硕士学位论文-立体显示性能测试及评估方法研究.pdf

东南大学 硕士学位论文 立体显示性能测试及评估方法研究 姓名：刘伟 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：尹涵春 20080408 摘要 研究表明，尽管人们对客观世界的感觉方式有多种，但通过视觉所能获取的信息量远远超过了 通过其他方式所能获取的信息量；而且视觉可以产生物体的深度感，即提供物体的三维信息。长久 以来，人们就非常希望记录和重现三维客观世界的视频图像，但除了静止的雕塑以外，这种愿望一 直因为缺乏有效的手段而未能很好实现。 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种立体显示技术也蓬勃地发展起来了，如全息式、体 积式、视差图像式等，其中以视差图像式技术最为简单，所以发展最快，已经有产品进入市场。而 在各种具体的视差图像式显示技术中，发展最快的是可以和当前的平面显示技术兼容的立体显示技 术，由于不需要戴眼镜，被称为自动立体显示技术。其结构主要有视差栅栏、透镜阵列等。 由于立体显示处于新兴阶段，各种技术还不够成熟，因此出现了各种各样的问题，影响了立体 显示器的商业化进程。主要的问题有：对于左右眼图像的分离做得不够完善，产生了串扰现象；人 们观看立体显示器时与平时观看物体时的环境和视觉机理并不完全相同，即立体显示技术引起了某 些反自然的观看条件，使人们在观看立体显示器时产生了各种不舒适的感觉，主要是视疲劳现象。 目前，国际上对立体显示存在的各种技术上的客观问题和视觉感知的主观问题已经有了很多研究， 但由于立体显示技术多种多样，并且属于新兴技术，所以各种研究并不完善，甚至对一些因素没有 标准的定义。本文将在对国际上的各种研究做出总结的基础上，研究立体显示器存在的几个重要的 主观因素和客观因素。具体来说主要是串扰现象和视疲劳现象。在对串扰现象的研究中，对液晶显 示器的象素串扰做了详细地研究，并在此基础上提出了三维串扰的定义和计算方法，并且提出了一 种全新的通过主观实验米测量串扰的方法。在对视疲劳的研究中，主要研究了双目视差和视疲劳的 关系，考虑人眼的调节作用和会聚作用之间的冲突，分析了它和双目视差的关系，最后通过主观实 验研究了这两个因素对视疲劳的影响和区别。 关键词：立体显示、视差栅栏、串扰、视疲劳、双目视差 东南人学硕士学位论文 a bs t r a c t r e s e a r c hs h o w st h a t d e s p i t et h e r ea r eav a r i e t yo fw a y sf o rh u m a nt og e tt h ea p p e r c e p t i o no f t h eo b j e c t i v ew o r l d t h ei n f o r m a t i o nc o m ef r o mv i s u a ia c c e s st of a re x c e e dt h ei n f o r m a t i o n t h r o u g ho t h e rm e a n s ：b yt h a tp e o p l ec a np r o d u c ev i s u a is e n s e o ft h ed e p t ho fo b j e c t sa n dp r o v i d e 3 di n f o r m a t i o n ，s i n c eai o n et i m e s 。p e o p l ev e r ym u c hh o p et or e c o r da n dr e p r o d u c et h e o b j e c t i v ew o r l di nt h r e e d i m e n s i o n a l ，e s p e c i a l l yf o rv i d e om a t e r i a l ，b u tb e s i d e st h es t i l is c u l p t u r e ， t h i sc a nn o tb e a c h i e v e db e c a u s et h ei a c ko fe f f e c t i v em e a n s 1 nr e c e n ty e a r s 。w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , v a r i o u so fs t e r e o s c o p i c d i s p l a yt e c h n o l o g ya r eb o o m i n gd e v e l o p i n gt o o ，s u c ha sb yh o l o g r o p h y , b yv o l u m e t r i ca n db y p a r a l l a xi m a g e s ，i nw h i c ht h ep a r a l l a xi m a g e si st h es i m p l e s t ，t h em o s te x p r e s so n ea n dt h e r ea r e p r o d u c t se n t e rt h em a r k e t 1 nav a r i e t yo fs p e c i f i ct e c h n o l o g yo fp a r a l l a xi m a g e sd i s p l a y ，t h e g r o w i n gf a s t e s ti st h et h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yt e c h n o l o g yt h a tc a nc o m p a t i b l ew i t ht h ec u r r e n t f l a tp a n e ld i s p l a yt e c h n o l o g i e s ，b e c a u s en og l a s s e sn e e d ，k n o w na sa u t os t e r e o s c o p i cd i s p l a y t e c h n o l o g y m a i n l ys t r u c t u r ea r ew i t hp a r a l l a xb a r r i e ro rw i t hi e n sa r r a y ( e n t i c u l a r ) ih es t e r e o s c o d i cd i s p i a yi sl nan e ws t a g e 。i t st e c h n o i o10 tm t n e r eareqysna t u r ey e th e n c e a1 0 to fp r o b l e m s t h a ta f f e c tt h ec o m m e r c i a l i z a t i o np r o c e s s t h em a i np r o b l e m sa r e ：i nt h i sd i s p l a y t e c h n o l o g y t h ei m a g e sf o ri e f ta n dr i g h te y e sa r en o tb e e ns e p a r a t e de n o u g h ，s 0t h ec r o s s t a l k p h e n o m e n o na p p e a r e d ih i sm e a n sad 1 1 1 e r e n c ei nv i s u a im e c n a n i s mw n e np e o p l ew a t c ht n e t h r e e d i m e n s i o n a iv i e w i n gb yt h ed i s p l a yf r o mt h a to fn a t u r eo b j e c t s ，t h ee n v i r o n m e n ta n dv i s u a i m e c h a n i s mi sn o te x a c t l y 们es a m e 。a n dt n r e e d i m e n s i o n a id i s p l a yt e c h n o i o g ya r o u s e ds o m e a n t i - n a t u r a iv i e w i n ac o n d i t i o n s m a k e sp e o p l et e e l i n gav i s u a if a t i g u ea n dv a n e t yu n c o m f o r t a b l e a tp r e s e n t al o to fs t u d i e sa l r e a d yd o n ef o rt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yt e c h n o l o g yo nt h e e x i s t e n c eo fo b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v ei s s u e s j e t h ep r o b l e m sb o t hc o m ef r o mt e c h n o l o g ya n d f r o mv i s u a ip e r c e p t i o n h o w e v e rd u et ot h ev a r i e t yo ft h i st e c h n o l o g y , a n di ti si m m a t u r e ，s ot h e r e s e a r c hi si m m a t u r et o o s o m eo ft h ef a c t o r sh a v en os t a n d a r dd e f i n i t i o n s b a s e do nt h e s u m m a r yo fe x i s t e n tr e s e a r c h t h es t u d yo fs e v e r a ii m p o r t a n tf a c t o r so ft h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y s i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r m a i n l yt h ep e r c e p t u r es u b j e c t i v ef a c t o r sa n dt e c h n o l o g i co b j e c t i v e f a c t o r so ft h r e e d i m e n s i o n a id i s p l a y s t h e ya r ec r o s s t a l kp h e n o m e n o na n dv i s u a lf a t i g u e i nt h e s t u d yo fc r o s s t a l kp h e n o m e n o n ，t h el c dp i x e l s c r o s s t a l ka r es t u d i e di nd e t a i l ，b a s e do ni t 。 p r o p o s e dt h ed e f i n i t i o n o fc r o s s t a l ka n dac a l c u l a t i o nm e t h o df o ri t p r o p o s e dan e ws u b j e c t i v e e x p e r i m e n tm e t h o dt om e a s u r et h ec r o s s t a l k i nt h es t u d yo ff a t i g u e t h ew o r kl sm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h er e l a t i o n s h i po fb i n o c u l a rd i s p a r i t ya n dv i s u a if a t i g u e f i r s tc o n s i d e ra b o u tt h e c o n f l i c tb e t w e e nt h ea c c o m m o d a t i o na n dc o n v e r g e n c eo fe y e s 。t h e na n a l y s e st h ee f f e c to fi tt o b i n o c u l a rd i s p a r i t y 。f i n a l l yb yt h es u b j e c t i v ee x p e r i m e n tt os t u d yt h ej n f l u e n c eo ft h e s et w of a c t o r s t ov i s u a lf a t i g u ea n dt h e i rd i s t i n c t i o n k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y s ，p a r a l l a xb a r r i e r , c r o s s t a l k ，v i s u a lf a t i g u e ，b i n o c u l a r d i s p a r i t y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生徘半翩躲丝日期纠午矿 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 立体显示器性能测试及评估方法研究的背景和意义 目前，电子立体显示技术结合计算机技术已迅速蓬勃地发展起来。由于电子立体显示技术与标 准的视频系统及多媒体计算机系统兼容，因而在立体电视、录像、电子游戏、各种科学三维目视观 察、医疗成像、摄影测绘、航空飞行训练模拟、分子模拟研究、建筑设计显示和各种计算机辅助设 计上获得了广泛的应用。 当前的立体显示技术主要有全息式( h o l o g r o p h i ct y p e ) 、体积式( v o l u m e t r i ct y p e ) 、视差图 像式( p a r a l l a xi m a g e s ) 等埋，其中前两种技术在理论上可以呈现真实的立体像，但目前存在很 多技术限制，仍处于研究阶段。 视差图像式由于其简单易行的特点近年来发展很快，很多发达国家已经制作了这种类型的显示 器并投放市场，在医学、广告、游戏等方面应用广泛，并且达到了较好的效果。视差图像式三维显 示器又分很多具体的实现方法，但无论哪种方法，目前都遇到了各种各样的问题。在应用方面主要 遇到了观看舒适度、图像立体感和视疲劳等问题，来自于多种客观因素，如串扰( c r o s s t a l k ) 、调节 作用( a c c o m m o d a t i o n ) 和会聚作用( v e r g e n c e ) 之间的冲突、过大的双目视差( b i n o c u l a r d i s p a r i t y ) 等。其中某些因素是由视差图像式显示器的特殊结构引起的，是不可避免的，某些因素是可以采用 新方法消除的。由于立体显示属于新兴科技，各种技术还不完善，因此有很高的提升空间和很大的 研究意义。我们将通过视觉感知和客观测量实验等方法分析现阶段存在的一些问题，为视差图像式 显示器的发展和制造提供理论支持。 1 2 国内外本课题的研究现状 针对视差图像式显示器存在的各种问题，国外目前已经对其串扰特性和其他感知性质做了大量的研 究，如：串扰的多少对图像失真、视疲劳和感知深度等其他观看效果的影响吲；单眼图像失真( d is t o r t i o n ) 和双眼图像失真的关系：调节作用和会聚作用的冲突的来源和由此产生的问题分析【3 】；图像视差的大小与 双眼融合( f u s e ) 和观看舒适度的关系：双眼图像差异过大时会产生双眼竞争( b i n o c u l a rr i v a l r y ) 现 裂4 j ；调节作用和会聚作用之间的联系网：双眼视差、图像质量、图像自然度、视疲劳之间的关系【6 1 ；观看 时间对图像质量和自然度的影响【7 】；观看时间对视疲劳的影响【8 】1 9 】；夏普欧洲实验室利用菲涅尔衍射讨论串 扰、窗体( w i n d o ws t r u c t u r e ) 、白光变化【l o 】等。但还没有人专门对串扰做出标准定义，也没有人很全面 的把图像和显示器的客观特性与人的主观评价联系起来。 目前国内基本没有立体显示器的视觉感知这方面的研究。只有本实验室正在与菲利普合作研究 视差栅栏型显示器的串扰特性。 总之，目前的立体显示器存在各种各样的问题，进一步对串扰等客观特性进行研究并与主观评价联系 起来，从而为立体显示器的发展提供理论基础是当务之急。 1 3 本文的主要研究内容及其章节安排 1 3 1 本文的主要研究内容 立体图像的最终受体是屏幕前的人，其质量好坏是由人们对图像的视觉感受决定的。所以立体 图像质量以人自身对图像评价为最准确的。例如：主观质量评分法( m o s ) 就是通过对观察者的评分归 一化来判断图像质量。但是，主观评价方法无法应用数学模型进行描述，在工程应用中不但费时费 力，而且很多情况下根本无法采用。一般情况下，人们希望能够用客观的，可定量分析的数学模型 表达出人们对图像的这种主观感受。因此，视差图像式显示器可以从客观特性和主观特性两个方面 东南大学硕士学位论文 进行研究，并最终把两方面联系起来。 视差图像式显示器特有的客观因素包括：串扰、图像视差、观看时间等。主观因素包括：图像 质量、图像自然度、深度、视疲劳、图像扭曲等。其中客观因素中，串扰是立体显示器的特有现象； 主观因素中视疲劳是当前观看立体显示器时遇到的最重要问题，这两个因素都具有很高的研究价值。 本论文主要的研究工作如下： ( 1 ) 对串扰特性进行专门的研究，其中涉及到串扰的定义，实验中发现的屏幕本身自带的象素 串扰的存在，随后通过光谱测量法研究了象素串扰的特性，并由此得到立体显示技术自身引起的三 维串扰。并提出了一种新颖的通过主观实验来测量串扰大小的方法。 ( 2 ) 对其他文献涉及到的各客观特性和各主观特性之间的影响进行综合分析，提取出其中最主 要的关系就是视差和视疲劳的关系，然后把调节作用和会聚作用之间的冲突和双目视差分别考虑， 最后通过主观实验研究了这两个因素对视疲劳的影响。 1 3 2 本文的结构安排 首先在第一章介绍立体显示器性能测试及评估方法研究的背景和意义以及国内外的研究现状； 第二章介绍人眼的三维视觉系统、立体显示技术的发展概况、当前立体显示技术存在的主要问题； 第三章对视差图像式显示器的串扰特性进行专门的研究；第四章讨论观看立体显示器时的最重要主 观特性视疲劳。 2 第二章立体显示基本介绍 第二章立体显示基本介绍 2 1 人眼的三维视觉系统 观察和感知到三维图像的主要机制是依靠双眼所看到的图像之间的视差。左右眼分别看到的图 像在大脑中经过一种叫做立体观测( s t e r e o p s i s ) 的处理过程融合而产生深度感【l 。 深度感和运动感在人的视觉系统中是不可分割的，分别用来判断距离和速度。为了向立体显示 器的观察者呈现出逼真的立体图像，必须从生理和心理两方面进行考虑l l 引。 在人眼视觉系统处理图像的过程中，有很多暗示都对产生深度感有帮助： 1 ) 单眼深度暗示： 在二维平面图像中，有很多中暗示对产生立体感有帮助。 光和阴影( s h a d m g ) ：从太阳或其他光源发出的光所产生的阴影会改变场景中物体的深度 感。物体上光亮部分和阴影部分的适当分布可以增强立体感。因此，利用添加阴影的方法可使 二维图形产生三维的感觉。 遮挡( o c c l u s i o n s ) ：当一个物体遮挡了场景中的另一个物体，或一个物体相对于背景做运 动，或物体本身的一部分遮挡了另一部分时，这种暗示就会产生深度感。 相对大小( r e l a t i v es i z e ) ：当两个或多个同样的物体呈现在同一个场景中时，前面的物 体看起来要比后面的物体大。人眼的视觉系统一般认为物体是相同尺寸的，小的物体肯定远。 同样的，人眼的视觉系统对物体的尺寸有记忆效果，尺寸的变化会被认为是距观察者距离的变 化。另外，如果两个人们本来认为差异很大的物体，看起来是相同尺寸的，那么人眼的视觉系 统就会认为应该小的物体是距离近的l l 引。 空气透视：观看远处弥漫着烟雾的风景照片时，会有一种强烈的深度感觉。这是由于空气 中的微粒对光的散射和吸收使景物的对比度随着距离增大而下降产生的。 线性透视：当景物中包含如走廊、轨道等平行线成分时，看起来这些平行线将会聚于视线 远方的某一点。基于这一现象的绘图法称为透视法。透视法是在平面上表现远近感的最有效的 方法。在绘画艺术中被广泛采用。实际上，线性透视是视线方向上平行线上对应两点随着视距 的增大，在视网膜上所成像点的距离线性减小的结果。 纹理紧凑( t e x t u r eg r a d i e n t ) ：物体离观察者较远时，其表面的纹理看起来会更加的紧 凑，这和远景扭曲效果相似。 亮度和颜色( b r i g h t n e s sa n dc o l o r ) 1 3 】：在普通的平面显示器上并排显示两个具有较大 亮度差异和颜色差异的字母，可以很明显的感觉到它们深度的不同。 调节( a c c o m m o d a t i o n ) ： 观看距离不同的物体时，为使物体在视网膜上成像，人眼通过 改变睫状肌的张弛程度来改变眼球晶状体的曲率，从而使晶状体凸透镜的焦距变化，达到视网 膜上清晰成像。因此，睫状肌的张弛程度与物体离开入眼的距离有关。大脑根据睫状肌的张弛 程度即可感知物体的绝对距离。这种为使被观看物体在视网膜上成像，人眼睫状肌张弛状态所 作的变化称为调节。调节是一种生理过程，这一因素单独起作用时，距离超过5 米就失效了。 单眼运动视差：当观看者或被观看对象运动时，由于视线方向的连续变化，单眼的视网膜 成像位置也不断变化，这样，通过时间顺序的比较而形成立体视觉。利用观看者与物体间的相 对运动使空间物体的相互位置变化，从而判断物体之间前后位置关系，相当于连续地从几个方 向观看景物，类似用几只眼睛观看的情况。单眼运动视差这一因素形成立体视觉的有效距离为 3 0 0 米以内。运动视差是一种随时间变化的单眼暗示，需要几幅图像一起来产生深度感。 视野：人眼的视野很宽，水平方向约2 2 0 度，垂直方向约1 3 0 度，成一椭圆形。但在通常的 显示方式中，画框均在视野中，因此缺乏立体视觉的身临其境感。为此，增大画面或者使画框 不清楚，可以增强立体感。例如，宽银幕电影的立体感就比窄银幕的强，而全景电影由于没有 画框，立体感更强。 以上所叙述的所有单眼深度暗示中，只有调节和单眼运动视差，与人眼生理活动有关，其余的 都具有很强的心理和经验因素。尽管如此，在绘画、摄影、普通电影和电视技术中仍普遍利用这些 3 东南大学硕士学位论文 单眼深度暗示因素表现图像的立体感。 2 ) 双眼深度暗示： 主要是会聚角差异( v e r g e n c e ) 和双眼视差。为了使双眼会聚在物体上时，双眼必须都向中心 旋转一定的角度，一般用双眼与物体连线之间的夹角地变化来衡量这种旋转，名为会聚角差异。不 同深度的物体与双眼所呈的会聚角是不同的，人眼视觉系统由此来判断不同物体的深度差异，见图 2 1 。双眼观看同一个场景时，左右眼的视网膜平面上会同时呈现两幅略有差异的映像，对于场景中 的某一点，在两幅映像中的映射点有一定的距离，这种差异就叫做双眼视差，见图2 2 。 调节作用和会聚作用之间的冲突( a c c o m m o d a t i o n v e r g e n c ec o n f l i c t ) 会减小这种双眼视差 产生的效果。调节作用即眼睛随物体距离的远近而不停的调节焦距，而使眼睛聚焦在物体上。会聚 作用即双眼都聚焦在物体上，从而双眼与物体的连线有一个夹角，远近不同的物体产生的夹角也不 同。人们在普通情况下观看物体时，双眼聚焦在被注视的物体上，其会聚角和眼睛的焦距都随物体 的距离变化而变化。也就是说调节作用和会聚作用是人眼视觉系统中互相配合的两种机制。但对于 平面型立体显示器来说，所有的图像都只能显示在屏幕这一个平面上，观察者的眼睛总是趋向于聚 焦在虚拟物体上，以便产生恰当的会聚角来体验显示器所呈现的有深度感的物体，但在这种情况下 却只能聚焦在屏幕平面上，从而产生了这种调节作用和会聚作用的冲突。在以后的章节中将对这种 冲突做进一步的讨论。 l 、 l 、 会聚角、 l i、 、 i 、 l 、 oo 左眼 右眼 图2 - 1 同一场景中不同点的会聚角变化 4 第二章立体显示基本介绍 左眼映像右眼映像 水平视差 图2 2 箱状物体边线的水平视差 上述的单眼和双眼的深度暗示都对产生立体感有贡献，具有较多深度暗示的图像比那些暗示较 少的图像更容易感知出深度。从以上双眼深度暗示的机理可知，双眼视差和会聚角差异是人眼立体 视觉的生理因素，是以人眼的生理活动为基础的，而不像单眼深度暗示中含有很多的经验因素。 单眼深度暗示和双眼深度暗示的各种立体视觉因素都具有各自的分辨精度和有效距离。距离不 同时，各种深度暗示因素对人眼立体视觉的贡献不同。单眼深度暗示中的调节在离眼很近的距离内 起作用，观看距离超过2 3 米的景物时，对立体视觉的贡献就很微弱了。观看远处景物，如距离超 过1 0 0 0 米时，大视野和空气透视成为形成立体视觉的主要因素，在几百米以内的近距离，单眼运动 视差和双眼视差是立体视觉的主要因素。其中，单眼运动视差对立体感的作用与运动速度有关，产 生最强立体感的角速度也因人而异，大约为几度到十度秒。在2 5 0 米以内，双眼视差是形成立体视 觉的最重要的因素。 3 ) 立体假像( s t e r e o s c o p i ca r t e f a c t s ) ： 观看立体显示器时，有时会看到某些假像，他们有的是设计的需要或必然存在的，也有些是不 小心产生的，会降低深度效果。 复视( d i p l o p i a ) ：当水平视差过大时，视觉系统不能融合左右眼的图像；观察者只能感受 到没有深度感的两幅图像，这是图像源的设置不合理造成的。 边缘遮挡( f r a m ec a n c e l l a t i o n ) ：当立体图像中的某个物体具有靠近( f o r w a r d ) 的深度， 即在显示器之前，浮现于显示器和观察者之间时，在显示这个物体时，不能让它太靠近显示 器的边缘。因为它有可能被显示器的边缘部位所遮挡，与前面所说的单眼暗示中的遮挡暗示 冲突，即离观察者远的物体不应该被离观察者近的物体遮挡。 纸板效果( c a r d b o a r de f f e c t ) ：是一种现象，具有不同深度的物体在观察者看来却像一个 平面，就像在一张纸上画出来似的，在某些具有较低分辨率的立体显示器上更加明显。 2 2 立体显示技术简介 无论是在科学上还是娱乐上，立体显示永远具有强烈的吸引力。三维显示技术早在1 5 0 年前就 开始发展。1 8 5 0 1 9 3 0 年，布鲁斯特( b r e w s t e r ) 发明的体视镜( s t e r e o s c o p e ) 取得了商业上的 成功。1 9 4 0 1 9 5 0 年，一种称为v i e w - m a s t e r 的体视镜称为更受欢迎的产品，然后立体电影和初期 的立体电视开始进入人们的生活。目前，电子三维显示技术结合计算机技术已经迅速蓬勃的发展起 来。由于电子三维显示技术与标准的视频系统及多媒体计算机系统兼容，因而在立体电视、录像、 电子游戏、各种科学三维目视观察、医疗成像、摄影测绘、航空飞行训练模拟、分子模拟研究、建 5 东南大学硕士学位论文 筑设计显示和各种计算机辅助设计上获得了广泛的应用。尤其是在特殊环境下的远距离遥控，例如 水下、空间、有毒或核污染环境下，立体视觉更是不可缺少。电子三维图像的产生一般要经过下列 三个步骤：( 1 ) 三维像源：( 2 ) 三维图像的信号处理与传输系统：( 3 ) 三维像显示系统。数字化在 图像处理和视频信号压缩上的应用和硬件成本的不断下降，大大推进了上述三个步骤的发展。 立体显示的过程就是模拟人眼的立体视觉形成的过程。根据人的立体视觉原理，实现人工立体 视觉必须具备以下三个条件：首先，所观察的两幅影像必须有一定的左右视差：其次，左右两眼必须 分别观察左右各一幅图像，即实现左右分像；最后，两幅影像所放置的位置必须使相应视线成对相 交。根据投影面、人眼以及观察对象之间的相对位置，可有零视差、负视差、正视差和发散视差之 分。 立体显示技术从原理上说通常分为三类：全息式( h o l o g r o p h i ct y p e ) 、体积式( v o l u m e t r i c t y p e ) 、视差图像式( p a r a l l a xi m a g e s ) 【l 】【2 1 1 。其中全息式和体积式能产生真实的立体像，观察者 不需要戴眼睛和其他辅助的光学设备就可以看到，因而都属于自动立体显示( a u t o s t e r e o s c o p i c ) 。 电子全息术利用激光相干特性原理，经过适当处理得到的全息图不同于传统二维图像，而是原物体 准确的再现。这种技术要求很高的分辨率、很宽的信号传输带宽和巨大的信息存储量。目前这个具 有挑战性的技术仍处于研究阶段；体积式是将一个透明整体分成很多平面层，利用快速振动或结合 计算机控制，将这些平面( x ，y ) 在z 方向逐一显示出来，再由眼睛将它们混合复原成为一个整体的 空间实像。该技术可涉及内部结构，因而可用于医疗成像、流体动力学、气象分析乃至机场交通控 制等方面。 视差图像式是目前最重要和通常使用的立体显示技术。从原理上讲，立体像对是模拟人的双眼 所看到的图像。由于人的两只眼睛之间有水平视差，分别看到的景物略有差异，形成了所谓双目视 差，这样在大脑中就会产生深度的感觉。当立体像对分别呈现给左右眼的时候，眼睛看到了具有视 差的两个图像，并由大脑将它们混合起来，重现了具有纵向深度的三维空间。视差图像式显示技术 又有多种具体的实现方法，其中包含戴眼镜类( s t e r e o s c o p i c ) 和自动立体显示类。 早期的商品化立体显示是由美国s t e r e og r a p h i c 公司采用场顺序制作将左右眼图像在时间上交替 的呈现在c r t 屏幕上完成的【1 4 1 。观察者必须戴上具有液晶快门的眼镜去观看立体像。左右眼镜液晶 快门的开与关是与视频信号同步的，这样左右眼将只能分别看到相应的图像。显示系统工作在1 2 0 h z ， 避免了图像的闪烁。眼镜的这种工作状态成为“主动的”。另一种技术是美国t e k t r o n i x 公司开发的【i 引。 他们将一块大面积液晶开关板放在c r t 屏幕前面。这种液晶开关板实际上是一个偏振光学组合系统， 叫做兀盒。在开或关的位置上，图像出射光的偏振方向相差9 0 。，并和场频同步地交替变化。三维 信息被分解为左右眼图像，并以相互垂直地光偏振方向送出。观察者只需戴一对偏振方向相互垂直 地偏振片眼镜即可看到合成复现地立体像。这种工作方式称为“被动的”。与早期的立体电影相似。 这种偏振片眼镜比以前一种液晶快门眼镜在使用上轻便地多。但大面积地兀盒却昂贵地多。由于以 上两种显示系统地左右眼图像是在时间上交替出现地，所以成为分时立体显示。对于工作在5 0 - - 一6 0 h z 地场扫描电视机来说，图像闪烁( 2 5 “ - 3 0 h z ) 是一个问题。解决这一问题地一个古老方法是将左右 眼地图像处理成同时呈现地红、绿颜色地图像，观察者戴上红、绿滤光片眼镜就可以看到立体像。 这个办法往往会使眼镜很快疲劳，现多用于一些特殊目的，例如仪器显示说明等。 头盔式立体显示是同时显示技术地一个发展方向。它是将两个小型显示器分别放在左、右眼睛 的前面，并在中间置入起放大镜作用的光学透镜组以增加视场角。这样左右眼就能同时看到放大了 的互补干扰的图像，然后由大脑将两个图像混合成立体景物。早期产品采用的是袖珍式c r t 管，目 前则以小液晶显示器为发展方向。对头盔式显示器的要求是高分辨率和大视场。足够高的分辨率和 大的视场图像显示加上立体声耳机的音响，对于使用者会产生一种奇特的效果：使用者仿佛完全沉 浸在图像的环境之中，这种效果称为“虚拟真实”( v i r t u a lr e a l i t y ) 。美国v m u a l i 0 公司推出的商品 采用了两个0 7 i n 的彩色液晶显示器，每个显示器具有1 8 0 0 0 0 个像点，视场角为3 0 。有意思的是美 国c a b l et r o n 和s t r a y - i i g h t 公司合作创立了“虚拟剧院”【1 6 1 ，将头盔显示技术应用于贸易和商品的 推销表演。该“剧院”不是向观众递送图片，而是利用立体显示将观众带进产品的“内部”。 刚刚所介绍的立体显示技术都需要戴眼镜等附属设备。市场调查表明，人们是喜爱立体图像的， 但希望不要戴眼镜或其他附属设备去看。实现能被消费者真正接纳并应用的立体显示器是显示器研 发者长久以来的梦想。目前来说，这种立体显示器应该具备以下几个特征1 1 7 j ： 1 应该属于自动立体显示类，即观看者不需要带眼镜等附属设备。 2 可以自由地在二维三维( 2 d 3 d ) 显示模式间转换，即能够实现立体显示的同时，也能实现 普通的二维图像显示。 3 这种立体显示技术应该能够和目前主流的显示技术兼容，如等离子显示( p d p ) 、液晶显示( l c d ) 等，即应该能利用这些技术或在其基础上添加某些结构部件来实现立体显示。 6 第二章立体显示基本介绍 目前只有视差图像式技术中的自动立体显示类产品进入了市场并实现了以上3 个要求，又分为几 个具体的实现技术： 视差照明技术( p a r a l l a xi l l u m i n a t i o n ) ： 视差照明技术是美国d t i ( d i m e n s i o n t e c h n o l o g i e si n c ) 公司的专利技术。也是自动立体显示领 域研究较早、当前较为成熟的技术之一。 d t i 公司从上世纪8 0 年代中期开始一直进行立体显示技术的研究，早在1 9 9 0 年，d t i 就引入了第 一套p c 兼容的自动立体显示产品。1 9 9 0 年的s p i e 会议上介绍了一种被称作d t l l 0 0 m 的l c d 平板黑白 v g a 显示器。2 0 世纪9 0 年代中期，d t i 公司开始向美国国家宇宙航天局( n a s a ) 、美国军方销售立 体显示器，标志着立体显示器正式进入军事应用领域。1 9 9 3 年的d t i 公司向美国w r i g h t p a t t e m s o n 空 军基地提供适合坐舱的自动立体显示，用在下一代高级坐舱( a d v a n c e dc o c k p i to f t h ef u t u r e ) 项目 的模拟器中，并为n a s a 设计制造全息型的立体显示器。l9 9 8 年n a s a 在v i r t u a lc l i n i c 项目中使用d t i 公司的1 8 i n c h 直视型自动立体显示器2 0 1 8 x l s 。2 0 0 0 年美国海军要求d t i 研究高分辨率的自动立体显 示技术，用于飞行模拟器。 d t i 公司的立体显示器采用的是被称作视差照明的基本光学技术，这是一种结构简单，易于操作， 不易产生大的失真的立体图像技术，该技术的实现方法是在普通平面液晶显示器的基础上增加可控 式狭缝光栅、栅型聚光膜、可接受与处理体图图像信息的视频电路。将l c d 置于某特定照明板前的 一定距离内，照明板产生大量窄的亮的，中间以黑带平均间隔排列的竖直光源。图2 3 所示为视差照 明l c d 自动立体显示，每个线光源照亮两列象素，由于线光源间有间隙，因此位于显示器前的平均 视觉距离的观察者的左右眼分别透过偶、奇数列象素能够观察到所有的线光源。 左眼右眼 图2 3 视差照明自动立体显示器 当象素从背面被照亮时，观察者的左眼只能看见偶数列象素上的信息，右眼只能看到奇数列象 素上的信息。如果将一个立体图片对的左眼视觉图像呈现在偶数列上，同时将右眼视觉图像呈现在 奇数列上，那么观察者将会感知到物体的深度信息。 视差栅栏式( p a r a l l a xb a r r i e r ) l 墙j ： 夏普欧洲实验室( s h a r pl a b o r a t o r i e so fe u r o p e ) 于1 9 9 2 年开始l c d 自动立体显示器的研究， 1 9 9 4 年该实验室退推出第一款基于视差栅栏技术的单屏自动立体显示器，这种显示器只能使单个用 户从特定的位置观看，并且只能显示立体图像。1 9 9 7 年夏普公司分别研制出8 4 i n c h 和1 3 8 i n c h 可 二维- - 维转换的显示器，但是必须通过一种机械方法才能实现模式上的转换。直到2 0 0 1 年底，该 公司第一台真正意义上的二绀三维转换的l c d 自动立体显示器研制成功，实现了由电路自由地进 行显示模式之间地转换。 夏普公司研发的l c d 自动立体显示器，利用在显示屏前或屏后加一层液晶制视差栅栏来产生立 体像对。如图2 _ 4 所示，视差栅栏被放置在贴近屏的位置，其本身可分为屏障和缝隙( 透光部分) 两部分。显示屏上各象素交替的显示左右图像，左眼的图像可以通过缝隙传到左眼，却被屏障挡住 不能传到右眼，右眼的图像也是同样的只能传到左眼。从而使立体像对分别被双眼看到，使观察者 产生立体感。将视察栅栏的液晶开关关掉，就可以显示普通的二维图像。 视差栅栏式的主要的优点是便于二维和三维显示模式间的转换，通过栅栏的关闭和打开很容易 做到这一点；另外，由于其屏幕和栅栏都可以采用液晶技术制作，技术成熟，价格也有优势。缺点 7 东南大学硕士学位论文 是栅栏的遮挡使得显示器的亮度降低( 约为无栅栏时屏幕亮度的3 0 ) 【1 0 】：另外，屏幕的水平分辨 率也由于整屏图像被分为左右眼两部分而降低到了原来的二分之一，垂直分辨率不变。 一一” ln u 右眼象素 _ _ _ _ 视差栅栏 图2 _ 4 视差栅栏式立体显示原理 o 右眼 o 左眼 透镜阵列式( 1 x m t i c u l a r ) t 憎j ： 透镜阵列式主要是( p h i l i p s ) 公司采用的技术，该公司的技术路线是基于传统的柱透镜立体成 像的方法，这种显示器是在普通显示器的表面前加上一块透明的具有柱透镜阵列的光栅板，液晶象 素平面恰好位于柱透镜阵列的焦平面上。如图2 5 所示。每一列透镜都至少要对应两个液晶阵列。 经过子象素( s u b - p i x e l ) 发出的光线通过透镜阵列射出，向各个方向投影子象素，将会在显示 器前方形成一排分离的左右眼的视域，从不同方向观察屏幕，就会看到具有视差的不同的子象素， 产生立体感。 当透镜阵列向各个方向投影子象素时，实际上是将子象素放大，同时也放大了子象素之间的间 隙，这样在屏前产生的左右眼视域之间将会产生一个盲区，即在盲区里人眼既看不到左眼象素也看 不到右眼象素。1 9 9 7 年，飞利浦研究实验室( p h i l i p sr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s ) 的c e e sv a nb e r k e l 等提 出了一种改进方法，使柱透镜阵列与象素列成一定角度排列，并且使每一组子象素交叉排列，这样 每一组子象素重复投射到视域，相邻视域的边缘相互交叠，有效的覆盖了盲区，使得显示效果明显 提高。 由于柱透镜光栅是投射式的，利用这种技术生产的液晶自动立体显示器最大的优先是不遮挡显 示画面，不影响显示亮度，但是由于现在对于微光器件的加工能力有限，光栅板制作成本较高，而 且光栅板一旦制作完成，光栅参数不易改变，难以实现二维和三维之间的转换。针对以上问题，2 0 0 4 年，p h i l i p s 公司的m s l u i j t e r 等人提出一种在柱透镜阵列中注入液晶模块调节光栅板参数的技术， 成功的解决了这类自动立体显示器的二维_ - - 维转换问题。2 0 0 6 年p h i l i p s 公司推出了2 0 i n c h 和4 2 i i l c h 可二维三维转换的l c d 自动立体显示器。 8 第二章立体显示基本介绍 显示器 象素 透镜阵歹i 左眼象素 右眼象素 图2 5 透镜阵列式立体显示原理 右眼 左眼 时序显示( t i m e s e q u e n t i a l ) 【2 0 】： 在显示屏后放置带有方向性的光源，不停改变光线的方向，以达到象素发出的光到达适当眼睛 的效