立體畫（Autostereogram）是一類特殊的圖畫，利用了人眼視覺特性，通過水平重復特定圖案讓觀眾產生錯覺，不需要專門設備就能使平面上的圖像呈現立體效果。
1844年蘇格蘭物理學家大衛·布魯斯特（David Brewster）發現，水平重復某一圖案，適當調節人眼視線的會聚點，使兩眼所見圖案相隔一個周期，便會產生立體視感。上世紀六十年代，匈牙利裔美國神經科學家Béla Julesz發明了隨機點立體圖（random dot stereogram），通過并置兩張圖片產生立體錯覺。奧地利藝術家Alfons Schilling發明了用單張圖片實現三維效果的方法，制作出最原始的立體畫。
Julesz的學生Christopher Tyler在Alfons Schilling的基礎上改進了立體畫的生成算法。九十年代初，美國程序員Tom Baccei和藝術家Cheri Smith創建了Magic Eye公司，制作并出售立體畫。Magic Eye對立體畫的生成程序和制作流程做了改良，使之成為更美觀易讀的彩色圖畫，讓立體畫成為了一種流行的藝術形式。
歷史
立體畫的誕生與人類對自身視覺的研究有緊密聯系。
1838年，英國物理學家查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）發明了體視鏡（stereoscope)，這是最早可以觀看3D立體圖像的裝置。他的裝置看似復雜龐大卻很有效，僅僅通過兩面轉軸傾角45度的反射鏡以及分擺在兩側的圖片，當人眼從正面直視反射鏡時，雙眼所看到的同一物體成像是不同的，從而產生三維的立體視覺感受。雖然立體鏡的主要目的是研究視覺，但也作為娛樂用品出售。
1844年，蘇格蘭物理家大衛·布魯斯特發現發現，水平重復某一圖案，適當調節人眼視線的會聚點，使兩眼所見圖案相隔一個周期，便會產生立體視感。這就是后世立體畫所運用的基本原理：墻紙效應。
由于體視鏡需要兩張幾乎相同的圖片，繪畫只有在較為簡單時才便于復制，難以使用更復雜的圖像，而隨著攝影技術發展，體視鏡也得以利用精細且便于復制的照片，這促成了體視鏡的流行。大衛·布魯斯特和美國醫生老奧利弗·溫德爾·霍姆斯（Oliver Wendell Holmes）分別于十九世紀五十年代和六十年代改進了體視鏡，使其更便于攜帶和觀察，在當時被廣泛用于日常娛樂和學校教學。
1960年，匈牙利裔美國神經科學家Béla Julesz發明了隨機點立體圖，用于研究人類視覺。隨機點立體圖由兩張隨機點陣列圖組成，觀眾會看見一個在畫面前方或后方懸浮的圖案。
在上世紀六七十年代，奧地利藝術家Alfons Schilling進行了一系列的立體圖像創作，但與Béla Julesz會面后對當時的計算機立體圖生成程序感到失望，他于1974年出版了名為“BINOCULARIS”的畫冊，其中出現了一種創作隨機點立體圖的新方法：幾行平行變化的窄豎條紋在水平方向排成一排，疊加成一個連續的立體圖像。這種單一圖像的立體圖不需要專門設備即可觀看。這種方法后來也被B. Julesz 的學生Christopher Tyler采用，他在此基礎上改進了立體圖的生成算法，以深度序列控制圖案重復周期，形成一個疏密不均、呈現立體效果的圖案序列。其后由英國科學家Harold Thimbleby提出了更加準確的模型。Christopher Tyler在1983 年將其命名為 "立體畫（Autostereogram）"。
上世紀九十年代初，美國程序員Tom Baccei和藝術家Cheri Smith合作，創建了Magic Eye公司，制作并出售立體畫。Magic Eye對立體畫的生成程序和制作流程做了改良，使之成為更美觀易讀的彩色圖畫。
1992年，Tom Baccei邀請他的前同事，程序員Bob Salitsky協助創建了一個更先進的軟件，簡化了立體畫的制作流程。Bob Salitsky對軟件進行了改進，不再使用隨機的黑白點，而是在圖像中加入 "Salitsky點 "（Salitsky Dots）——一種色彩豐富、不對稱的圓點，這些圓點的位置經過設計，可以使隱藏的圖像比原來的圖像稍微清晰一些。
制作立體畫時，Magic Eye的設計師首先要決定在圖像背景中隱藏什么形狀。邊緣清晰的簡單物體效果最好，如汽車、帆船和某些動物。然后，他們會創建一個灰度版本的形狀，這樣程序就能為其輪廓分配深度值。淺色區域表示距離較近的像素，深色區域表示距離較遠的像素。接下來，設計師會創建一種叫做 "starter strip”的東西，這是一列充滿彩色圖案的豎列，像偽裝一樣在隱藏的三維圖像上重復出現。Salitsky的軟件將二維圖案與灰度深度圖相結合，根據深度信息水平移動每個圖案條。為了讓三維形狀看起來更近，軟件會以更近的間隔重復起始圖案；為了讓部分形狀看起來更遠，他們會以更遠的距離重復圖案。重復圖案會重疊，給每只眼睛不同的深度提示，誘使大腦看到預期的三維錯覺。Magic Eye的立體畫在九十年代廣受歡迎，自此立體畫真正成為了一種流行的藝術形式。
原理
墻紙效應
在平面上水平重復畫某一圖案（例如墻紙），適當調節人眼視線的會聚點，使一只眼看到的圖案與另一只眼看到的圖案相隔一個周期時，便會在畫平面的“后面”看到另一個畫平面，由于它距離物理畫平面有一段距離，而使得人們感覺它象一個立體的平面，這就是所謂的“墻紙效應”。也即立體畫的基本原理。從外觀上看，立體畫象是一張普通的畫。有的立體畫布滿了某種圖案，而有的則被一些雜亂無章的隨機點所覆蓋。神奇的三維立體世界就藏于畫中。如果仔細觀察立體畫，就會發現立體畫表面的紋理是有周期性的。在每一條水平線上，總是重復某個特定的點序列。同時，重復周期有細微的變化，這會在每條水平線上形成凸凹不平的立體視感。當看整幅畫時，便會形成一個凸凹不平的三維輪廓構成的立體視感。簡單地講，立體畫的基本原理就是“墻紙效應”，最終的立體視感的形成則取決于人眼和人腦本身。立體畫不是“實在”的立體實物，而是人腦形成的虛象。
視覺模型
立體畫就是重復某一圖案所得的畫。圖1中，畫平面P上的點D1，D2?，Dn。代表等間距重復的同一圖案。L，R為人的左右兩眼，從L，R兩點出發，分別向D1一Dn。點做射線L1一Ln。和R1—Rn。，代表左右兩眼發出的視線束。可以看到，L1交R2于I1。點，L2交R3于I2點?，Ln-1交Rn于In-1點，這n-1個點I1一ln-1形成平面S1。由于I1一In-1中每一個點處，都有分別來自左眼L和右眼R的視線，所以人腦會在I1—In-1處形成虛象。并且，這些虛象都具有立體視感，它們形成立體畫平面S1。另外，R1交S1于I0點，Ln交S1于In點，這兩個象點都只有一條視線穿過，沒有來自另一只眼相對應的視線與之相交，所以沒有立體視感。
可以發現，L2與R1可交于I1’點，L3與R2可交于I2’點??，Ln與Rn-1。可交于In-1’點，這樣，點I1’和點In-1’在畫平面P前面也形成一個平面S1’。顯然S1’也具有立體視感。由于l1’點是Li+1與Ri的交點，是左眼看Di+1點與右眼看Di點時形成的虛象，這時兩眼的視線需要交叉，所以，這種視感叫交叉眼立體視感。而與之對應，S1則為非交叉立體視感。容易看出，在S1’之前還會形成S2’，S3’，?，它們是左右眼視圖相差大于一個周期時重疊而產生的視感。它們構成“交叉眼立體視區”。在S1之后，還有立體平面S2，S3，?，它們構成“非交叉眼立體視醫。一般的人使用非交叉眼的方法來看立體畫，所以，在設計立體畫時，通常將S1定為立體畫平面。這時，如果采用交叉法看，會看到S1’處的立體畫，只是其凸凹特性剛好與S1處看到的相反；同時，其它畫平面，如：S2，S3，?，S2’，S3’?，處也可以看出立體效果，但其畫的內容已經更迭多次，沒有觀看的意義。圖1中點的重復周期是相等的，即D1一Dn之間的間距相等。圖2則展示了重復點時周期不相等的情況。
圖2中，由于D1一D5之間的距離不相等，致使虛象點I1一I4不在同一平面上，而是I2，I3要比I1，I4高出來一些。這就產生了遠近距離感，即立體視感。精心地組織點的重復周期，就會形成所期望的高低不平的三維實體輪廓的立體視感。
制作
第一步是創建三維模型。可任意旋轉和編輯的三維模型在立體畫創作中有較好的適應性。隱藏的圖像可以是單詞、場景或復雜的三維模型，如蜘蛛俠或霍格沃茨城堡。本例中的隱藏藝術品是 "價值"（Value）一詞。
第二步是制作一個美觀且在技術上有效的二維豎列圖案，該圖案將決定立體畫最終的整體外觀和感覺。二維豎列圖案的尺寸由最終圖像尺寸決定。二維豎列圖案將重復出現，以形成最終的整體二維可見圖案，掩蓋隱藏的三維圖像。當二維可見圖案與三維隱藏圖像重疊時，就會出現變形。
最后，使用立體畫生成程序將隱藏的圖像與二維可見圖案相結合。完成后，當隱藏的單詞 "Value "出現在三維空間時，人們的主要注意力將集中在它上面。
觀看方法
觀看立體畫時，雙眼應聚焦于顯示器或印刷立體畫的后方。訓練方法包括：
方法1 在目標后方聚焦 - 在顯示器后方 30 厘米處放置一個你能看到的東西。將視線集中在它上面幾秒鐘，然后將視線移到立體圖上。如果你在立體圖上看不到深度，就晃動你的眼睛，將注意力集中到顯示器后方。再重復一次，試著集中2秒鐘的注意力看向顯示器后方，再看1秒鐘的立體畫。
方法2 轉移眼睛焦點 - 將你的頭移到離立體圖像很近的地方，只有幾厘米或幾英寸。在這個距離上，你的眼睛無法聚焦。試著將注意力集中到遠處，然后慢慢將頭后移。在大約 30 厘米/11 英寸的距離內，你可以開始看到立體圖的深度。
可能需要幾分鐘的時間才能訓練眼睛聚焦到立體畫后方，看到隱藏的立體圖像。
延伸鏈接
參考資料 >
立體畫的原理與生成技術.萬方數據.2023-09-19
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