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大話3D的源泉

編輯：寒青　[ 2012-12-26 8:12:29 ]　文章來源：3d中國

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大話3D的源泉

繼好萊塢的3D大片風起云涌之后，最近3D打印也來勢洶洶。借著這股3D風，來談談各種3D技術，僅供大家參考。

3D的顯示

其實自打有2D那天，人們就一直想著怎么搞出3D來。最早算得上3D的發明，按照Wiki上的說法，恐怕是1838年Charles Wheatstone發明的一種利用鏡子來讓人的左右眼分別看到不同的畫面來模擬雙眼觀察同一場景的效果，并利用視差讓人產生3D感的裝置，算是現在紅藍眼鏡這類視差3D的鼻祖。

由于3D效果是利用人腦對視差，也就是雙眼所觀察到的畫面有微小角度的差異，進行合成而產生的，并不需要真的有3D數據或者實物，因此算是最簡單的一種呈現3D的方式。后來又有了很多改進版本，利用繪畫，或者照片等等，但一直只能呈現靜態的3D場景。直到攝影技術和光學的發展，可以用兩個甚至多個攝像機模擬雙眼的位置拍攝，并利用不同顏色或者偏振光來顯示，讓人借助特制的眼鏡來產生3D的動態視覺效果。比如紅藍視頻就是用偏紅的顏色代表一只眼看到的影像，偏藍的顏色代表另一只眼看到的，人帶上眼鏡后再看就能有3D感。

近幾年更是有能在不同角度投射出不同顏色光線的3D屏幕，可以不借助任何眼鏡等設備，讓人眼直接觀察到3D效果，也就是所謂的裸眼3D （Autostereoscopy）。但裸眼3D的一個問題是，對于只由對應左右眼的兩組影像合成的3D場景，如果你的觀察位置稍微有些移動，那么本應該左眼看到的影像可能就會被右眼看到，而左眼看到的卻是右眼應該看到的影像，于是會有種錯位感，英文叫movement parallax，中文大概翻譯成移動視差吧。

2010年，我曾經在一個展會上演示過一臺合作伙伴的裸眼3D屏幕，能在8個角度投射光線，也就是說它能模擬8只眼看到的影像。因此如果你在一個小范圍內移動觀察，也能保證雙眼看到的影像是按照順序的，一定程度上減輕了移動視差，但看時間長了還是會有點暈。

真正炫酷的技術是全息3D，能把3D影像直接投影在空中，并且無論從任何角度都能完美的觀察到3D效果，是近年來好萊塢科幻電影的必備元素。

就拿我最喜愛的鋼鐵俠來說，這張截圖中，Tony Stark正在利用全息投影來設計他的新型盔甲Mark II，他甚至還可以在空中操作投影出來的機械模型（這個應該可以用類似kinect的技術做到，后面還會提到）。

不過全息投影的原理可比視差3D復雜多了，在這給大家簡單解釋一下（涉及一些專業術語，需具備一定物理常識，不喜者可跳過）。

從電磁學的角度來說，光就是電磁波，具有振幅、頻率和相位。振幅就是光強，頻率就是顏色。一般的2D照相機，能夠記錄光的顏色和強度，也就是振幅和頻率，但無法記錄光的相位。而全息投影首先需要可以記錄包括光的相位的所有信息，形成一張全息圖。這也是全息的意思，光的全部信息。物理上做全息攝影時，一般將一束激光用棱鏡分為光強不同的兩束，以保證這兩束激光頻率相同、相位差恒定。強度大的一束作為物光打在物體上并反射到底片上，另一束強度弱的作為參考光直接打在底片上，與從物體上反射到底片的物光發生干涉，并記錄在底片上。雖然底片依然只能記錄光強和頻率，但由于此時光強不止由物光決定，而是由物光和參考光的干涉結果決定，因此，其強度變化就記錄了光的相位。而還原相位信息的辦法就是，用同樣頻率的激光打在底片上，將底片記錄的干涉條紋作為光柵，利用光的衍射來重現物體。但單一頻率的激光只能記錄一種顏色，據說彩色的全息圖是由多束不同頻率激光共同產生的。本人上學時只做過單色激光的全息攝影實驗，至于彩色全息，具體技術細節不詳。

除了物理上用激光產生全息圖之外，還可以用計算機模擬激光干涉的過程計算出全息圖（Computer Generated Holography，簡稱CGH）。這種方式更方便快捷，而且可以為虛擬的3D模型，而不僅僅是真實的物體產生全息圖，甚至動態的全息視頻。

上圖是一張google出來的CGH全息圖，同樣也是不能直接看的，也要有相應頻率的激光來還原才行。我見過一種打印在可以彎曲的特制塑料板上的全息圖，在黑暗處用白光手電筒一照，就能看到還原的3D圖像，在垂直于板子45°以內的位置都能很好的觀察到，而且還可以卷起來放在裝羽毛球的筒子里，很方便。

而且全息圖一個很有意思的特點是，它的任何一部分都保存了物體上所有點反射的光線的全部信息。因此，哪怕只有半張、甚至一小塊全息圖，也都能完整的還原出原始的3D場景。這還只是制作全息圖，要想將全息圖投影出來，并從360°都能看到，也很復雜。一種方式是利用海市蜃樓的原理，將全息圖投影在水蒸氣上，利用分子的不均衡震動，來產生有層次感和立體感的圖像。目前，全息投影的設備還都很貴，相比3D打印而言，還遠沒到能夠普及的時候。但很多領域已經開始有所應用，比如演唱會、展覽、產品發布會等等，前途無量，我個人非常看好。

全息3D，尤其是計算機產生的全息3D，和視差3D最大的區別在于，它需要真正的3D數據，而不是用幾張2D圖片靠人腦來產生3D感。傳統上3D數據往往是用CAD或者類似3ds max、maya這樣的建模軟件做出來的。拿繪畫做個類比，如果沒經過訓練，一般人很難畫出逼真的2D畫作，直到照相機的誕生。同樣，如果沒經過訓練，一般人也很難用這些專業的建模軟件做出逼真的3D模型，直到3D激光掃描儀的誕生。

如何獲得3D？

激光掃描最早是從測繪領域發展起來的。大家應該時常能在馬路上看到一些測繪人員，用一個架在三腳架上的儀器來測量馬路。那種一般用的是全站儀，就是可以測量距離、角度、經緯度等等數據，集多功能于一身，所以叫全站儀。但是這類測繪儀器往往一次只能發射一束激光，測量一個點，并且為了提高精度，測量時間也比較長。激光掃描則是同時發射很多束激光，快速測量很多點的位置和角度，并將這些結果變換到一個統一的坐標系下，形成由很多點來描述的模型。如果給這些包含3D坐標的點加上顏色之類的信息，就是3D的像素，不嚴格來說也可以叫體素。就像2D圖像是由具有2D坐標和顏色的像素組成一樣，3D激光掃描儀掃描的結果是由具有3D坐標和顏色的體素組成的3D圖像。

用中距離掃描儀掃描的建筑，左下角圓弧狀沒有點的地方就是掃描儀的位置

別看3D圖像只比2D圖像多了一維，數據量可是大了好多。一般高清數碼相機的照片最多也就十幾兆二十兆，可3D圖像至少都有幾十兆數百兆之大，包含成百上千萬的點，因此有個形象的名字叫點云。就像2D圖像可以分為光柵圖和矢量圖一樣，激光掃描儀所產生的點云就相當于光柵圖，而3D的矢量圖則是CAD或3ds Max所產生的網格模型（mesh）。2D圖像的矢量圖大小一般小于光柵圖，3D圖像也是如此。而且在激光掃描儀之前的3D軟件往往也只能處理網格模型，不能直接處理點云。所以常見的做法是先從點云中計算出網格模型，然后再做進一步處理。這個套路在制造業已經非常成熟，學名叫逆向工程，也就是大家熟悉的山寨。國內那些仿造的手機殼、汽車外殼等等，都是這么來的。