立體影像的原理

要探討立體影像之前，首先應該了解人們如何從立體顯示器感知縱深。因此本章第 一步先說明人類如何利用視覺與認知系統建立三度空間，接著探討雙眼視差在立體顯示 器上的應用，最後討論這些機制如何影響立體影像品質。

2.1 人類的空間感知

人類對自然界三度空間的感知建立，主要依據視覺與認知系統的相互作用，也就是 包含生理與心理層面，分述如下[13]。

2.1.1 生理因素

1. 雙眼視差（Binocular parallax）:人類兩眼相距約六公分左右，就是因為兩眼在水平 上的差距，使得物體間在兩眼視網膜內的相對成像位置略有差異，並藉由此差異感知和 判斷物體間的縱深,如圖十六.所示。

圖 十六. 兩眼視差成像

2. 光角（Convergence）:即兩眼視線對一物體之交叉角，從觀測者到對象物之間的距離 依遠近的不同，兩眼視線的交叉角也跟著改變。彼此距離較靠近的話交叉角(光角)很大，

反之，距離很遠則交叉角變小，如圖十七.[14]所示。依照觀測物的距離遠近，兩眼眼 球的角度也不得不跟著作調整，於是便可以感覺出物體遠近深度的距離大小。因此，在 近距離時，視角的變化對於深度感的貢獻是相當大的（尤其是它與眼調節能力一起作用 時），但是當距離超過十公尺，由於視角的變化很小，而無法感知物體的深度。

圖 十七. 光角與對焦距離關係

3. 調節（Accommodation）:人類眼睛構造中水晶體相當於相機的對焦透鏡，能夠將影 像投影在視網膜表面。依照水晶體的調整也可以感覺出對象物的深度遠近。一般當對象 物距離超過二公尺以上的時候，要藉此來感知對象物的實際深度將有困難。

圖 十八. 光角與對焦距離關係

2.1.2 心理因素

1.運動視差（Motion parallax）：

當觀測者和對象物相對移動時，因近景和遠景的移動所產生的視差，我們稱此為單眼運 動視差。單眼運動視差也能夠提供觀測者對於物體深度遠近的感覺。

2.大小（Size）：

藉著在視網膜上成像大小的不同，即使是相同的物體也能分別出距離之遠近。

3.線性透視（Perspective）：

從物體在三度空間的排列配置可以組合出其深度和立體的感覺。

4.光與影（light and shadow）：

光線的反射與陰影變化可以感受到物體的立體感。

5.遮蔽（Interposition）：

在視界內，兩物體的遮蔽關係，也能分別出距離之遠近。

6.細節（Texture Gradient）：

近景的物體較遠方的物體可以觀察到更多細節。

7.天際遠景（Aerial perspective）：

由於雲霧的影響與折射作用，遠方通常較為模糊且偏藍。

8.顏色（Color）：

由於眼球內的折射現象，即使在同一距離的物體，顏色較鮮艷的物體感受較近。

圖 十九. 引起深度感的心理因素

2.2 雙眼視差

水平方向的雙眼視差是產生立體感的主要原因，實際上，雙眼視差所感受到物體間 的縱深是相對性的。當兩隻眼睛聚焦於同一物體時，在兩眼的視網膜內並無視差，根據 文獻，此時存在一通過焦點的曲線稱 Horopter 所有在這曲線上的位置均在視網膜內呈 現對稱而無視差，因此形成一縱深的基準線。如圖二十.[15]所示，當雙眼聚焦於Ｆ處，

因物體Ｘ在Horopter曲線之前，所以在左眼視網膜的成像在Ｆ的右方，在右眼視網膜的 成像在Ｆ的左方，形成交錯成像。同理可證，當物體在Horopter曲線之後時，則形成非 交錯成像。

而雙眼能相互融合成像的區域，稱為Panum’s fusional area ，在融合區域外的物體 則產生類似複視的效果，但由於人眼在日常生活中的對交焦點是不斷游移改變，因此在 積分作用下融合區域相對擴大並不會造成嚴重的雙眼視覺對抗問題。

圖 二十. Panum’s fusional area and Horopter

2.3 影響立體影像品質的要素

目前已有許多有關立體影像品質的研究報告，大部分都是依據人因實驗的結果，其 歸納有三個主要因素，分述如下：

1.視覺系統異常

僅發生於少數人身上，無法藉由兩眼觀看不同相位差的影像融合成立體影像。

2. 光角（Convergence）與調節（Accommodation）的不匹配

造成觀看立體顯示器產生嚴重不適感的主要原因。真實生活中，光角與調節作用是相互 匹配的。然而在觀看立體顯示器時，調節作用聚焦於螢幕平面，利用左右眼觀看不同影 像的光角變化，產生的縱深效果，實現立體影像，卻因此造成兩作用間的不匹配，產生 視覺疲勞與頭暈等副作用，因此根據人因實驗的結果，光角與調節的不匹配有其先天的 限制範圍。

3. 雙眼影像的不對稱

不對稱包含影像光學幾何的不對稱（諸如大小，旋轉等）與影像特性的不對稱（諸如對 比，亮度，顏色，Crosstalk等）

上述三個主要影響立體影像品質的要素，多數均為先天的限制，有其最大範圍。其 中Crosstalk主要是由立體顯示器所貢獻，因此本文希望就Crosstalk的討論，能讓立體顯 示器的設計有一定遵循的方向。