近几年，3D视觉技术不断发展，3D可视化系统是眼科手术的一个重要新趋势。
3D可视化系统目前在眼前后段手术中均有较多的应用。3D手术的优势在于，其具有更好的景深、立体感；而且3D手术将“低头模式”转变为“抬头模式”，对于主刀医生而言可以更好地保护颈椎，尤其在处理耗时的复杂手术中。此外， 3D手术的照明亮度相对传统显微镜更低，减少了潜在的视网膜光毒性，且患者舒适度更高。
为了让更多眼科同道了解与学习这一新技术，惟视眼科专门设立眼科3D手术专栏【3D Surgery Talk】，邀请业内具有丰富3D手术经验的专家团队分享他们的宝贵经验。
福州眼科医院叶向彧教授团队是国内率先引进3D可视化系统的团队之一，已经累积了丰富的经验。本期，我们荣幸邀请到叶教授讲述3D成像的原理以及如何在手机或者普通显示屏上实现裸眼3D效果。
福州眼科医院副院长
白内障学科带头人
第一部分
概述立体视觉的产生机制
人眼的立体视觉与两方面因素相关，可分为心理因素和生理因素两部分。
心理因素是由人们在日常生活中长期的经验积累所获取的，主要包括：
1、线性透视：物体大小是随着观察距离的增加而线性减小。如图1（a）
2、遮挡关系：近的物体对远处的物体有遮挡，根据遮挡的程度来判断深度/位置关系。如图1（b）
3、阴影及光线：人会根据光照对物体产生的阴影效果来判断位置关系和形状。如图1（c）,很容易判断该物体是形状及位置。
4、纹理等重复结构：当人眼观察具有规律重复纹理的物体时，会产生立体感。如图1（d）
5、先验认知：长期的生活认知后，人们对认知程度比较高的物体，只需要观察到局部信息，就可以联想构建出完整的空间三维形状，从而形成立体感。如图1（e）
生理因素主要包括调节、辐辏、运动视差和双目视差，其中，双目视差是立体视觉的主要来源，也是咱们常规意义理解的“裸眼3D”的理论基础。生理因素相比心理因素，可以帮助人们获取更加准确和真实的深度感知。
1、调节：人眼通过睫状肌肉的收缩，改变晶状体的形状/弯曲度，进而改变屈光力/焦距，使不同距离物体在视网膜上形成清晰像，晶状体的状态（曲率半径、焦距）和距离（物距）的关系如下图。
2、辐辏：当双眼注视一个由远移近的物体时，双眼视轴向鼻侧汇聚的现象称为集合。反之，当双眼注视的物体由近移向远处时，双眼视轴向颞侧发散的现象称为发散，两者统称为辐辏。不同物体距离，其会聚角度θ会变化，大脑通过角度的变化就能判断物体的相对深度关系。如下图。
3、运动视差：当人眼在移动过程中观看三维场景中的物体时，在不同位置观看到的图像是有差异的，我们将此称为运动视差。距离人眼较近的物体，其在视网膜中所成像的移动速度较快，反之则速度较慢，大脑可以根据物体的相对移动速度来判断深度关系。
4、双目视差：人的两眼瞳孔在水平方向相距约60~65mm，当双眼注视一个物体时，左右眼视网膜上的两个影像存在细微的差异，即双目视差。当这两个投射到视网膜上的影像信息传递到大脑时，大脑会将这两个影像重叠在一起，消除畸变并感知物体的深度/远近与体积，这一过程称为人的“双眼立体视觉“。如下图。
第二部分
3D影像技术概述
3D影像技术，即三维立体影像技术，是一种能够呈现出立体三维空间的影像技术。它通过模拟人眼的视觉原理，利用双镜头相机或立体相机拍摄出具有视差的两幅图像，再通过特定的显示设备和放映设备将两幅图像呈现给观众，使观众感受到立体感和空间感。
3D影像技术可以分为裸眼3D和眼镜式3D两种类型。裸眼3D技术通过特殊的显示屏幕和光学处理，使观众无需佩戴眼镜即可看到立体影像。而眼镜式3D技术则需要观众佩戴特制的眼镜来观看立体影像。
在眼镜式3D技术中，可以细分出四种主要的类型：色差式、偏光式、主动快门式和头戴式。其中，偏光式3D技术的图像效果好，眼镜成本低，电影院多采用该类技术。偏光式3D是利用光线有“振动方向”的原理，把原始图像分为垂直向偏振光或水平向偏振光两组画面（side by side），借助3D偏光眼镜左右眼分别接收不同偏振方向的两组画面，再经过大脑合成立体影像。目前在眼科3D直视手术的设备中，基本都是采用偏振光式3D技术，其中，Alcon 3D NGENUITY采用水平向偏振光技术，ZEISS ARTEVO 800和爱博诺德 爱诺微4K3D采用垂直向偏振光技术。
手术画面（佩戴偏振光3D眼镜）
视频画面，影像模糊重影（直接手机拍照）
视频画面，图像清晰，无重影（手机摄像头前加偏光镜片）
裸眼3D技术是一项无需佩戴额外设备即可体验3D效果的技术。通常裸眼3D主要通过3D屏幕相关技术实现的，如光屏障式（Barrier）、柱状透镜(Lenticular Lens)技术、指向光源（Directional Backlight）和折角裸眼3D屏等。但目前尚不成熟，还存在视角范围小、图像易失真等问题。
第三部分
裸眼观看side by side（SBS）3D视频
在此，我想介绍的是如何利用普通屏播放SBS 3D 视频，获得3D效果。基本元素：SBS视频主要来源于水平向偏振光两组画面视频(电影原视频或3D手术视频)；观看屏幕为普通手机或笔记本/平板/台式电脑。
双目视差是产生3D的基础，SBS 3D视频就是人为产生两个画面，左边画面是用左眼看，右边画面是用右眼看。除了双目视差，由于是近距离观看，还与调节（晶状体变凸）、集合（双眼视轴向鼻侧汇聚）和瞳孔反应（缩小）相关，即与近反射相关。
以显示屏为基准面，根据双眼成像的位置，可分为正视差、零视差和负视差。
如上图，正视差：当目标物双眼聚焦在显示器的后面P1，称为正视差（入屏）；当目标物双眼聚焦在显示器上O点，称为零视差；当目标物双眼聚焦在显示器的前面P2，为负视差（出屏）。
如上图，双眼分别观看方框内左右圆环时，若采用平行注视（平行眼），立体物像会落在屏幕后方，看到的是小环向前凸，大环在底部的3D立体图像；反之，采用交叉注视（斗鸡眼），理论上立体物像会落在屏幕前方，看到的是小环向后突出，大环在前部的3D立体图像。（交叉注视笔者未验证）。
从3D视频制作的角度理解，出屏或入屏模式参考因素之一是屏幕的大小，电影院大屏幕可采用出屏模式，画面接近观众，立体感更震撼。对于电视、电脑或手机观看，入屏模式比较理想，3D效果好，眼睛不易疲劳。例如将上图的左右图互换，同样采用平行眼观察，可以看到小环向后凹，大环在前部的3D立体图像。如下图。
如前所述，在2个基本的元素（SBS视频+普通显示器）的前提下，通过平行注视绝大部分人是可以体验裸眼3D效果的。但还有其他细节，由于只有特定的双目视差在视网膜上形成特定的物像才能被大脑识别，这与双眼瞳距、近反射、双眼等大清晰物像/屈光不正矫正等因素相关，所以存在个体差异。对于近视伴老视的观众，看手机屏幕应摘掉近视镜看近，眼-屏距离在20～40cm左右，看14寸电脑屏幕常需戴近视镜，观看距离在70cm左右。单纯老视或远视的观众，屏幕越小，效果越差，可通过电脑屏幕观看，或戴老花镜观看手机屏。
简单的观看方法是：左右眼分别观看左右画面（平行注视），模糊至中间出现第三个画面时，就处于放松（调节）、迷离状态，关注中间第三个画面即3D效果画面。如下图，左右眼先分别看上方的左右两个红点，当两个红点汇聚成中间第三个红点时，中间红点下方的图像即为3D效果（柱子在房子前方）。
参考文献
戴正. 基于汇聚面对3D影像观影舒适性影响的研究[J]. 上海理工大学学报, 2015, 37(2): 174-179
