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双眼立体视觉与双眼观察仪器

2022-3-9 11:37| 发布者：Davis| 查看：2459| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了双眼立体视觉、立体仪器和双目观察的相关性，以及双眼观察仪器需要满足的条件。另外还讨论了体视锐度和IPD对双眼立体视觉的影响。

1. 双眼立体视觉

当观察外界物体时，除了能够知道物体的大小、形状、亮暗、表面颜色以外，还能够产生远近的感觉，这种远近的感觉称为空间深度感觉，它无论是单眼或者双眼观察时都能产生，但是双眼的深度感觉远比单眼观察时更准确、更灵敏。

虽然双眼视觉具有多种优势，比如从视野的扩展到对比度阈值的降低，但我们更多关注的是双眼立体视觉和立体仪器的相关性。

图1所示为典型的单眼视野和双眼视野之间的关系。

图1：单眼和双眼视野的水平角度范围

（Handbook.Of.Optics.Vol.III.Vision.and.Vision.Optics.3rd.Edition）

正如两只眼睛的二阶波前误差(眼球折射)通常大致相似一样，最近的证据表明，高阶像差往往显示出两只眼睛之间的镜像对称：圆锥方向(SCE I)似乎也是镜像对称的。

由于眼睛在头部的横向分离，物体在不同距离上的视角度分离对两只眼睛来说略有不同。两幅视网膜图像之间产生的差异可以被视觉系统用来估计物体的相对距离，尽管更准确的判断通常还要再加上像透视和大小恒常性等单目线索。

图2：立体视觉几何图

（Handbook.Of.Optics.Vol.III.Vision.and.Vision.Optics.3rd.Edition）

在图2中，假设观察者可以检测到两个目标点A和B位于不同的距离，分别为l和l+δl。则相应的立体视敏度δθ为：

当l >> δl、p，小角度近似可以省略δl中高阶项，二项式展开得到：

上式中，p是两眼节点的横向间距或叫瞳间距(IPD)]；δθ的单位是弧度。

因此，双眼立体视觉误差（δl）与物体距离的平方成正比，与瞳间距成反比。

图3：双眼立体视觉误差δl与物体距离l的关系

（Handbook.Of.Optics.Vol.III.Vision.and.Vision.Optics.3rd.Edition）

图3为在假设p = 65 mm和δθ= 10秒弧度的情况下，将双眼立体视觉误差的近似预测值作为物体距离l的函数绘制出来。请注意，双眼立体视觉误差在距离超过约500米时就变得很差了。

图4：男女瞳间距的典型分布

（Handbook.Of.Optics.Vol.III.Vision.and.Vision.Optics.3rd.Edition）

瞳距(IPD)在个体和群体之间有所不同。男性和女性的典型分布如图4所示，取值范围约为50至76毫米。

当然，在现实世界中，双眼的深度感觉也需要由各种单眼线索补充的，如透视、叠加(插入)、大小恒常性、纹理、运动视差等。

图5：体视锐度的分布

（Handbook.Of.Optics.Vol.III.Vision.and.Vision.Optics.3rd.Edition）

对于任何观察者，δθ随目标亮度、距注视点的角度距离、允许的观察时间等参数变化。人眼有可能感觉到的δθ的极限值称为“体视锐度”，“体视锐度”的临床测试通常在40厘米的距离进行，并根据假设的IPD (p)为65毫米，通常可获得约20至40秒弧的正常体视锐度(见图5)。在较长的距离上进行类似的重复测试通常给出较小的值，约为5到10秒弧。

2. 双眼观察仪器

为了在使用仪器观察时仍能保持住人眼的体视能力，必须使用双眼仪器，比如双眼望远镜和双目显微镜。

当使用双眼仪器时，人眼的体视能力不仅可以保持，而且还可以得到提高。

利用反射镜或棱镜将有效IPD从p扩展到Np，并在每只眼睛前的光路中引入横向放大率M，可提高自然视觉的体视锐度。这可以将双眼立体视觉误差修订为

虽然在实践中，这种性能上的改进并不总是完全实现。这种变化通常会改变被感知图像中的空间关系，因此物体看起来要么增加了深度，要么减少了深度，这与其横向比例成正比。例如，如果放大率M大于1，但N为1，物体看起来更近，但透视缩短。然而，这种效应的简单几何预测却因各种因素而变得复杂，例如使放大系统的景深减小。

由于不同的潜在用户所遇到的IPD值的范围，重要的是提供适当的IPD调整(最好涵盖46至78毫米)，并有一个比额表，以便用户可以设定他们自己的IPD。收敛应与图像被观看的距离相适应，也就是说，视轴之间的角度应为每调节屈光度大约3.7度。

为了使人眼能够形成良好的体视感，双眼仪器左右两个光学系统必须满足以下要求：

A）双眼仪器左右两个光学系统的光轴要平行；

B）两个光学系统的视放大率应该一致；

C）两个光学系统之间不应该有相对的像倾斜。

如果仪器满足不了以上要求，严重时会使人眼完全失去体视感，在不是很严重的情况下，虽然能够形成体视，但观察者很容易感觉疲劳和头晕。

人眼视轴允许的不平行度根据经验近似为下列数值：

在水平方向：

视轴的最大会聚角为40′；

视轴的最大发散角为20′。

在垂直方向：

视轴允许的最大夹角为10′。