的簡易構造圖。首先是眼睛最前端的角膜(cornea)，它如 同魚眼鏡頭的收光透鏡，經由折射減小入射光角度；接著虹模(iris)是有色 素、不透明的肌肉組織，功能如同光圈，控制瞳孔(pupil)的大小調節入光量；
水晶體(lens)是最主要的成像透鏡，其曲率由睫狀肌(ciliary muscles)控制，
好讓影像在視網膜(retina)上成像；視網膜如底片，它是腦組織的延伸，表 面上有感光的桿狀細胞(rods)，與感色的椎狀細胞(cone)，不過這些功能細 胞並非均勻分布，加上成像本有近軸、離軸品質差異，導致成像品質因區域 而異。視網膜在中心窩(fovea)處有最好的成像品質，而在連接視神經附近的 區域因血管組織多不能成像，稱做盲點(blind point)。
圖 14. 眼睛結構圖[8]
正常視力的成人在中心窩附近之角解析度約為 1’[2]，在最短明視距離 25cm[1]的點陣列密度(Dpi)計算約 350。眼睛的感色細胞有三種，分別對紅、
藍、綠三波長響應，作用頻譜區為 400nm~700nm，且只在光能量高於 10cd 才 全部作用，當光能量再減少，對紅色響應之細胞首先失靈；而感光細胞則可 偵測數個光子的能量，因此眼睛有明視覺(photonic vision)與暗視覺
(scotopic vision)兩操作模式，後者由於紅色感色細胞最先失靈，它的最敏 感波長偏短，看見的顏色會藍移(Purkinje shift)[8]。
和一般相機不同的是，相機中成像透鏡形狀不變，要在底片上有清楚成 像，是藉由調整系統中透鏡與底片的距離來達到，而眼睛視網膜和水晶體的 距離可調範圍很小，要有清楚成像主要是靠水晶體的形變來達成。
光軸
視線軸
瞳孔
截狀肌 視網膜
中心窩
盲點
視神經
水晶體 玻璃體
角膜
水様液
虹膜
如果眼睛就是照相機，為何眼睛能建立的立體感遠超過相機？研究顯示，
人可以看見立體，是由於人對於一個目標，一次使用兩個眼睛來收集資訊，
由於兩個眼睛在空間中不同位置，其取到的圖像不同，經由大腦對兩圖片解 碼後才能得到正確的立體感。
一般動物身體的左邊動作由右腦控制，右邊動作由左腦控制，眼睛亦是，
但人類眼睛的訊號則是部分到左腦部分到右腦，其中兩眼中央窩處的訊號左 右腦都會接收到。訊息的傳播路徑如圖 15：兩個眼睛視網膜得到的資訊在視 交叉(optic chiasma)處，某部分視神經會交換左右眼的訊息，這些神經為相 交視神經 Intersecting optic nerves。經過相交視神經的作用後資訊接著 到達側膝核(lateral geniculate nucleus, LGN)，側膝核能夠分別對左右眼 的資訊做先一步的處理，最後才將訊息給大腦。[2]
圖 15. 視覺訊息傳播途徑[10]
以下以表 2 標明眼睛成像特性，統整本小節結論：
表 2. 眼睛成像特性
項目 量值
光圈數值(f-number) 3~16
解析度 1’(角解析度)；在 25cm 處解析度為 350dpi
色彩 400nm~700nm
操作模式 依亮度分類 暗視覺、明視覺
依維度分類 立體雙眼視覺、單眼帄面視覺
2.1-2 構成立體感之因素
要建立立體影像系統前，應先了解人們如何感知縱深。人類對立體空間 的感知建立，主要依據視覺與認知系統的相互作用，大腦藉由收集許多生理 與心理的立體線索來觀賞這立體世界。
生理線索
生理線索是人為了觀察環境，經由調整視覺系統的量值來衡量距離感，
因此又稱做觀察者中心線索(observer-centered cues)，包含雙眼線索 (binocular cue)和動眼線索(oculomotor cues)，其中後者包含光角
（Convergence）與調節（Accommodation）。[11]
(a)雙眼線索
由於人的兩眼在空間中佔據不同的位置，當在觀察一個物體時，左右 眼有不同的觀察角度，兩眼視網膜上的成像位置會有些許的水帄差距，
為水帄視差(horizon disparity)，如圖 16 所示。大腦可藉由兩眼得到 的不同影像來計算物體的距離感。[11]
圖 16. 雙眼線所示意圖[12]
(b)光角
為了讓最重要的影像成像在中央窩，觀看物體時兩眼睛會旋轉，讓 視線對準物體，此時物體和兩眼睛連線的夾角稱為光角。由於兩眼的距
離固定，光角大小由物體與眼睛的距離決定，如圖 17 所示。大腦藉由 控制肌肉的訊號來得知光角改變量，並由此計算物體距離的改變量。當 物體較近，距離改變一點點就有很大的光角變化，因此容易感覺立體感，
但是當物體遠過 10m，同樣的距離改變光角變化卻很少，因此在超過 10m 的距離，我們很難靠此線索感覺物體的景深。[12]
圖 17. 光角與距離示意圖[12]
(c)調節
由於眼睛是藉由調整水晶體的形狀來達到清楚成像的條件，對於距 離不一樣的目標，睫狀肌必頇給予不同的張力來給水晶體不同的壓縮量，
如圖 18 所示。大腦藉由水晶體的壓縮程度改變量來衡量物體的距離改 變量。當物體較近，距離改變一些些，水晶體的形狀要改變很多才能清 楚成像，因此容易感覺立體感，但是當物體超過 2m 遠，同樣的距離改變 量水晶體形狀不需要調整很多，因此在超過 2m 時我們不易靠此線索感覺 立體感 [12]。
圖 18. 水晶體調節與物距關係示意圖[12]
遠
近
薄 水晶體形狀
厚
心理線索
心理線索主要由後天對各種物體的學習經驗而得，為一個眼睛就可以做 到的認知判斷，也稱物體中心線索(object-centered cues)、單眼視覺線索 (monoscopic depth cues)或是畫的線索(pictorial cues)。在此分類之下，
有一種特別需要時間上多個畫面變化才可以察覺的線索，為動態視差(motion parallax)，其他由一靜止畫面就可以得到線索相對稱為靜態線索(static cues)，以下一一說明它們如何幫人類營造立體感。[13]
(a)視網膜成像大小與經驗相對大小(retinal image size and relative size)
一般而言視網膜上的成像越小代表距離越遠，越大就越近。但當看 見大小不一的物體在畫面上一樣大時，運用經驗可得知理應較小的物體 距離較近。另一個情況是一樣大的物體，但在畫面上不一樣大，依靠經 驗可獲得比較小的距離較遠，如圖 19 中的火車車廂。
(b)線透視性(Linear Perspective)
線性透視提供一種變形印象，當看見兩線條往地帄線收斂，代表線 條帄行，但是往遠方延伸，如圖 19 中的鐵軌。
(c)漸層組織(texture gradient)
重複排列的相同元素在近的地方看起來比較大且排列比較鬆散，可 以看到比較多細節，遠的則比較小且排列緊密，如圖 19 的鐵路碎石。
(d)遮蔽(occlusion)
當兩物體其中有一個的部分被另一個擋住，會提供遮蔽者距離觀賞 者比較近，而檔住了被遮蔽者的部分光線，因此能分別出距離之遠近，
如圖 19 中的月台柱子。
(e)天際遠景（aerial perspective）
由於大氣水氣的散射作用，較遠的風景會較模糊，顏色飽和度較差，
如圖 19 中鐵軌盡頭的房子。
(f)光影(light and shadow)
光的反射與陰影變化可給予立體感提示，如圖 19 中月台的影子讓 觀賞者得知來自左上方的光線遇到不透明物月台，光線無法到達地面。
(g)形狀經驗(previous knowledge of shape)
當再次看見曾接觸過的物體，看見它的相似形狀配合一些花紋或場 景提示，在腦海中浮現它的立體感，比如圖 19 中的火車車廂基本是長方 體，但是藉由環境的鐵軌、加上窗戶可以讓觀賞者聯想到火車。
(h)和地帄線的相對位置(position relative to the horizon)
當畫面中有地帄線，地帄線是畫面最上方的地線，因此可藉由比較 物體地線和地帄線的距離，來判斷物體的遠近，如圖 19 中的月台柱子。
圖 19. 靜態立體線索[13]
(i)運動視差(motion parallax)
視差指在一系列圖片中，物體們影像之間的相對位置。當觀察者和 物體有相對移動時，因近景和遠景的移動方向與速率不同，導致相對的 距離、遮蔽改變，觀察者可以由此判斷物體之間的相對遠近關係，如圖 20 兩小圖中，右圖的花心被遮住了一些。[11]
圖 20. 運動視差的結果示意圖
相對大小
線性透視
漸層組織 遮蔽
光影 天際遠景
與地帄線相對距離
形狀經驗
各種線索之效率
1995 年 Cutting 和 Vishton 發現，當這麼多深度線索同時發生，可能產 生立體感增加或矛盾的情形，且並不是所有線索都一樣容易讓我們察覺立體 感，他們將這些視覺線索分別在個人(personal, 1.5m 內)、動態(action, 1.5~30m)與遠景(vista, >30m)三個不同距離空間的作用效率整理成圖，如圖 21。[13]
圖 21. 立體線索效率[13]
以運動視差線索為例，夜晚行車於高速公路上時，會覺得月亮與星都跟 著我們走，但是只知道月亮與星都離我們很遠，卻不知道實際多遠或誰比較 遠，但是同條路上的路燈與隔壁公路的路燈向後跑的速度不同，明確的告訴 我們前者比較近，表示運動視差線索在例子中的距離：遠於 1.5m 時，近距離 指示距離遠近的效率比遠距離時來的好，對應圖上的運動視差線索，在個人 空間外是一個負的斜率，隨著距離遠離效率下降。
2.1-3 帄面式螢幕顯示立體效果之原理
在我們觀賞三維空間時，視差、光角與調節的功能密不可分，日常生活 中，對於有深度的景物，藉由三者功能彼此的調和，便能感覺到遠近深度的 立體感。而當觀賞者不移動且專注於顯示器帄面時，三者都不變，因此我們 得知螢幕為帄面而非立體。
在單眼線索外的雙眼線索，在圖 21 中分成視差，光角與調節兩條線，
其中視差的效率高於光角與調節，因此要在帄面畫面上增加立體感，首選就 是利用視差。要注意的是，由於人已習慣視差、光角與調節同時產生，有了 視差線索另外兩者會被誘導產生，其影響也需列入設計考量。
在此節中，首先探討雙眼視差與光角在帄面式立體效果顯示器上的應用
在此節中，首先探討雙眼視差與光角在帄面式立體效果顯示器上的應用