一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉

说到3D，很多人的第一反应可能是酷炫生动的3D电影，以及它为我们带来的欢乐亦或惊险之旅。

但你知道吗？正如3D电影的拍摄是一项“大制作工程”一样，3D深度视觉的形成也是一个庞大的系统性工程，需要人体多系统的介入、协调来完成。

深度感知是在三维空间（3D）和物体距离上感知世界的视觉能力[1]。我们的大脑在判断所看到物体的深度时，往往会使用两种视觉线索：生理学线索和心理学线索。

前者是将真实的物理信息提供给大脑，而后者则提供的是一些视觉幻象。

生理学线索

在我们的大脑作出判断所使用的视觉线索中，生理学线索蕴含着真正的物理深度信息，典型的生理学线索由晶状体聚焦、辐辏、以及双眼视差3个因素构成。

晶状体聚焦 (Accommodation)

我们的晶状体(lens) 是一个神奇的镜头，随着周围肌肉的伸缩和舒展，这个神奇镜头的焦距可以在一定范围内自由调节。

也就是说，正常情况下，当平行光进入人眼时，它会被晶状体自动汇聚到视网膜(retina)上的一个点。由此以来，如图(1)(A&B)所示，我们可以将物理世界中真实的深度信息准确成像至视网膜上。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图(1). 晶状体成像和近视眼成因

而晶状体对于平行光的自动汇聚功能，则是通过睫状肌的收缩或松弛改变屈光度来实现的。

如果一个人眼球中睫状肌调节负担过重，就会导致晶状体过度变厚且不能恢复原状、或者眼球的前后径过长，以至于晶状体的屈光能力过强；远处物体的光线通过这个神奇镜头的折射所形成的物像，就会落在视网膜的前方[2]。

如图(1)(C)所示，在这种情况下，这个人看到的就会是一个模糊不清的物像，而这就是近视眼的成因。

辐辏 (Convergence)

除去单眼的晶状体调节功能之外，我们的双眼也能够捕捉真实存在的深度信息。在视觉信息方面，辐辏就是指双眼同时向反方向运动以获得或维持单一的双眼视觉的行为[3]。

当我们在看物体A时，我们其实是在通过双眼视线根据物体A发生的相反方向的变化运动后汇聚到我们视网膜上的一个点，来感知物体A的位置的。

当我们在看远处的物体时，眼睛会彼此转动远离，有效地将同一点固定在无限远，目光也就会随之发散直到平行，这便是一个人在远眺时深邃的、涣散的眼神，如图(2)(C)；而当我们看近处的物体时，眼睛会朝着聚合的方向转动，这就叫做“辐辏”[3]，夸张一点就会成为“斗鸡眼”，如图(2)(A)和(B)。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图(2). 辐辏的三种不同形态：从左到右依次为“斗鸡眼”、一般辐辏和平行视线

辐辏本质上是一种用于距离和深度感知的双目动眼神经提示，是一种由内在肌肉完成的收敛性眼球运动[4]。每只眼睛外侧肌肉使用转动眼球的力的强弱，为大脑提供了关于物体距离的线索[5]。

如果将手指放在眼睛前方20厘米处，眼球肌肉转动的力需要比手指在50厘米处时更加大，也给大脑信息提供了说明：20厘米的距离的确比50厘米近。

双眼视差 (Binocular Parallax)

值得一提的是，当我们看同一个物体，用上面已经提到的专业术语来说，当我们两眼视轴辐辏在这个物体上时，物体的映像就会落在两眼视网膜的对应点上。

如果我们双眼的视网膜重叠起来，那么它们的视像重合，我们就能够看到单一、清晰的物体。

然而，人的眼距往往在65毫米左右，这就意味着每一个人双眼的视网膜之间会存在着65毫米左右的间距，从而，在观察物体时，我们两眼的视网膜上会出现物像差异，这样的差异就是双眼视差[6]。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图(3). 双眼视差的动态展示

双眼视差在深度视觉领域有着非凡的意义。图(3)中的两张有细微差异的图片各自传递出的信息，将在大脑的视觉皮层中被处理，从而让我们获得深度感知，估计到物体的距离。

开头中提到的3D电影，就是充分利用双眼视差的原理实现的：如图(4)所示，电影放映时，两台放映机同步运转，同时画面投放在银幕上，形成左像右像双影。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图(4). 3D电影原理

观众的特制眼镜或幕前辐射状半锥形透镜光栅，使观众左眼只看到从左视角拍摄的画面，右眼只看到从右视角拍摄的画面，最后经过大脑的融合，成为3D视觉影像[7]。

那么，为什么我们看3D电影的时间久了，会有眩晕的感觉呢？开头说过，眼球里的晶状体会自动根据物体的距离聚焦；而在我们观看3D电影时，晶状体聚焦的平面和双眼辐辏的汇聚平面通常不一致。

3D电影的画面变换非常快，所以人眼需要频繁使用聚焦和辐辏两种功能，使物体的像准确地落在视网膜上。短时间内，我们还能忍受这种需要频繁发生的功能，但一段时间后，就会产生视觉疲劳甚至头晕恶心之感。

心理学线索

心理学线索能帮助我们感知深度视觉的直接原因是：我们的大脑经受了长久的训练，对于一些在二维平面内呈现的场景会产生幻觉，以至于我们错认为这些场景是三维的。

“近大远小”就是一个典型的例子（见图(1)）：当我们在同一画框内画出一大一小两个物体时，直觉上我们的大脑会认为大的物体在近处，而小的物体在远处。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (1). 近大远小

在了解这些心理学线索的原理之后，计算机图形学便可利用这些线索，在2D的平面上渲染出3D的错觉。而以下的3个因素，就是最常被使用的经典线索。

遮挡（Interposition）

遮挡（interposition）给我们带来的是一种非常直观的感受：当我们将一个不透明的物体放置在另一个物体上时，观察者会认为被遮挡的物体在远端，而遮挡物在近处。

如图(2)所示，在同一平面内的两个图形堆叠起来之后，虽然它们都处在同一平面和我们之间的距离相等，但由于遮挡这一因素，我们会认为被挡住的那个物体离我们稍远一些。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (2). 遮挡

阴影 (Shading and shadowing)

每个物体都有2种不同的光照模式——光照区域和阴影区域，而阴影（shading and shadowing，也可以叫浓淡处理）提供给我们的就是一个物体所处环境的空间光信息。

通过根据物体相对于光线的角度及其与光源的距离，来改变物体的明暗、从而达到写实（photorealistic）的效果，我们就能在计算机图形学中成功地做出阴影处理。阴影处理时采用的算法，会改变三维模型中的表面颜色和明暗程度[1]，从而提供空间线索。

例如，图(3)(A)中，模型没有绘制边线，我们就很难分辨出该模型在这张图中的每个表面；图(3)(A)和图(3)(B)是同一个模型，该模型的每个表面都用同一种颜色进行渲染，画出边线是可以让读者分辨模型的形状以及表面；图(3)(C)是进行过阴影处理的模型，这个模型看起来更加真实，我们能够很轻松地认出它的每一个面；同时，我们也能够通过光源的方向，感受到模型摆放的方向。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (3). 经过与未经过阴影处理的模型对比

线性透视 (Linear perspective)

线性透视（linear perspective）会采用一些引导线来引导观察者的视觉看向“远端”，即引导线会汇聚到一个小的点上，这种汇聚也能够让观察者产生深度错觉。

线性透视最显著的特点是物体随着与观察者的距离的增加而显得更小[2]。一个很典型的场景是：当我们站在一条笔直的道路上、向下看时，我们会注意到，道路在延伸向远处的同时，不断变窄。图(4)的长廊所展示的就是一个真实的线性透视场景。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (4). 线性透视场景——笔直的长廊

在图(4)中，这条长廊引导我们的视觉看向了“远端”。并且，我们也能有这样一种感觉：这条长廊的两端会在无穷远处相交于一点；这个点就是线性透视中的灭点。当一幅图在画面上只包含一个灭点时，它就具备了单点透视的特性。

单点透视通常用于道路、铁路轨道、走廊或建筑物的图像。当我们在欣赏这类图像时，我们能够感觉到：图片中的画面在不断往远处延伸，是一种“向画面内延伸”的观感。该动态效果如图(5)所示。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (5). 单点透视

线性透视在绘画艺术中有着非常广泛的应用。譬如达芬奇的《最后的晚餐》，就是非常经典的、应用了单点透视的代表作品之一[3][4]，如图(6)所示。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (6). 线性透视在《最后的晚餐》中的部分应用

如果画面中的立方体，垂直轮廓线与画面平行、另外两组水平主轮廓线与画面斜交，那么在画面上就形成了两个消失点，这幅图就具备了两点透视的特性；具体的两点透视模型见图(7)。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (7). 两点透视模型

两点透视通常用于展示某个建筑的一个角落的图像。当我们在欣赏这类图像时，我们能够感觉到：图像中建筑物的两个立面形成夹角，从而给我们带来一种立体感，这是一种“向画面外延伸”的观感。图(8)展示了常见的两点透视场景。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (8). 两点透视

结合遮挡、阴影和透视，我们就可以在平面显示中做出3D的效果，这也是HUD（车载抬头显示）在2D平面上实现3D感的方法，效果如图(9)；但是缺少生理线索的3D显示在效果上往往也会打折，甚至在特定的使用场景下会带来一定的不适感。

一文看懂汽车AR HUD虚拟现实基础原理-3D深度视觉图 (9). 遮挡、阴影和线性透视在平面中的效果展示

在数字显示运用的场景越来越广泛的今天，对于3D产生原理的理解可以让我们更好地把它运用在显示产品上，给我们带来更真实的视觉体验。

#参考来源：

[1]Howard, Ian. (2012). "Perceiving in Depth. New York: Oxford University Press". ISBN 978-0-199-76414-3.

[2]https://www.nei.nih.gov/learn-about-eye-health/eye-conditions-and-diseases/refractive-errors

[3]Cassin, B. (1990). "Dictionary of Eye Terminology. Solomon S.Gainesville, Fl: Triad Publishing Company". ISBN 978-0-937404-68-3.

[4]Okoshi, Takanori. (2012). "Three-dimensional imaging techniques. Elsevier". p. 387.

[5]Saladin. (2012). "Anatomy and Physiology The Unity of Form and Function, 6th Ed. McGraw-Hill".

[6]Qian, N. (1997). "Binocular Disparity and the Perception of Depth, Neuron". 18, 359–368.

[7]Squires, Scott. (2011). "Effects Corner: 2D to 3D Conversions".

#参考来源：

[1]Dueysdrawings.com. (2012). "Shading Tutorial, How to Shade in Drawing".

[2]Smarthistory at Khan Academy. (2013). "Linear Perspective: Brunelleschi's Experiment".

[3]Dominique Raynaud. (2016). "Studies on Binocular Vision". Cham: Springer International. pp. 53–67.

[4]Dominique Raynaud. (2021). "Las fuentes ópticas de Leonardo". Perspectiva y visión, ed. UAH. pp. 61–62.

文章来源于睿维视 ReaVis

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