（机械制造及其自动化专业论文）观看立体影像引起的视觉疲劳与改进措施.pdf

北京i l l gs i l 人学硕l ：研究生学位论义 观看立体影像引起的视觉疲劳与改进措施 摘要 虚拟现实( v r ) 是运用多种技术构造出虚拟的现实世界，让使 用者在虚拟环境中产生一种身临其境的效果。其中基于视觉响应的立 体显示技术已经在电影院和其他娱乐场所得到越来越广泛的应用。 立体显示技术虽然具有很强的立体感和沉浸感，但如果长时间观 看立体影像( 3 0 分钟以上) ，就可能产生视觉疲劳、晕眩等不适症状， 这在定程度上影响了立体显示技术的普及与发展。导致视觉疲劳的 原因有很多，比如显示设备的电气性能差、图像的几何性歪斜、两眼 视差过大和辐辏与焦点调节不一致的矛盾等等。其中辐辏与焦点调节 不一致性的矛盾是最为显著的，也是可以得到改进的。 本文通过对体视原理与体视因素的论述来说明立体显示技术实 现的基本原理，分析了基于双眼视差的立体显示技术所具有的特点和 存在的不足，尤其是此种方法所导致的双眼辐辏功能和焦点调节不一 致性的矛盾问题。其后，通过进行多次实验测试，进一步分析了观看 立体图像产生视觉疲劳的原因。最后，提出了缓解疲劳的措施。 在实验的设计环节中，对观看立体图像所引发的视觉疲劳，采用 了主观和客观相结合的判别方法，使主观和客观反应相互结合、相互 印证，进而对实验数据进行分析，以便得到准确的结果。 关键词：立体显示技术双眼视差辐辏焦点调节视觉疲劳 v i s u a lf a t i g u ec a u s e db ys t e r e o s c o p i c i m a g e sa n di m p r o v e m e n t s a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) e m p l o y sac o m b i n a t i o no ft e c h n o l o g i e st oc r e a t eav i r t u a l r e a l w o r l d ，w h i c hc o u l dh a v ea ni m m e r s e ds e n s eo nu s e r si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t a n ds t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g yb a s e do nt h ev i s i o nh a sa l r e a d yb e e ng r e a t l ye m p l o y e d i np l a c e so fc i n e m a sa n do t h e re n t e r t a i n m e n t s s t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g yi sp r o v i d e dw i t hs t r o n gs e n s eo fs t e r e oa n d i m m e r s i o n h o w e v e r i fh a v i n gs e e nat h r e e d i m e n s i o n a lf i l mf o ral o n gt i m e ( m o r et h a n3 0 m i n u t e s ) ，v i e w sa r el i k e l yt of e e l v i s u a lf a t i g u e ，d i z z i n e s sa n do t h e ru n c o m f o r t a b l e s y m p t o m s ，w h i c h ，t os o m ee x t e n t ，a f f e c t s t h ep o p u l a r i t ya n dd e v e l o p m e n to f s t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g y t h e r ea r em a n yc a u s e s ，w h i c hl e a dt ov i s u a lf a t i g u e ，s u c ha s t h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t ，t h eg e o m e t r yo fi m a g es k e w , e x c e s s i v ep a r a l l a x ，a n dt h eu n n a t u r a ld e c o u p l i n go fc o n v e r g e n c ea n df o c u s ，w h i c hi s t h em o s ts i g n i f i c a n ta n da l s oc o u l db ei m p r o v e d t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ed i s c u s s i o no fs t e r e o l o g yp r i n c i p l e sa n df a c t o r st o i l l u s t r a t et h ep r i n c i p l e sa n d m e t h o d so f s t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g y , a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s a d v a n t a g e so fs t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g yw h i c hi s b a s e do n b i n o c u l a rd i s p a r i t y , e s p e c i a l l yt h ed i s p a r i t yo fc o n v e r g e n c ea n da d j u s t m e n tt h e n t h r o u g hav a r i e t yo ft e s t s ，aw i d er a n g eo fc a u s e sw h i c hc a n r e s u l ti nv i s u a lf a t i g u eb y 3 dp i c t u r e sa n di m a g e sa r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h em e t h o d sw h i c hc a ne a s ev i s u a l f a t i g u ea r ep r o p o s e d i nt h ee x p e r i m e n t ，ac o m b i n a t i o nw a yo fs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ei su s e dt ot h e v i s u a lf a t i g u ec a u s e db y3 dp i c t u r e sa n di m a g e s ，w h i c hm a k es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v e i n t e r a c t i o n ，a n dh a v eab e t t e rw a yt oa n a l y z et h ed a t a ，s oa st oo b t a i na c c u r a t ed a t a k e y w o r d s ：s t e r e o s c o p i ct e c h n o l o g y b i n o c u l a rd i s p a r i t y c o n v e r g e n c e f o c u sa d j u s t m e n t v i s u a lf a t i g u e 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： ! 塾位蕴 日期： 趔21 ：雌 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人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j l ：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什和磁盘，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，可以允许采川影印、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：本学位论文属丁保密在一年解密后适川本授权1 5 。非保密论文注释：本 学位论文不属丁 本人签名： 导师签名： 书。 日期：迎21 ：巡 日期：垒啤! 叁：掣 北京邮i b 人学硕i j 御f 究生学位论义 1 1 研究背景 第一章引言 虚拟现实是一门涉及计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、 人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术 和高性能计算机系统等技术的综合集成技术。近十几年里，虚拟现实技术飞速发 展，己经丌始广泛应用于社会生活的各个方面。随着虚拟现实技术的飞速发展， 越来越多的应用都会涉及到3 d 渲染和立体显示，而传统的显示技术仍然采用2 d 方式来表现3 d 画面。为了尽可能真实地营造一个3 d 环境，人们采用了一系列 的辅助手段，如通过阴影、透视、物体的相对尺寸等效果增强物体的深度感，或 利用立体眼镜再现真实的现实环境等，但是这些方式不是效果不尽如人意，就是 需要使用额外的设备。 1 9 6 5 年，i v a n e s u t h e r l a n d i l j 在国际信息联合会上发表了一篇著名的文章( ( t h e u l t i m a t ed i s p l a y ) ) ，揭示了计算机成像系统的发展趋势。他指出，由计算机所构 成的虚拟世界，应该让人们“看着真实、感觉真实”，即图像逼真度、实时性要 高，要让人们感觉如同面临真实世界中的景物一样。该报告发表后，人们为达到 计算机成像系统的“终极显示”进行了大量、长期的工作。该报告也标志着立体 视觉研究的开始。 自由立体显示技术正是在这种背景下应运而生。目前国外己经利用各种不同 原理研发制造出了相关的产品或原型机，且有部分产品已投放市场。随着技术的 成熟、硬件制造成本的下降及相关配套软件的丌发，自由立体显示技术必将给显 示领域带来一场根本性变革，并将最终取代传统显示技术占据市场主导地位。 在所有的立体显示技术中，以基于双眼视差的立体显示技术最为成熟，由于 双眼视差立体显示技术在结构、光学原理上具有独特的优点，以及由之而来的双 眼辐辏功能和焦点调节不一致性，也已经成为业内关注的热点。目前国内一些科 研机构和高校在立体显示技术及虚拟现实等领域己掀起一股研究热潮，因此，不 论是从市场化角度，还是从理论研究价值角度上来说，对基于双眼视差的立体显 示技术及辐辏调节矛盾问题的研究都显得非常有必要。 北京邮i 乜人学硕j 二研究生学位论文 1 2 研究目的及意义 近年来随着人们对于世界间事物认识和了解的不断深入，越来越不能满足仅 仅从二维的图像或者图像序列中进行识别，推理和判断。人们愈来愈重视对立体 成像的研究，特别是随着计算机技术，现代印刷技术及光学技术的发展，其在医 学、精密测量、图像艺术、建筑装饰、立体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，例如激光成像雷达、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，从而大大地推动 了三维成像技术的应用。 立体显示技术虽然具有立体感和沉浸感很强的优点，但如果长时问观看立体 影像( 3 0 分钟以上) ，就很可能产生视觉疲劳、晕眩等不舒适症状，这在一定程 度上影响了立体显示技术的普及与发展。比如基于双眼视差的立体显示技术可能 由于观看时左眼图像混入右眼，左右眼图像无法进行融合而造成看见二重像的串 像问题；液晶快门眼镜方式因其快门开闭时间过长，而造成忽隐忽现的闪烁问题； 裸眼方式中由于图像显示像素和实现裸眼立体视的双凸透镜或视差栅的位置关 系而产生黑色条纹( 莫尔条纹) 的问题。同时，与之相应的解决方法已有很多。 其中利用光干涉原理的全息术在显示三维的静止画面领域是最出色的方法。但是 全息术所需要的信息量非常大，如果想要显示动画，就需要求很高的画面质量， 而且价格方面也十分昂贵，因此在实际应用中还存在诸多难题。此外，除全息术 以外，还有体积显示方法、多眼或超多眼式等其他方法。但是前者不能表现隐蔽 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。 另外，有的研究使用h m d ，通过测定虹膜( 黑艮珠) 的位置来计算眼睛的辐辏。 为不使与眼睛焦点适合的距离和辐辏相矛盾，有一种方法是改变h m d 上所附带 的光学系统。同样这种方法也需要价值不菲的设备，因此也无法得到普遍应用1 7 j 。 基于上述情况，如果能够找到一种三维立体显示技术，可以大大降低现有的 立体显示设备成本的同时，又能简单易用、占据空间有限，最为重要的是能极大 的缓解或解决现在立体显示技术给人们所带来的众多生理和心理上的问题，那必 然会推动立体显示技术的发展，使虚拟的三维立体的影像世界能够走进我们的身 边，无论是在学习工作上还是在休闲娱乐上带来更加多彩更加美轮美奂的视听享 受，这也j 下是让三维立体显示科技服务于大众生活的意义所在。 1 3 论文内容 本文在充分研究分析双眼体视的视觉感知，以及基于双眼视差的立体显示技 2 北京邮i u 人学顾i ：研究生学位论义 术的相关基础理论知识的基础上，利用单一刺激连续品质评价法，通过多组实验 进行测试，并设计问卷让被试者作答，力求从主观和客观的角度来分析由于观看 立体图像给观看者所带来的疲劳感，以及相应的生理和心理一系列不舒适反应。 在基于实验数据的基础上，提出可以极大缓解或解决立体显示技术现有问题的办 法，达到减轻视觉疲劳感受的最终目的。 论文分为七章，各章内容安排如下： 第一章为绪论。主要介绍论文研究的背景、目的及意义。 第二章介绍了现有主要立体成像显示技术及其主要应用领域。从不同的角度 可以对立体显示技术有不同的分类标准，本文是按照立体显示信息来分类。 第三章介绍立体视觉基础知识及相关理论。立体显示技术基于人类的双眼视 差，即人眼睛的功能决定了立体视觉的形成。立体显示技术是结合了人本身参与 的系统，显示器件其实只是完成立体视觉的部分功能，而人眼的生理功能完成剩 余的工作。所以在本章使用一定的篇幅来介绍人眼的立体视觉机制。 第四章介绍视觉疲劳研究方法。根据方法的指导，对后面的实验进行设计， 以便得到准确有效的数据和结果。 第五章介绍视觉疲劳实验和分析的实现部分。根据第四章所提出的若干实验 方法和注意事项，对观看立体图像的被试对象进行多组实验，之后进行客观视觉 疲劳测定作业和主观感受问卷调查。在对实验数据统计分析完成后，进行总结。 第六章介绍观看立体影像所产生疲劳感的改善措施。本章希望通过简单有效 的方法，使得疲劳感有所得到缓解，从观看时间控制、视差控制和增添补正圆筒 凹透镜的方法，来改变眼睛与物体成像之间的距离，以便缓解由于双眼辐辏功能 和焦点调节功能不致性所引发的视觉疲劳感，让立体显示技术得到更加广泛的 应用。 第七章是对全文所做工作进行的总结，总结论文工作的成果，并指出论文存 在的不足和进一步需要研究的工作。 3 北京邮l u 人学硕i ：研究生学位论义 第二章立体显示技术的发展 2 1 虚拟现实技术简介 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是用计算机图形学构造出的酷似真实 世界的一种仿真模拟。 “v i r t u a lr e a l i t y ”一词始于1 9 8 9 年，v p lr e s e a r c h 公司的j a r o nl a n i e r 首先在 有关杂志上使用。科学界对虚拟现实领域进行了多年的研究，认识到v r 是一种 强大的人机接1 2 1 【3 1 ，它利用计算机和电子技术构造一个逼真的虚拟世界，提供多 种传感设备，通过视觉、听觉、触觉等实时的感知手段作用于用户，使之与虚拟 世界进行交互，产生一种身临其境的效果。 v r 是一种可交替更迭的环境，人们可以通过计算机的各种媒体进入该环境， 并与之交互。虚拟现实技术有三大特点：浸沉感、交互性和构想性，又称为3 i 特性，如图2 1 。 图2 - 1 虚拟现买技术的3 l 特性 交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改 变感受的内容；想象性指虚拟的环境是人构想出来的具有实现一定目标的用途， 同时也包括感知不存在信息的能力；浸沉感是虚拟现实最主要的特征，它指的是 人浸沉在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉。 三维立体显示技术在虚拟现实技术中有着广泛的应用，其所呈现的影像与一 般的交互式三维计算机图形有较大的不同。其所呈现的立体图像由于其逼真的效 果，高临场的感觉，使人们有更强的“沉浸感”一种身临其境的感觉，大大 拉进了人与画面之间的时空距离，使得人与环境更加有效的进行互动，以更自然、 4 北京邮i 【1 人学硕i j 硼f 究生学位论义 更直接的方式与数据交互，可以从数据空间向外观察，从而能更真实地享受立体 影像所带来的趣味和快乐。同时也给技术人员及创作人员提供了真实的三维立体 显示场景，以便后者能够正确地创建出现实中的物理模型。 2 2 立体显示技术的分类 立体显示技术的分类，既有按照如何利用两眼视差、辐辏、运动视差、焦点 调节等人眼空问知觉机能来分类的方法，也有从立体显示技术硬件构成考虑按照 显示信息来分类的方法。这里将后者的分类进行介绍，如表2 - 1 。 表2 - 1 立体显示技术的分类 种类名称 偏光眼镜式 视差屏障式 两眼式或多眼式 立体图像显示 l e n t i c u l a r 式 超多眼式 3 d d a c 显示面积层式 体积型显示 旋转银幕式 光线再现全息光学单元 视差信息方式是显示从多个视点所拍摄的视差图像的方式。各视点图像所具 有的信息与普通二维图像完全相同，而三维坐标信息并不是直接记录的。现在已 经提出的立体显示技术方案几乎都属于这一类，可分为眼镜方式和裸眼方式( 意 思是不用佩戴眼镜) 。眼镜方式和裸眼方式又都可按左右图像的现实方式分为空 间分割和时间分割方式。眼镜方式中，具有代表性的空间分割方式有窥视镜方式、 偏振光眼镜方式、立体照片方式、普洱弗利奇方式。头盔显示器方式按其构造属 于窥视镜方式。时间分割方式中，快门眼镜方式已经广为人知，它也有偏振光眼 镜方式。由于这些眼镜方式在原理上都是由左右眼观看两幅视差图像，所以两眼 式是其基本形式。 裸眼方式有视差栅方式、条形透镜方式、全息光学单元方式、光源分割方式 和积分照相方式等。光源分割方式既可以是时间分割，也可以是空间分割的。这 些裸眼方式中，观看者所看到的图像是随着观看位置而变化的，能看到不同图像 的区域数取决于视差图像的个数。也可以按照视差图像个数的多少分为两眼式和 多眼式，其原理相同。此外也存在着积分照相方式那种的特殊多眼方式。 纵深信息方式是给x 、y 坐标所表示的二维信息加上纵深坐标z ，并将再现 5 e 京l u 学坝i _ ，学位论 空自j 内的三维坐标信息全部给予显不。截面再生方式是其主要方式，但阏其信息 量人而束得到充分开发。与此州反，有一种给各= 维图像的像素信息加上纵深位 置来作为立体信息的方式，这种方式在纵深方向上没有拥挤的图像信息，只需非 常少的信息量即可实现。我们把这种方式称为纵深再生方式，其中d e p t h f u s e d 3 d 方式和可变焦点方式足其代表方式。 波面信息方式与以上两类方式有本质的区别。视差信息方式和纵深信息方式 都是显示器件像素与再生点一一对应，而波面信息方式u r 以说各个点的信息记录 在i 己录部分的所在位置t ，这就是全息。再牛的时候，通过整个已录面所发出的 衙射光的干涉来再现图像。山于信息量大，实用化还需要段时间。但它的图像 质量非常好，诈在被作为理想立体显示器而继续研究。 2 2 1 视差型立体显示技术 眼镜方式立体显示技术的最大优点就是画面大和便于多数人观看。它常常应 用在电影和博览会上，给人们带柬愉悦感。俗称红蓝眼镜方式的立体照片方式因 为其制作简单、成本低廉，只要有台适的滤光片就可以。陕门眼镜方式也已成为 c r t 显示器市体化的主要手段，与偏振光眼镜方式相比，它多用于小掣立体显 示器的场合。随着液晶显示器技术的发展，其性能在不断的提高，民_ 【i j 品的商品 化也正在提高。 ( a ) 视差照明原理图( b ) 有效观看区域 图2 - 2 视差照明原理图厦形成的有效观看区域 裸眼的方式近年束发展比较快，形式比较多样，但基本原理都是利片j 光学板 遮挡形成具有立体感觉的视域，如视差照明法和多视图立体显示系统。祝差照明 法在背光源和液品屏之问增加狭缝遮挡板形成狭缝光源同时使液晶屏上奇偶列 北京邮电大学硬j ：研究学位论空 像素分别显示左右眼图像，这样在特定区域形成有立体感的观看区域，如图2 - 2 所示h 。多视图立体显示系统与此类似。只是将视差栅板放在屏幕前遮挡，如图 2 - 3 , 昕示1 5 1 。同样的还可以采用其他光学板进行遮挡，如双凸透镜f 微细半圆筒状 透镜1 等。应用在桌面显示上的效果如图2 4 所示n 图2 - 3 多视图立体显示系统 图2 - 4 德国真视心司生产的立体显示器的效果围 2 2 2 体积型立体显示技术 体积型立体显示方式的原理比较简单，即再现立体物体表面的散射光，通常 将三维物体分割成点阵或者分割成一系列的二维图像，再依次扫描利用眼睛 的视觉暂留形成立体图像。显然这种显示方式兼顾了眼睛自适应聚焦和辐辏的特 性，不会引起眼睛的不适。 北京i h l l l b 人学i ”究 位论 滤光片( 波kb ) 图2 - 5 体积型王体显示器方案的结构示意图 图2 5 是把待显示的立体物体分割成点阵再依次扫描成像的一种方案17 1 。图 中c a f 2 是添加了发光物质的透明荧光体，2 个光源将2 束长波的光聚焦到同一 点进行激发，从而发出可见光，只要依次进行三维扫描即可成立体像。类似的还 有图2 - 6 所示的f 本东京大学士肥波多研究室进行的“k 视距立体成像技术” 基础试验，其基本原理同样足各个点依次扫描图2 - 6 ( a ) 显示的是微凸透镜阵列 将光线聚焦到立体像对应的空间点上，再从馥点技散出去，从而模拟实际物体的 散射光，图2 6 ( b ) 为实际显示的不同空削位置的字符。图2 - 7 是将待显不立体图 像围绕中心轴分解成二维图像，再通过旋转依次扫描的一种装置其中心为可高 速旋转的显示屏。 。，二董：三三i 臀蓑暑 a ) 模拟示意图 黑图 立盛 b ) 实际显示投果 图2 - 6 日奉东京大学土肥波多研究室进行的“长视距正体成像技术”基础试验 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论义 图2 7日立公司研制的体积型立体显示装置 2 2 3 电子全息立体显示技术 由于全息的原理是再现物体的光波前，所以这是立体显示追求的终极目标。 通常全息照片的拍摄和再现使用的都是全息底片，为了能动态显示全息图像，可 以将全息图像用摄像机拍摄下来存成电子图片，在全息再现时用动态屏幕将全息 图像显示出来即可显示动态立体影像，这被称为电子全息立体显示。 准直透镜 图2 - 8液晶动画全息光路图 图2 8 是全息记录和再现的光路图，使用液晶屏来代替全息片，图2 - 9 是实 验结果。麻省理工学院媒体实验室制造的全息影像显示器【1 0 1 ，其原理是将电子全 息照片中的信息转换成超声波信号，作用于t e 0 2 透明晶体上，使得晶体的折射 率受到调制，当相干激光通过该晶体时就会产生相应衍射，所以这块晶体被称为 声光调制器，即这里使用a o m 代替全息底片来再现立体像。图中的其他装置是 为了逐点扫描全息片上的信息。 9 北京邮i l 学坝究学位 “) 原图像 ( b 1 仝息干涉条纹 c ) 非晶型面板上的再生图像【相位型) ( d ) t n 面板上的再生图像( 振幅型 图2 9 液晶动画全包再现图像 仝息图像的全息干涉条纹足每毫米多达10 0 0 7o o o 根之多的非常细的复 杂条纹，现在的显示器什技术还不能达到实用动态图像显示的需求。另方面， 对丁蹦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束进行记录的性质r ，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 面的图 像则可以通过对物体所发射波面的汁算，由计算机合成全息柬解决。 2 3 立体显示技术的应用 _ 维立体成像技术是一门有着悠久历史的学科方向，随着近年柬信息科学的 不断发展，又赋予了它新的内古，使得这门占老的学科焕发了新的活力，其应用 人体上叮以分为以下几个方面： 1 科学计算可视化i l ” 借助立体显示技术可以将数学、物理、化学等领域所获得的多维科学试验数 据，利用计算机进行直观的抽取、理解和显不，从而更有效地了解科学工程和学 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文 科规律。 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使用到立体影院。在立体影 院中，每次可供几十到近百人使用偏振光眼镜同时观看三维立体电影。使用偏振 光眼镜观看方式的观看者人数一般取决于会场大小等因素。现在构建的1 0 0 英寸 以上大画面、音响还有照明效果结合的多维娱乐电影院，还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 三维成像技术应用最多的是与人有接口的系统并且应用效果也最为明显。根 据r e i s i n g 和m a z u r 所进行的比较试验结果表明，由于在飞机驾驶舱使用了三维 显示器，将使得飞机驾驶员对于物体大小的判断精度提高近一倍。而c o l e 等人 的试验结果证实如果没有三维立体显示，要完成遥控机器手的任务几乎是不可能 的。 4 医学 过去，对脑部肿瘤病人进行确诊是很困难的，现在可以借助x c t 得到脑部 断层照片，从而得出准确的结论。脑部横断面的照片并不是照出来的，而是电子 计算机算出来的。计算机将x 光在各个脑部断层扫描后得到的信息，经过一系 列数学运算，转变成人们熟悉并且直观的图像信息，最后反映在胶片上或屏幕上。 计算机还可以利用灰度拉伸技术和假彩色技术使不易分辨的区域提高反差和上 色，并且还能把它转换为三维立体图形。医生可以将这个三维立体图像旋转，从 不同的角度进行观察；还可以从任意方向剖开，或去掉头盖骨的某个部分，以便 多方位地观察。 5 信息网络 因特网上所传输的信息是以图像和文字数据为主，这就要求在这种数据混杂 的视觉情况下提供容易观看的影像。为此，采用了图像分割式裸眼2 d 3 d 立体 显示器，按照提供立体图像的部分和提供文字数据的部分来控制图像分割机能的 通断。观看二维图像或文字的场合，图像分割功能置于关闭状态，使其与一般提 示二维图像的液晶显示器相同，只有当提示立体图像时才将图像分割功能置于接 通状态，以便能识别立体图像。 此外，三维立体成像技术在三维电视、c a d 、排版印刷、广告和军事等众多 领域的应用也十分普遍。 北京邮l 乜人学坝i ：研究生学位论义 第三章双目体视原理与深度感 立体视觉作为虚拟现实的第一传导通道，是使用户产生身临其境感觉的最重 要因素之一，对体视原理、人眼的构造和双目视觉成像系统的认知有助于我们找 出由于观看立体影像所引发的视觉疲劳的原因，再从认知方面找到解决问题的方 法，从而促进立体显示技术的长远发展。 本章将对体视投影原理、人眼的构造、人类视觉系统及视觉敏锐度的概念进 行简要的介绍，并从人的生理和心理两个方面对影响人眼深度感知的因素进行详 细分析，同时将对潘弄区与深度感知之间的关系进行论述。 3 1 体视原理【1 2 】【1 3 】 以人的双眼瞳孔为视点( 为左视点、为右视点、s v s r = b 称为眼基线或 目距) ，对同一物体在画面上所构成的对透视投影，称为体视投影，或称为体 视图。画面又称投影面，可以是平面或曲面，可以是一个面，也可以是复合面。 如图3 1 所示，当投影面为平面时，按投影面位置可分为h 面( 水平面) 体视图 ( a ) 和y 面( 正立面) 体视图( b ) 两种。眼基线b 可能与画面平行，也可能相交。 ( a ) h 面体视图( b ) v 面体视图 图3 - 1 体视投影原理图 由物体、画面和两个视点所构成的空| 、日j 称为体视空间，或称体视结构。如前 所述，体视图是分别将观察者的两眼各看作一个视点，生成具有一定视差体视图 对。对应于左眼的透视图称为左投影，对应于右眼的透视图称为右投影。在观察 体视图时，如能保证左眼只能看到左投影，右眼只能看到右投影，则可使体视图 1 2 北京邮i b 人学硕l ：研究生学位论文 对在观察者头脑中融合成一个三维图形，形成立体映像。如图3 1 0 ) 所示，空间 点彳在投影面h 上的左、右投影分别为九、彳r 。若两眼同时观察投影面，且左、 右眼分别观察左、右投影时，投影点彳工和彳r 就会跳出投影面，而在空间融合为 一点。若两眼处在绘制投影时的视点位置时，融合点彳就是原像。若从画面上立 起一个直杆a b ，点曰在画面上，即得左、右投影彳口、a 柏，用上述方法观察时， 二投影直线就会跃然纸上，融合成空间直杆a b 。 同样，如图3 1 ( b ) 所示，在观察v 面体视图时，根据物体相对画面的位置可 以伸向画面的远方或观察者与画面之间，从而形成强烈的深度感。一般在计算机 屏幕上形成的多是v 面体视图。对观察者来说，当物体在画面前面，则形成的 立体映像伸出屏幕，如物体在画面后面，则形成的体视映像在屏幕后方。前者称 为交叉视，后者称为同侧视。 3 2 视觉生理基础 在阐述双眼立体视觉原理之前必须对人眼构造进行简要的介绍，通过对人眼 成像特点的了解，可以更好的理解形成立体视觉的机理。 3 2 1 人眼构造 人类的视觉系统是由眼睛和视觉神经系统构成的【1 禾1 7 1 ，其结构如下图3 2 所 不。 图3 - 2 人眼构造 眼球最外层是角膜，角膜是一层无色透明的保护膜，保护眼球不受外物损伤。 眼球被直径约为2 4 m m 的球状巩膜所包时，巩膜的作用相当于一个保护壳和球状 暗箱。球状暗箱的前端开口中间处是晶状体，晶状体相当于照相机镜头上的凸透 镜片，它可以在肌肉的作用下改变形状，这相当于照相机镜头上的曲率发生变化， 从而可以调整焦距，以使被注视物体的像能够落在视网膜的表面上，使成像最清 1 3 北京邮l u 人学f 0 ；ll j 研究生学位论义 晰。晶状体后部是玻璃液，对光线有一定汇聚作用，可以辅助成像。 晶状体前面是虹膜，虹膜形成瞳孔。瞳孔可以张大或缩小，起到照相机光圈 的作用。虹膜根据外界光线的强弱来调整暗箱丌放的程度，以使进入视网膜光线 的强度产生的刺激不强也不弱。 眼睛的底部是视网膜，视网膜f 中是黄斑区，该区域对光信号最敏感，对物 体成像最清晰。视网膜的作用是将光信号变换、滤波和编码，形成神经系统的内 部表达信号，并传给视觉神经和中枢神经系统。 两眼瞳孔间距称作内瞳孔距离，成年人的瞳孔间距范围在5 3 m m 叫3 m m ， 平均为6 5 m m 。这个数值对后面的计算机成像系统有非常重要的意义，直接影响 到立体成像的质量。这样，由物体发出的光线经过角膜、瞳孔，到达晶状体，经 过晶状体、玻璃液的折射汇聚，成像于视网膜上。视网膜上的神经细胞将光信号 转换为电信号，通过视觉神经系统传送给大脑，经过大脑的处理，产生有用的视 觉信息。 3 2 2 人眼的成像性能 从人眼的构造来看，角膜、房水、虹膜和瞳孔、晶状体、玻璃液形成了一个 折光系统。上面已经况过，根据观察物体的距离和光线的强弱，眼睛可以自动调 节瞳孔大小和晶状体表面的曲率，使光线经折光系统折射后，使物体在视网膜上 成像，成为眼的成像性能。典型的正常眼处于静态状态时，光学常数如表3 - 1 所 示。 表3 - 1 正常眼的光学常数 折光界面 曲率半径 折光系数与角膜前 ( m m ) 界面前界面后 面间距离 角膜前面 7 8 1 0 0 ( 空气) 1 3 7 60 角膜后面6 81 3 7 61 3 3 6 ( 房水)0 5 晶状体前面 1 0 01 3 3 61 4 1 63 6 晶状体后面 6 o1 4 1 6 1 3 3 6 ( 玻璃液) 7 2 视网膜 2 4 4 人眼的光学系统如图3 3 所示。 设想将人眼折光系统用单一折射球面( 相当于角膜) 代替，该球面将空气和玻 璃液两种介质分开，使其与实际折光系统相当，所设想的这个人眼折光模型，称 为简约眼，如图3 - 4 所示。 j 下常人简约眼的大致常数如下： 玻璃液体的折射率咒 1 3 3 6 1 4 北京邮i 乜人学硕l ：研究生学位论文 物方焦距 像方焦距 1 6 6 8 m m 2 2 2 9 m m 简约眼的物像公式为： 一n ；上 ss 1 6 6 8 中s 、s7 分布表示物、像至界面( 单一璐面) 的距离。 折射率n = 1 空气 b a l n q o6n 卜 图3 - 3 人眼光学系统 图3 - 4 人眼折光模型 ( 3 1 ) 设物高为n 物体上的光线射入眼内，在节点( 在光轴上角放大率等于的点) 处交叉至视网膜，物高在节点交叉的张角称为视角“，即： “；y s ( 3 2 ) 物体在视网膜上的像高y7 为： c y 一= 一“；1 6 6 8 比 ( 3 3 ) 刀 物对人眼所张的立体角为： ( - 0 ；锄s i n 2 兰。至“2 ( 3 4 ) 44 、 像在视网膜上所占的面积为： 1 5 北京邮i 【1 人学硕i ：o f ，l 生学位论文 彳：寻万y “；2 7 8 m m 2 ( 3 5 ) 4 、7 视网膜上像的大小与视角和立体角的关系如表3 2 所示。 表3 - 2网膜像、视角、立体角的关系 视角视角( r a d )立体角( t a d 2 )像( m m )像面积( m m 2 ) 1 0 0 0 0 2 9 6 6 5 x 1 0 。80 0 0 4 8 51 8 5 x 1 0 5 5 0 0 0 1 4 51 6 6 x 1 0 。60 0 2 4 31 8 5 x 1 0 。4 1 0 0 0 0 2 9 16 6 5 x1 0 60 0 4 8 51 8 5 x 1 0 3 3 0 0 0 0 8 7 35 9 8 x 1 0 60 1 4 61 6 6 x 1 0 2 l o 0 0 1 7 4 5 2 3 9 x 1 0 40 2 9 16 6 5 x 1 0 2 2 0 0 0 3 4 9 9 5 7 x 1 0 40 5 8 2 2 6 6 x 1 0 1 5 00 0 8 7 35 9 8 x 1 0 。31 4 61 6 6 1 0 00 1 7 4 52 3 9 x 1 0 。22 9 16 6 5 3 3 单眼视敏度和体视因素 3 3 1 视觉敏锐度 视觉敏锐度简称视敏度，是指眼睛能识别处两个相邻发光点的能力，即能够 分辨物体精细形状的能力。敏锐度通常作为分辨率的度量标准，这对于显示技术 来说尤为重要，因为它可以帮助我们判断能够感知的最大信息量是多少。 把人眼恰能分辨出的两个发光点对人眼视角之倒数定义为视觉敏锐度。根据 r e d d y 的定义：视敏度是人眼能够分辨物体最小细节的度量标准【1 8 j 。它只是尺寸 大小的度量标准，而与目标的对比度无关。视敏度通常都是在最佳的照明条件下 进行评定的，例如，在明亮的光照下，黑色的字显示在白色的背景上。视敏度随 着网膜的视野变化而不同。如图3 5 所示是视网膜不同部位的视敏度。由于该曲 线图由c o r e n 总结出，所以也称为c o r e n 视敏度曲线图刚1 9 j 。 视网膜不同部位的视敏度的变化是与锥体细胞和杆体细胞的分布情况一致 的。因为中央凹的锥体细胞的密度最大，随视野扩大而锥体细胞大大减少，所以 在光亮条件下，视敏度在中央凹部分急剧上升，随视野增大而迅速下降。如中央 凹的视敏度为1 ，在黄斑区边缘视敏度下降至0 5 ，而最边缘则只有0 0 2 5 了。 1 6 北京邮i 【i 人学硕j4 p f ：j l 生学位论文 3 3 2 体视因素 创 钧 薅 耀 靛 娶 霉雾r 2 o o 舄异2 8 视野角度 视敏度随视野变化曲线图 空间知觉【冽看似普普通通，其实却蕴藏着惊人的现象：外界事物投射在网膜 上的影像是两维的，但人们的空间知觉却能包括原本不存在的第三维信息。这说 明在空间知觉中必定存在某些加工过程，将二维影像中隐含的深度线索解读出 来，甚至从二维影像以外找到目标深度的提示线索。关于深度线索的实验研究发 现，人们能够自动地利用本体肌肉感觉、透视、双眼视差等线索信息，产生深度 感和立体感。通常，我们将这些深度线索划分为两类：生理和心理深度线索1 2 1 lf 2 2 l 。 1 生理方面的体视因素 生理方面的体视因素包括以下4 个因素： ( 1 ) 辐辏 sr 图：3 - 6 辐辏和辐辏角 辐辏指的是双眼视轴的辐辏。如图3 6 ，左、右眼的节点分别为& 、，注 视点为彳，则左、右视轴为洲初品a ，a = 以，称为对点彳的辐辏角。 设注视点a 到眼睛的距离为d ，眼基线= 曰，则辐辏角为 1 7 8 5 3 暑 图 2 北京1 1 i | jl 也人学倾l ：研究生学位论义 日d = b d ( r a d ) 一5 7 3 b o ( o ) 一般情况下取b = 6 5 m m 。 当我们在观察一个物体时，双眼辐辏使物体影像落在两眼相对应的位置。物 体距离发生变化时，双眼辐辏角的大小也随之改变，而辐辏角大小的改变依赖于 眼球的六条外部肌肉( 内、外、上、下直肌及上、下斜肌) 的协同运动，这些的动 觉信号传到大脑，便构成一种深度线索。在看近距离物体时，眼球外部肌肉紧张 度增加，两个眼球转向鼻侧，视轴趋于集中；看远距离物体时，眼球外部肌肉紧 张度减少，视轴趋于平行。 ( 2 ) 焦点调节 当我们在特定距离观察一个物体时，眼睛的睫状肌会调节晶状体的屈度，尽 可能使影像落在视网膜的中央凹上，以保证网膜影像的清晰。看远物时晶状体较 扁平，而看近物时较凸起。在没有其他深度线索时，眼睛的这种适应状态便可以 作为估计物体距离的线索。但是眼睛的适应对深度感知所起的作用并不大，一般， 这种线索所提供的信息只限于距日艮球1 0 米范围内才是有效的，所以它属于近距 离的弱距离线索。 a t ； a r 显j i 平曲、， 7 v荫 、八二 1 州j 足i 蔑 薹 么 b 、l7 l 买物视立体视 图3 - 7 辐辏与焦点调节的关系 图3 7 简单的表述了辐辏与焦点调节的关系。当双眼观看实物时( 实物视) ， 辐辏与焦点调节功能是保持一致的；在观看立体图像时( 立体视) ，辐辏与焦点 调节功能不保持一致。f 是这种双h 艮辐辏功能与焦点调节功能不一致性的矛盾导 致在观看立体图像时产生视觉疲劳，对此后文中会做更加详细的阐述。 1 8 北京邮l u 人学硕i j 研究生学位论文 ( 3 ) 双眼视差 图3 8 双眼视差 如图3 8 ，有两个像点彳和b ，距离眼睛一近一远。当落入左眼网膜时在4 工、 晚上，落入右眼网膜时在彳补b r 上。这种两只眼睛视网膜像的差异称为双眼视 差。由图可见弧a l b l 弧a r b r ，它们的差，即弧a r b r - - 弧a l b l 就是视差。么、b 亮点在空间相距愈远则弧a r b r 和弧爿邙l 的差就愈大。可以证明视差就等于彳和 b 在两眼的两个张角之差，z 彳一么占。 双眼视差是感知立体物体和两个物体前后相对距离的重要因素。借助于双眼 视差比借助其它各种因素更能精细地感知相对距离。特别是在缺乏其他条件来估 计对象距离的时候，双眼视差更为重要。距离和深度视觉是双眼的主要机能。 当双眼观察不同距离的两个点时，该两点的距离差值必须超过一定限度，才 能辨别出二者深度的不同。双眼能够辨别两点深度不同的这种能力称为深度锐度 或体视锐度。 ( 4 ) 运动视差 运动视差是指视觉对象不动，而头部与眼睛移动时，所给出一种强有力的深 度线索。这是由于三维空间的各物体分布在离观看者不同的距离上，头部运动确 实地改变了网膜上的物体影像的相对位置，因为这些物体是相继地从不同角度被 观看的。比如，如果头向左运动，较近的物体好像移位到右边，而较远的物体则 好像移向左边。在日常生活可以经常找到说明这种情况的例子。例如，你可手持 圆珠笔置于一臂之远，并使这支圆珠笔和房间任何距离上的物体( 例如，一只吊 灯) 成一条直线。此时，闭上一只眼睛，虽然你明明知道圆珠笔是在近处，但看 起来几乎并非如此。然而，仍闭上一只眼睛，沿着水平方向摇动你的头，哪怕是 一次微小的运动，就会产生明显的深度感知效果：你会发觉圆珠笔和你的头成反 方向运动，而吊灯和头成同方向运动，这时你便能清楚地意识到吊灯在远处。 2 心理方面的体视因素【2 3 l 【2 4 l 体视的形成，除生理因素外，还有下列一些心理因素： ( 1 ) 直线透视 根据几何透视学中近大远小的原则，我们会感觉到空间中的一组平行线会聚 1 9 北京邮l 乜人学硕1 ：研究生学位论文 于某一消失点，这种平行线影像的会聚被称之为直线透视。当观看景物时，建筑 物、树木等景物越远，其问隔和高、宽尺寸显得就越小，这种透视规律是深度判 断的重要线索。 ( 2 ) 阴影 从光源处发出的光照射在物体表面时，其光照度是与物体表面离光源距离