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繼好萊塢的3D大片風(fēng)起云涌之后，最近3D打印也來勢(shì)洶洶。借著這股3D風(fēng)，來談?wù)劯鞣N3D技術(shù)，僅供大家參考。

3D的顯示

其實(shí)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(fā)明，按照Wiki上的說法，恐怕是1838年Charles Wheatstone發(fā)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(chǎng)景的效果，并利用視差讓人產(chǎn)生3D感的裝置，算是現(xiàn)在紅藍(lán)眼鏡這類視差3D的鼻祖。

由于3D效果是利用人腦對(duì)視差，也就是雙眼所觀察到的畫面有微小角度的差異，進(jìn)行合成而產(chǎn)生的，并不需要真的有3D數(shù)據(jù)或者實(shí)物，因此算是最簡單的一種呈現(xiàn)3D的方式。后來又有了很多改進(jìn)版本，利用繪畫，或者照片等等，但一直只能呈現(xiàn)靜態(tài)的3D場(chǎng)景。直到攝影技術(shù)和光學(xué)的發(fā)展，可以用兩個(gè)甚至多個(gè)攝像機(jī)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(chǎn)生3D的動(dòng)態(tài)視覺效果。比如紅藍(lán)視頻就是用偏紅的顏色代表一只眼看到的影像，偏藍(lán)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(shè)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(gè)問題是，對(duì)于只由對(duì)應(yīng)左右眼的兩組影像合成的3D場(chǎng)景，如果你的觀察位置稍微有些移動(dòng)，那么本應(yīng)該左眼看到的影像可能就會(huì)被右眼看到，而左眼看到的卻是右眼應(yīng)該看到的影像，于是會(huì)有種錯(cuò)位感，英文叫movement parallax，中文大概翻譯成移動(dòng)視差吧。

2010年，我曾經(jīng)在一個(gè)展會(huì)上演示過一臺(tái)合作伙伴的裸眼3D屏幕，能在8個(gè)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(gè)小范圍內(nèi)移動(dòng)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(dòng)視差，但看時(shí)間長了還是會(huì)有點(diǎn)暈。

真正炫酷的技術(shù)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(shè)計(jì)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(jī)械模型（這個(gè)應(yīng)該可以用類似kinect的技術(shù)做到，后面還會(huì)提到）。

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

從電磁學(xué)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(qiáng)，頻率就是顏色。一般的2D照相機(jī)，能夠記錄光的顏色和強(qiáng)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(shí)，一般將一束激光用棱鏡分為光強(qiáng)不同的兩束，以保證這兩束激光頻率相同、相位差恒定。強(qiáng)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(qiáng)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(fā)生干涉，并記錄在底片上。雖然底片依然只能記錄光強(qiáng)和頻率，但由于此時(shí)光強(qiáng)不止由物光決定，而是由物光和參考光的干涉結(jié)果決定，因此，其強(qiáng)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(xiàn)物體。但單一頻率的激光只能記錄一種顏色，據(jù)說彩色的全息圖是由多束不同頻率激光共同產(chǎn)生的。本人上學(xué)時(shí)只做過單色激光的全息攝影實(shí)驗(yàn)，至于彩色全息，具體技術(shù)細(xì)節(jié)不詳。

除了物理上用激光產(chǎn)生全息圖之外，還可以用計(jì)算機(jī)模擬激光干涉的過程計(jì)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(shí)的物體產(chǎn)生全息圖，甚至動(dòng)態(tài)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(yīng)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(nèi)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(gè)很有意思的特點(diǎn)是，它的任何一部分都保存了物體上所有點(diǎn)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(chǎng)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(fù)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(dòng)，來產(chǎn)生有層次感和立體感的圖像。目前，全息投影的設(shè)備還都很貴，相比3D打印而言，還遠(yuǎn)沒到能夠普及的時(shí)候。但很多領(lǐng)域已經(jīng)開始有所應(yīng)用，比如演唱會(huì)、展覽、產(chǎn)品發(fā)布會(huì)等等，前途無量，我個(gè)人非常看好。

全息3D，尤其是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全息3D，和視差3D最大的區(qū)別在于，它需要真正的3D數(shù)據(jù)，而不是用幾張2D圖片靠人腦來產(chǎn)生3D感。傳統(tǒng)上3D數(shù)據(jù)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(gè)類比，如果沒經(jīng)過訓(xùn)練，一般人很難畫出逼真的2D畫作，直到照相機(jī)的誕生。同樣，如果沒經(jīng)過訓(xùn)練，一般人也很難用這些專業(yè)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(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展起來的。大家應(yīng)該時(shí)常能在馬路上看到一些測(cè)繪人員，用一個(gè)架在三腳架上的儀器來測(cè)量馬路。那種一般用的是全站儀，就是可以測(cè)量距離、角度、經(jīng)緯度等等數(shù)據(jù)，集多功能于一身，所以叫全站儀。但是這類測(cè)繪儀器往往一次只能發(fā)射一束激光，測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，并且為了提高精度，測(cè)量時(shí)間也比較長。激光掃描則是同時(shí)發(fā)射很多束激光，快速測(cè)量很多點(diǎn)的位置和角度，并將這些結(jié)果變換到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，形成由很多點(diǎn)來描述的模型。如果給這些包含3D坐標(biāo)的點(diǎn)加上顏色之類的信息，就是3D的像素，不嚴(yán)格來說也可以叫體素。就像2D圖像是由具有2D坐標(biāo)和顏色的像素組成一樣，3D激光掃描儀掃描的結(jié)果是由具有3D坐標(biāo)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(diǎn)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(shù)據(jù)量可是大了好多。一般高清數(shù)碼相機(jī)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(shù)百兆之大，包含成百上千萬的點(diǎn)，因此有個(gè)形象的名字叫點(diǎn)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(chǎn)生的點(diǎn)云就相當(dāng)于光柵圖，而3D的矢量圖則是CAD或3ds Max所產(chǎn)生的網(wǎng)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(wǎng)格模型，不能直接處理點(diǎn)云。所以常見的做法是先從點(diǎn)云中計(jì)算出網(wǎng)格模型，然后再做進(jìn)一步處理。這個(gè)套路在制造業(yè)已經(jīng)非常成熟，學(xué)名叫逆向工程，也就是大家熟悉的山寨。國內(nèi)那些仿造的手機(jī)殼、汽車外殼等等，都是這么來的。

利用點(diǎn)云對(duì)汽車車身做逆向工程

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