2015年3月2日

三維影像

3D影像在光學和數學的交互作用間, 逐漸成像。這背後複雜的運算,讓許多人開始能在空間中創造自己的無限想像⋯ ⋯

作者/蘇偉碩(交通大學博士後研究員,專長為矩陣計算、數值分析、三維影像重建與應用)

作者/吳金典(交通大學副教授兼副系主任,專長為科學計算、計算流體力學、光學曲面設計)

在這近十年裡,便宜、輕巧的數位攝影器材已經逐步進入我們的生活之中。而市面上也有許多小型、低成本的投影機,甚至是3D的掃描儀或列表機,供民眾列入購買清單,讓許多人開始能夠動手設計、創造屬於自己的作品。

三維取像
早期的3D建模方法,是需要直接接觸物體表面的。如1630年, 沙伊納(Christoph Scheiner)使用了「比例繪圖儀(pantograph)」,以一種特殊的機械連動方式,完全的複製另一個圖像。而現今的座標測量器,也用了類似的原理,記錄目標物在空間中的資訊。這個方法雖然有用且準確,但需要花不少時間去建立座標,且對於脆弱物品是無法使用的。

那麼該如何不接觸物體,就能夠量測物體的位置、大小,甚至形狀呢?二戰期間,英國就開發出一種能探測空中金屬物體的技術──雷達,在反空襲戰中協助搜尋德國飛機。飛機在遠方雖然只是一個小點,但透過雷達訊號的分析,工程師就可以判斷出它的種類與距離。此外,雷達也被廣泛應用於地下或海底資源的探測,比如尋寶或石油開採等。超音波與電腦斷層掃描的偵測,也是非接觸式的取像;隨著三維掃描技術的精進,這種醫學影像對人體健康也日益重要。

其實非接觸式的取像方式,主要是透過控制光的投影,以及和觀察器材間的交互作用,所建構出來。運用光學取像的技術有很多種,比方可以透過變換焦距,來實行3D成像。由於只有焦距所對到的平面範圍會比較清楚,而其他地方則是模糊的;因此通常可以利用這種機制,來重建觀測物體與觀測點的距離關係。就有科學家根據這個論點,估計及蒐集鏡頭畫面中的景深關係;讓相機製造商得以用這個方法,自動調控相機拍照的焦點,便能創造有景深效果的照片。......【更多內容請閱讀科學月刊第543期】

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