（设计艺术学专业论文）观看立体图像时视觉疲劳的研究及改进措施.pdf

i ytlllll11llll7llllll5lltl,7tlllt9llllllllllllll。ll 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 盎i 垂匡1 日期： 圣型里：堡：! 篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：主! l 鎏塑 导师签名：垒二鲨 日期： 堡! 旦：鳋! ! 篁 日期：竺二! ：皇：! 北京邮电大学硕士学位论文 观看立体图像时视觉疲劳的研究及改进措施 摘要 近年来随着人们对世间事物认知的不断深入，越来越不满足仅从二 维图像中进行识别，推理和判断。人们愈来愈重视对立体视的研究，特 别是随着计算机技术，现代印刷技术及光学技术等技术的发展，立体视 在医学、精密测量、图像艺术、虚拟现实、建筑装饰，电影电视等领域 的应用越来越广泛。 与常规的平面图像相比，观看基于视差形成的立体图像虽然具有较 强的立体感和沉浸感，但是如长时间观看，可能造成立体感知测试失败， 随后诸如头疼、眼睛疲劳、视力模糊、复视甚至是恶心等短期症状，并 有可能对人体造成永久性伤害，这也许是立体图像显示技术长期以来不 能普及的重要原因之一。导致视觉疲劳的原因有很多，如显示设备的电 气性能、显示图像的几何形性歪斜、两眼视差过大及视差的不连续变化 和辐辏与焦点调节不一致的矛盾等等。其中，本质原因是辐辏与焦点调 节的不一致，与现实中辐辏与焦点调节一致的原理相违背。这种的不一 致长期存在，决定了视觉疲劳的不可消除性，但是，通过一定的措施， 可以将视觉疲劳减少到可以承受的范围内。 本文在充分了解立体显示技术发展状况，以及体视因素的相关理论 知识的基础上，制作出红蓝互补色和自由立体显示器用的立体图像，并 提出视觉疲劳因子模型，然后利用制作出的立体图像设计多组实验验证 疲劳因子模型。最后，在基于疲劳因子模型和实验数据分析的基础上， 提出可以改善观看立体图像时视觉疲劳的措施。 关键字：立体显示技术视差辐辏焦点调节立体图像疲劳因子 l 北京邮电大学硕士学位论文 v i s u a lf a t i g u ea n dm i t i g a t i o nf o r s t e r r o s c o p i ci m a g eo b s e r 、给t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o g n i t i v es c i e n c e ，p e o p l ea r e p e r s u r i n gm o r em e t h o d st oa c k n o w l e d g et h i n g s ，s ot h e ya r en o ts a t i s f i e dw i t h t w o d i m e n s i o n a li m a g e s t h e r ei sa g r o w i n ge m p h a s i so nt h es t u d yo ft h e s t e r e o ，s p e c i a l l ya l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e mp r i n t i n gt e c h n o l o g ya n do p t i c a lt e c h n o l o g ye t c t h es t e r e oa p p l i e st o t h ea r e a so fm e d i c a l ，p r e c i s i o n m e a s u r e m e n t ，i m a g ea r t ，v i r t u a lr e a l i t y , a r c h i t e c t u r a lf e a t u r e s ，m o v i e s ，t e l e v i s i o na n do t h e ra r e a sm o r ea n dm o r e w i d e l y c o m p a r e dt ow a t c h i n gt h ec o n v e n t i o n a lp l a n a ri m a g e s ，w a t c h i n gt h e s t e r e o s c o p i ci m a g e sb a s e do np a r a l l a x ，w h i l eh a v i n gas t r o n gs e n s eo ft h e s t e r e o s c o p i ce f f e c ta n dt h ei m m e r s i o nf e e l i n g ，b u t ，a sf o rap r o l o n g e dp e r i o d m a y c a u s et h et h r e e d i m e n s i o n a ls e n s a t i o nt e s td e f e a t e d ，a f t e r w a r d ，c a u s et h e s h o r t - t e r ms y m p t o m ，s u c ha st h eh e a d a c h e ，t h ee y es t r a i n ，t h ev i s i o nb l u r t i n g ， t h ed i p l o p i ae v e nt h ed i s g u s t i n ga n ds oo n ，a n dm a y c a u s ep e r m a n e n th a r mt o h u m a nb o d y , t h a ti sw h yt h es t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g ym a yn o t p o p u l a r i z es u c h l o n g t h e r ea r em a n yr e a s o n sf o rt h ev i s u a lf a t i g u e ，s u c ha st h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e so ft h ed i s p l a yd e v i c e ，t h eg e o m e t r yo fs k e w e di m a g e ，e x c e s s i v e p a r a l l a xa n d i t sd i s c o n t i n u o u sv a r i a t i o na n dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n c o n v e r g e n c ea n df o c u sa d j u s t m e n ta n ds oo n a m o n gt h e s er e a s o n s ，t h e e s s e n t i a lr e a s o ni st h a t c o n v e r g e n c e a n df o c u s a d j u s t m e n t a r e 一 t i n c o n s i s t e n t ，w h i c h v i o l a t e st h ep r i n c i p e t h a tc o n v e r g e n c e a n df o c u s a a j u s t m e n ta r ec o n s i s t e n t i nt h er e a lw o r l d t h e r ea r en om e a s u r e st o e l i m i n a t et h e v i s u a l f a t i g u e b e c a u s e o ft h e e x i s t e n c eo ft h e i n c o n s i s t e n c y , b u t ，b y s o m em e a s u r e s ，v i s u a lf a t i g u e c a nb er e d u c e dt o a t o l e r a b l er a n g e t h e p a p e r ，o n t h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n g t h ed e v e l o p m e n t o r - t 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 ya n d t h es t e r e of a c t o r sf u l l y , m a k e st h e s t e r e o s c o p i c i m a g e s o f t h e r e d - b l u ec o m p l e m e n t a r y c o l o ra n d a u t o 。s t e r e o s c o p i c ，p r o p o s e s t h ev i s u a lf a t i g u e f a c t o rm o d e l ，t h e nd e s l g n m u l t i p l es e t so fe x p e r i m e n tf o rt h ev e r i f i c a t i o no f t h ev i s u a lf a t i g u ef a c t o r m o d e lb vt h e s ei m a g e s f i n a l l y , b a s e do nt h ev i s u a lf a t i g u ef a c t o rm o d e la n d t h ea n a l v s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，m e a s u r e s f o ri m p r o v i n gt h ev 1 s u a l f a t i g u ei ns t e r e o s c o p i ci m a g e o b s e r v a t i o na r ep r o p o s e d k e yw o r d ss 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 y p a r a l l a x c o n v e r g e n c e f o c u sa d j u s t m e n tv i s u a lf a t i g u ef a c t o r 北京邮电人学硕：l 学位论文 目录 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义1 1 3 论文内容2 第二章立体显示技术的发展4 2 1 立体显示技术的简介4 2 2 立体显示技术的分类4 2 2 1 基于视差的立体显示方式6 2 2 2 体积型立体显示方式1 2 2 2 3电子全息立体显示1 4 2 3 立体显示技术的应用1 5 第三章体视因素1 6 3 1 概述1 6 3 2 生理体视因素1 6 3 2 1 运动视差1 7 3 2 2 辐辏1 8 3 2 3 调节1 9 3 2 4 双眼视差及双眼立体视锐2 3 3 3 心理体视因素2 4 第四章立体图像的制作2 7 4 1 绘制立体图像2 7 4 2 相机生成立体图像2 8 4 2 1用普通相机制作立体双图照片2 8 4 2 2 立体相机制作立体双图照片2 9 4 33 d 软件生成2 9 4 4 2 d 3 d 变换3 0 4 4 1 变换原理3 0 4 4 22 d 3 d 实时变换3 0 4 4 3 脱机变换3 1 北京邮电大学硕十学位论文 4 5 实验用立体图像的制作3 2 4 5 1 理论3 3 4 5 2 步骤3 5 4 5 3 效果研究4 1 第五章疲劳因子模型4 3 5 1 生理心理因子4 3 5 1 1 正常情况下的辐辏和焦点调节4 3 5 1 2 观看静态立体图像时辐辏和焦点调节4 4 5 1 3 观看动态立体图像时辐辏和焦点调节4 5 5 1 4 过大的视差和视差不连续变化4 6 5 2 立体图像对因子4 8 5 3 立体显示设备因子4 8 第六章实验一视差类型对视觉疲劳的影响的研究5 1 6 1 实验目的5 1 6 2 实验方法5 1 6 2 1 被试5 1 6 2 2 实验材料5 l 6 2 3 实验装置5 2 6 2 4 实验设计与程序5 3 6 3 数据与分析5 3 6 3 1 材料a ，b ，c ，d 视差分析5 3 6 3 2 客观作业统计5 4 6 3 3 主观问卷统计5 6 6 4 实验小结5 7 6 4 1 误差分析5 7 6 4 2 总结5 8 第七章实验二观看自由立体显示节目时视觉疲劳的研究5 9 7 1 实验目的5 9 7 2 实验方法5 9 7 2 1 被试5 9 7 2 2 实验材料5 9 7 2 3 实验装置6 0 1 1 - 北京邮电大学硕上学位论文 7 2 4 实验设计与程序6 1 7 3 数据与分析6 1 7 3 1客观作业统计6 l 7 3 2 主观问卷统计6 2 7 4 实验小结6 4 7 4 1 误差分析6 4 7 4 2 与观看红蓝互补色立体图像时主观疲劳症状的比较6 4 7 4 3 与观看红蓝互补色立体图像时立体深度感的比较6 5 7 4 4 总结6 5 第八章改善观看立体图像时视觉疲劳的途径和措施6 6 8 1 控制观看立体图像的时间6 6 8 2 将辐辏和焦点调节的不一致限定在一定范围内6 6 8 3 避免过大的视差和视差的不连续变化6 7 8 4 立体图像对的最佳匹配6 8 8 4 1 视差类型和程度6 8 8 4 2 图像对融合延迟时间6 8 8 4 3 图像对的尺寸6 9 8 4 4 减小图像噪声6 9 8 5 硬件设备7 0 8 6 利用补正透镜减轻视觉疲劳7 l 8 7良好的心态和心情减轻疲劳7 1 第九章总结与展望7 3 9 1 主要的研究成果7 3 9 2 待进一步研究的问题7 3 9 3 展望7 4 参考文献7 5 附录1 7 7 附录2 7 8 附录3 7 9 附录4 8 0 附录5 8 l 附录6 8 3 i i i 北京邮电大学硕士学位论文 致谢8 5 攻读学位期间发表的学术论文目录8 6 i v - h 北京邮电大学硕士学位论文 1 1研究背景 第一章引言 人和高等动物都具有一双并列的双眼，这是历史上许多著名的科学家如达芬奇、 笛卡尔和牛顿等人都对之感兴趣的问题，并也对其功能作过许多的猜测，直到1 8 3 8 年惠斯登发明了立体镜，才真正清楚了双眼的最主要的功能在于使人有真实的深度立 体感即体视，从此开拓了一个崭新的立体视觉的研究领域。一个半世纪以来，随着其 它科学技术的发展，立体视觉的研究也经历了许多不同的阶段。 2 0 世纪5 0 年代以前，体视的研究工作都偏重于根据几何光学原理，对双眼的视 差范围和网膜的体视区域进行划分。6 0 年代美国贝尔实验室的j u l e s z 利用计算机产 生了随机点立体对，开辟了对随机点立体图进行心理物理学实验或利用微电极进行单 细胞记录寻找对双眼视差敏感细胞，或进行体视的脑诱发电位的研究。体视数学模型 亦屡见不鲜。7 0 年代受到傅立叶光学信息加工的影响，体视的研究也逐渐远离了几 何光学的“视差”这个焦点，进入到物理光学空间频率的领域。7 0 年代末，m a n 创立 的视觉计算理论对立体视觉的发展产生了巨大影响，现已形成了从图象获取到最终的 景物可视表面重建的完整体系，在整个计算机视觉中已占有越来越重要的地位。 与常规的平面图像相比，立体图像提供更为广阔的信息，使观看者可以看出各物 体的远近、纵深和图像分布状况，临场感大大地增加，因此在虚拟现实、电影电视、 航空航天、核技术、生物分子等领域具有很好的应用前景。 但是，与常规的图像相比，观看立体图像的视疲劳的存在使得人们不便长期观看。 长期观看可能造成立体感知测试失败，随后诸如头疼、眼睛疲劳、视力模糊、复视甚 至是恶心等短期症状【l 】，并有可能对人体造成永久性伤害，这也许是立体图像显示技 术长期以来不能普及的重要原因之一。因此，不论从市场化上角度，还是从理论研究 价值角度上来说，对于基于双眼视差的立体显示技术的视觉疲劳研究都显得非常有必 要。 1 2 研究目的及意义 近年来随着人们对世间事物认知的不断深入，越来越不满足仅从二维图像中进行 北京邮电大学硕士学位论文 识别，推理和判断。人们愈来愈重视对立体视的研究，特别是随着计算机技术，现代 印刷技术及光学技术等技术的发展，立体视在医学、精密测量、图像艺术、建筑装饰、 虚拟现实、电影电视等领域的应用越来越广泛。随着c a d c a m 以及各种三维测量 方法的不断发展，如激光成像雷达、实时三维视觉系统的建立等，使得人们获得物体 景象的三维数据成为可能，从而大大推动了立体视的技术应用。 基于双眼视差的立体显示技术，由于辐辏和调节的矛盾不可避免，总会产生视觉 疲劳。例如若图像视差的大小在融合范围之外，观看者无法将左右眼两幅视差图融合 成一幅立体图像，并且看到的是一幅不清晰的串扰图像，从而产生严重的视疲劳。莫 尔条纹常常是光栅式自由立体显示器无法彻底消除的，从而给观看者眼睛带来不舒服 感。而液晶快门眼镜的方式，若快门开闭时间过长，则容易造成忽隐忽现的闪烁问题， 对眼睛造成伤害。 同时，能消除视觉疲劳的立体显示技术，也有很多，但是由于现实诸多难题的限 制，很难广泛普及和使用。如利用光干涉原理的全息技术是显示三维静态图像最出色 的方法，但是全息术所需的信息量非常大，且价格非常昂贵，因此在实际应用中还存 在诸多难题。此外，体积显示方法、多眼或超多眼式的方法也能消除视觉疲劳，但是 前者不能表现隐藏关系和反射特性，并且两者都在画质及成本方面存在问题，不能达 到普遍的应用的程度。 基于上述情况，研究观看立体图像时的视觉疲劳及改进措施，已成为立体显示领 域的重要课题，具有一定的理论意义，对于推进3 d 电影电视的普及、虚拟现实技术 的发展等具有积极的实际应用意义。 1 3 论文内容 本文在充分学习和了解立体显示技术发展状况，以及体视因素的相关理论知识的 基础上，制作出红蓝互补色和自由立体显示器用的立体图像，并提出视觉疲劳因子模 型，设计多组实验进行验证模型。在疲劳因子模型和实验数据分析的基础上，提出可 以改善观看立体图像时视觉疲劳的途径和措施。 论文共分为九章，各章内容安排如下： 第一章为引言。主要介绍论文研究的背景、目的及意义 第二章介绍了现有立体显示技术的分类、发展状况及意义。着重介绍了如何分类， 并依次对之进行阐述。 第三章介绍了体视因素。从生理和心理两个方面，介绍体视因素。生理因素包括 2 _ p 北京邮电大学硕士学位论文 运动视差、辐辏、调节及视差；心理因素包括遮盖或重叠、物体的通常大小印象等。 第四章介绍立体图像的制作。先介绍了生成立体图像的四种方法，然后重点介绍 了笔者制作实验用立体图像的方法、步骤、及图像深度感和视差的研究。 第五章提出疲劳因子模型。从生理心理、立体图像对、立体显示设备三个方面提 出疲劳因子模型。 第六章实验研究视差类型对视觉疲劳的影响( 材料为红蓝互补色立体图像) 。实验 分为4 组，其中2 组为对照组。观看立体图像后，依次进行客观视觉疲劳测定作业和 主观问卷调查，并在实验数据统计分析的基础上，进行实验总结，验证疲劳因子模型， 并为改善视觉疲劳措施和方法提供数据支持。 第七章对观看自由立体显示立体图像时的视觉疲劳的实验研究。观看自由立体显 示节目1 5 分钟后，依次进行客观视觉疲劳测定作业和主观问卷调查，对客观数据和 主观问卷进行统计后，与实验一对比分析，验证疲劳因子模型，为改善视觉疲劳措施 和方法提供数据支持。 第八章提出改善观看立体图像时视觉疲劳的途径和措施。依据疲劳因子模型和实 验数据分析，从七个方面提出改善观看立体图像时视觉疲劳的途径和措施。 第九章对全文所做工作进行的总结。总结论文的工作成果，并对比预期目标，指 出论文的不足，指出进一步需要研究的工作。 0 _ 北京邮电人学硕士学位论文 第二章立体显示技术的发展 2 1 立体显示技术的简介 现实世界是三维立体世界，它为人的双眼提供了两幅具有位差的图像，映入双眼 后即形成立体视觉所需的视差，这样经视神经中枢的融合反射，以及视觉心理反应便 产生了三维立体感觉。 2 2 立体显示技术的分类 立体显示技术的研究经历了十几年的发展，取得了十分丰硕的成果，从各种手执 式观测器、立体眼镜、头盔显示器，到现在最新的不需要眼镜的自由立体显示器( 有 棱镜式、透镜式、光栅式等) 及激光全息术、体三维显示，超多眼等等很多成果。如 表2 1 ，可以按照立体显示技术原理对其进行分类。 4 厶。 北京邮电大学硕士学位论文 表2 - 1立体显示技术的分类 分类原理优点缺点 在每只眼睛前面分别放 置一个显示屏，两个显 头盔显示 示屏分别同时显示双眼需戴眼镜；易产生疲 各自应该看到的图像， 沉浸感强劳：成像太小； 器( h m d ) 当两只眼睛看见包含有造价昂贵。 位差的图像，3 d 感觉便 产生了。 基于偏观察者戴上 需戴眼镜； 振光原3 d 立体眼沉静感不如h m d ： 理 镜观察，使利用波长的方法将 进入左眼的 原理简单，容易使观察者无法看见 3 d 立体 光只受左眼实现；数据量全彩色的图像； 根据双目 眼镜 基于波 睛片的影小；容易实现动应用快门系统则必 视差立体 长( 颜 响，进入右画； 须要求显示器具有 视觉原理 色) 眼的光只受很高的刷新频率，否 实现立体 成像 右眼睛片的则就会产生闪烁感； 基于电 影响不能表示运动视差。 子开关 用栅栏控制 自由立体不需戴眼镜，能 观察范围有限，分辨 用透镜控制 率有限，易产生视觉 显示实现动画 疲劳 视差栅壁障 不需戴眼镜，能 辐辏和焦点调节不 多眼式实现动画，能表 一致；提高分辨率困 难；视差栅式不具有 示运动视差 垂直视差 不需戴眼镜，辐 超多眼装置复杂；数据量大 辏调节一致 扫描体显示 体三维显 ( s w e p t - - v o l u m ed i s p l a y ) 不需要戴眼镜， 遮挡表示困难 示固态体显示接近实物视 ( s o l i d - - v o l u m ed i s p l a y ) 利用激光相干特性原理经过适当 激光全息 处理得到的全息图不同于传统二维不需要戴眼镜，动画表示困难；数据 图像而是原物体准确的再现。运接近实物视，能量太大；需要高分辨 照相 用该技术必须借助激光装置上才能表示垂直视差率材料 再现原物体的影像 5 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 1 基于视差的立体显示方式 1 头盔显示器( h m d ) 头盔显示器( h e l m e t m o u n t e dd i s p l a y s ，h m d ) 2 】如图2 1 ，由1 9 6 8 年哈佛大学的 i v a ns u t h e r l a n d 首先提出，并设计出应用c r t 的名为达摩克里斯之剑的头盔显示器。 经过3 0 年的发展，头盔显示器取得了巨大的进步和广泛的应用。特别是在微型液晶 显示器、虚拟现实( v r ) 、袖珍计算机、可视移动电话以及现代数字化部队的装备中 的逐渐普及，使得头盔显示器在这些领域中占据了重要的地位。 图2 - 1头盔显示器( h m d ) 头盔是显示器的固定部件，在机载或车载应用时可直接把驾驶员头盔进行改进制 作，在其他应用中可采用吊带将显示器固定在头部。由于显示器的重量在头的前部， 使头部的重心发生了变化，容易发生疲劳，因此应在头后部加配重保持重心不变。但 头盔的重量应尽可能轻，特别是在机载情况下，头盔的重量在飞行员脱离飞机的弹射 时将产生很大的冲力，容易使颈椎骨折。 2 立体眼镜 观察者戴上3 d 立体眼镜观察，使进入左眼的光只受左眼睛片的影响，进入右眼 的光只受右眼睛片的影响，经大脑融合成- - n 具有深度感的图像。对于立体眼镜，根 据原理的不同，又可分为下列几种： ( 1 )基于互补色色差 目前市面上有红蓝互补色眼镜、红绿互补色眼镜等。在这种系统中，如图2 - 2 3 1 ， 两幅图像被显示在屏幕上，一幅用红色，另一幅用蓝色( 或绿色) 。眼镜上的滤镜只 允许每只眼睛看到一幅图像，剩下的工作就交给大脑处理。但由于使用了不同的颜色 6 北京邮电大学硕上学位论文 来区分两幅图像，这种系统无法得到真正的彩色电影，所以就图像质量而言，它比不 上偏振系统。 图2 - 2 红蓝立体眼镜 ( 2 ) 基于偏振光原理 如图2 3 ，当光照射到偏振光滤光片上时，只有特定极化方向的偏振光可以通过， 将左右眼赋予正交的直线偏振光并且重叠投影，观察者佩戴具有滤光片极化方向正交 偏振光眼镜，就可以分离出左右眼图像。 偏振光方式的最大的优点就是画面大和可以多人观看，适合3 d 电影和博览会上 的展示。 图2 3 偏振光立体眼镜 ( 3 ) 基于时分割 时分多路显示技术则是采用更快的速率来交替地显示左右图像为了确保左眼只 能看到左图像、右眼只能看到右图像，必须采用同步开关系统( p l z t 或l c s ) 例如 s g i 公司的t e s s m a n 4 1 ，s t e l m o g r a p h i c s 公司的l i p t o n 5 1 给出了实现这一系统的方法： 首先，通过视频控制器将左图像和右图像置入同一场上( 即用右像机的奇数帧来代替 7 北京邮电大学硕士学位论文 左像机的偶数帧) ，并按6 0 帧秒的速率进行存储；其次，当进行显示时，以两倍的 速率即1 2 0 帧秒读出于是屏幕上就交替地出现左右图像，从而克服了图像抖动的 问题；最后，由显示或投影器发生同步信号，使得观察者所戴的液晶眼镜( 如图2 4 ) 的 左边只在收到左图像时才开启，右边只在收到右图像时才开启 图2 4 液晶眼镜 3 自由立体显示 当前世界上自由立体显示技术主要有视差照明、视障、微透镜投射、波长滤波、 分像素矢量衍射及数字镜面等。自由立体显示技术，可以用于军事、医疗、数据可视 化、工程、娱乐、虚拟商务贸易和教育，成为当前世界上显示技术领域研究的一个热 点。 目前自由立体显示技术主要有下列几种： ( 1 ) 视差照明技术 视差照明( p a r a l l a xn l u m i n a t i o n ) 【6 】技术是美国d t i ( d i m e n s i o nt e c h n o l o g i e si n c ) 公 司的专利技术，也是自由立体显示领域研究较早、当前较为成熟的技术之一。 d t i 公司的立体显示器采用的是被称为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、可接收与处理立体图像信 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，照明板生成大量窄的亮 的，中间以黑带平均间隔排列的竖直光源。图2 5 所示为视差照明l c d 自由立体显 示器，每个线光源照亮两列像素，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、奇数列像素能够观察到所有的线光源。当像 素从背面被照亮时，观察者的左眼只能看到偶数列像素上的信息，右眼只能看到奇数 列像素上的信息。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 北京邮电大学硕士学位论文 眼视觉图像呈现到奇数列上，那么观察者将会感知到物体的深度信息。 i l l u m i n a t i o n p l a t e p i x e l l e re y e r i g h te y e 图2 5 视差照明自由立体显示器 ( 2 ) 屏前透镜技术 屏前透镜技术【7 】是主要是飞利浦( p 1 1 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液晶显示器的前表面加上一 块透明的具有柱透镜阵列的光栅板，液晶像素平面恰好位于柱透镜阵列的焦平面上， 如图2 - 6 所示。经过子像素发出的光线通过柱透镜阵列平行射出，向各个方向投影子 像素，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像素，产生立体感。 图2 - 6 柱镜光栅自由立体显示器 ( 3 ) 视差壁障技术 夏普公司研发的l c d 自由立体显示器，如图2 7 采用的是视差障碍技术( p a r a l l a x 9 北京邮电大学硕士学位论文 b a r r i e r ) t 引，实现方法是在普通平面液晶显示器前增加一个开关液晶屏。这种开关液晶 在通电情况下形成具有竖直条纹的光栅板，与液晶盒的像素相配合，通过对光栅栅距 及光栅到像素平面距离等参数的精确控制，使通过像素平面偶( 奇) 像素的光线进入 观察者的左( 右) 眼。因此当观看者注视屏幕时，左( 右) 眼只能看到偶( 奇) 像素显示的 图像，即左右眼将分别观看到两幅不同的图像，从而接受到具有视差的立体图像对， 实现三维显示。如果将液晶开关关掉，就可以显示普通的二维图像。 图2 7 视差壁障 ( 4 ) 其他技术 以上介绍的三种l c d 自由立体显示技术是应用较为成熟的技术，已经开发出相 应的产品推向市场，其他l c d 自由立体显示技术还有东京大学的偏振成像技术狭缝 成像技术【9 1 、日立公司的分像素衍射技术【1 0 1 以及尾正交凸透镜技术等，它们也都是基 于l c d 的自由立体显示技术，并且分别制作出了样机。 4 多眼式 多眼式显示器【1 1 】，如图2 8 ，在空间的多个区域中显示多个不同的图像。多视图 显示的优点是观察者可以自由地在观察区域中移动他的头部，同时仍然感觉到3 d 图 像；观察者可以通过简单的移动头部而环视场景中的物体；支持多个观察者同时观察， 每个观察者在他自己的视点上都能够看见3 d 图像；不需要头部跟踪以及相关的复杂 的技术。多视图显示的缺点是：建立多个视图的显示是十分困难的；同时产生所有的 视图的问题，因为不管它是否被观察者看见，每个视图在整个时间中都是存在的；每 个观察者在观察时有5 0 的机会看见错误的图像，而且偏离理想的距离越远，这种 可能性会越大。 l o 北京邮电大学硕士学位论文 观察 图2 8 多眼式显示器 5 超多眼 超多眼式是多眼式的延伸，多眼式的两只眼分别映入各一个左右眼图，而超多眼 表示( s u p e rm u l i t v i e ws m v ) 是将复数个左右眼图像映入观察者单眼瞳孔内，并配 合正在观察的图像进行焦点调节的一种方式。如图2 - 9 所示，在超多眼式中，把表示 图像的视点间隔设置为比两眼间隔更窄的瞳孔径以下，使两个以上的视点入射到单眼 瞳孔内，即通过空间一点的光线同时有两条以上入射单眼瞳孔，对于这一点眼睛的焦 点调节到成像点应该是可能的。因为瞳孔径在2 8 m m 间变化时平均为5 m m ，有必要 准备非常多的视点位置。 光束 光线 a r ia r 2 a 1a l 2 s ls r 图2 - 9 超多眼方式 于是，观察超多眼体视图像时，如果向显示面合起焦点，对于成为的多重像来说 焦点将合于立体像并作为清楚的像被观察。因此，如图2 1 0 所示，观察超多眼体视 图像时，焦点调节不是在画面，而可能被调整到立体像，这样一来，焦点调节和辐辏 一致，从而使视觉疲劳得以缓解。 北京邮电大学硕士学位论文 曰l 彳l 么2 占2曰la 1a 2b 2 图2 1 0 单眼两个视差图像的提示 2 2 2 体积型立体显示方式 体三维显示技术目前大体可分为扫描体显示( s w e p t v o l u m ed i s p l a y ) 和固态体显 示( s o l i d v o l u m ed i s p l a y ) 两种。其中，前者的代表作是f e l i x 3 d 和p e r s p e c t a ，而后者 的代表作则名为d e p t h c u b e 。 f e l i x 3 d 1 2 】拥有一个很直观的结构框架，它是一个基于螺旋面的旋转结构，如图 2 1l ( a ) 所示，一个马达带动一个螺旋面高速旋转，然后由r g b 三束激光会聚成一束 色度光线经过光学定位系统打在螺旋面上，产生一个彩色亮点，当旋转速度足够快时， 螺旋面看上去变得透明了，而这个亮点则仿佛是悬浮在空中一样，成为了一个体象素， 多个这样的体像素便能构成一个体直线、体面，直到构成一个3 d 物体。 p e r s p e c t a 可能是扫描体3 d 显示领域最令人瞩目的成就了，它采用的是一种柱面 轴心旋转外加空间投影的结构，如2 1 l ( b ) 所示，与f e l i x 3 d 不同，它的旋转结构更简 单，就一个由马达带动的直立投影屏，这个屏的旋转频率可高达7 3 0 r p m ，它由很薄 的半透明塑料做成。当需要显示一个3 d 物体时，p e r s p e c t a 将首先通过软件生成这个 物体的1 9 8 张剖面图( 沿z 轴旋转，平均每旋转2 。不到截取一张垂直于x y 平面的 纵向剖面) ，每张剖面分辨率为7 9 8x7 9 8 象素，投影屏平均每旋转2 。不到，p e r s p e c t a 便换一张剖面图投影在屏上，当投影屏高速旋转、多个剖面被轮流高速投影到屏上时， 一个可以全方位观察的自然的3 d 物体便出现了。 北京邮电大学硕士学位论文 ：j 磁舻 。：一瓢 钽警芦 0 0 一” ( b ) p 盯s p l c c t a 图2 1 1 扫描体显示器 早期的固态体显示技术，如s o l i d f e l i x ，主要采用一整块立方体水晶作为显示介 质，在水晶中掺杂了稀土元素，当两束相干红外线激光在水晶内部的某空间点处相交 时，它们将激发该点发光，目前这套系统仍处于实验室阶段。而d e p t h c u b e 系统则代 表了目前固态体显示技术的最高成就，它采用了一种很特别的方式：层叠液晶屏幕方 式来实现三维体显示，它的外形就像一台8 0 年代的电视机一样，如图2 1 2 所示， d e p t h c u b e 的显示介质由2 0 个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1 0 2 4 7 4 8 ，屏 与屏之间间隔约为5 m m ；这些特制屏体的液晶象素具有特殊的电控光学属性，当对 其加电压时，该象素的液晶体将像百叶窗的叶面一样变得平行于光束传播方式，从而 令照射该点的光束透明地穿过，而当对其电压为0 时，该液晶象素将变成不透明的， 从而对照射光束进行漫反射，形成一个存在于液晶屏层叠体中的v o x d 。在任一时刻， 有1 9 个液晶屏是透明的，只有1 个屏是不透明的，呈白色的漫反射状态；d e p t h c u b e 将在这2 0 个屏上快速的切换显示3 d 物体截面从而产生纵深感，它还采用了一种名 为“三维深度反锯齿”( 3 dd e p t ha n t i a l i a s i n g ) 的显示技术来扩大这2 0 个屏所能表现的 纵深感，令1 0 2 4 x 7 4 8 x 2 0 的物理体空间分辨率实现高达1 0 2 4 x 7 4 8 x 6 0 8 的显示分辨率； 和p e r s p e c t a 一样，d e p t h c u b e 也采用了d l p 成像技术；由于d e p t h c u b e 的观察角度 比较单一，主要是在显示器的正面，因此并不需要像p e r s p e c t a 一样高的帧频，其每 秒钟仅需显 2 2 3 由于全 全息照片的 图像用摄像 即可显示动 图2 1 3 已到第3 代 透明晶体上 射，所以这 替全息底片 图2 1 3 第1 代全息影像显示器 全息图像的全息干涉条纹是每毫米多达1 0 0 0 7 0 0 0 根之多的非常细的复杂条 纹，现在的显示器件技术还不能达到实用动态图像显示的需求。另一方面，对于图像 信息处理系统来说，要处理如此庞大的信息量也还有许多要解决的课题。此外在用激 光照射被摄体来进行记录的性质上，可记录的对象是受限制的，背景等位于远处物体 的拍摄也受到制约。但如果是显示计算机图形学方面的图像，则可以通过对物体所发 1 4 北京邮电大学硕：l 学位论文 射波面的计算，由计算机合成全息来解决。 2 3 立体显示技术的应用 近年来伴随着信息科学的不断发展，给立体显示技术赋予了新的内涵，使其焕发 出新的活力，其应用大体上可分为以下几个方面： l 科学计算可视化【1 4 】 它可以将数学、物理、化学等领域所获得的多维科学实验数据使用计算机进行直 观的抽取、理解和显示，从而更有效地了解科学过程和科学规律。 2 娱乐领域 现在的许多主题公园和博物馆等娱乐活动中广泛应用立体影院中，每次可供几十 人到近百人使用偏振光眼镜同时观看三维立体电影，给观众带来强烈的沉浸感。此外， 具有1 0 0 英寸以上大画面、音响、与照明效果结合的多维娱乐电影院，能使观众的座 位与立体影像联动，给观众带来更加刺激的享受。 3 飞行驾驶训练 根据r e i s i n g 和m a z u r d 1 5 】所进行的比较实验结果表明，由于在飞机驾