立体显示系统的分类.docx

立体显示系统的分类：图像空间的特性和可预测性巴里G.布伦德尔和Adam J.施瓦茨摘要：各种各样的立体显示系统在过去的90年中已经提出来了。为了方便各种方法之间的比较，定义包括这种类型显示的三个子系统，作为一个分类方案的依据。一些立体显示系统配置的一般特性的研究，强调有关的立体图像描绘的可预测性问题。图像空间的关键特性被确定和方式的复杂性，取决于显示单元的子系统是不是用来表明几个目前的立体显示技术。关键词立体的，3D，可视化，显示系统，图像算法。1引言3D显示系统允许在一个透明的体积（图象空间）产生，吸收或散射的从一组局部区域的可见辐射（体素）。在适当的电脑控制下，大量合适的图像数据可以构造。由于这些图像能够占据三个物理空间，一些视觉深度误差，如双目视差，运动视差，自然是满足的。许多立体显示系统允许观察一个几乎无限制的范围位置，这一点，与固定的所显示的图像的三个维度一起，表示立体系统和其他3D显示方法之间的本质的差异。自从1912年来，立体系统的成就所采用的各种差异化的方法，使得很难有一个标准化术语和设计策略来展现，这通常阻碍立体显示的成就与其他类型三维显示的比较。最近的一些出版物根据该图像形成空间由迅速表面移动或静态配置合适的材料或部件来归类立体显示系统。尽管立体系统的这方面的实施会相当大的影响其他性能，显示子系统都有平等的相关性，即物理过程中产生的在图像空间的可见三维像素和机制用于这一过程的刺激或激活。进行立体显示系统研究一般集中在详细的实施问题和系统级方法，其设计和特性并没有被采纳。这就造成了努力的重复，影响了显示系统的整体性能。通常情况下，立体架构已在数量，形状，位置缺乏可预测性，与所显示的三维像素的分布，包括图像，因此，在其可觉察到的质量。此外，该图像空间的光学特性往往是不充足的。因此，图像被观察最有利的位置时，在一个特定的（有限的）图像的空间区域，以一定的方式，并从一个特定的位置观看。这是不受欢迎的，自从它使操作者必须有一个详细的了解，在显示系统的实现技术方面。此外，当描述这样一个系统，该一个数据集不能保证原本再现，所以，重要的信息可能会在不经意间丢失了。在第二节中，一些术语和包含立体显示的三个子系统被定义。基于这些性质而分类，然后，提出了子系统。这扩展了现有的基于图像空间的分类方，能够适应大多数（如果不是全部）的立体成就，和形式与特点讨论的基础各种显示系统的实现。在第三节，基本的指标，称为三维像素激活能力，三维像素位置的能力，和填充因子，是介绍了各种特征的影响一个立体系统的可预测性描述。这些涉及到均匀性和各向同性的三维像素的位置和密度，属性独立性，三维像素的扩散，和一般的光学性质图像空间。这些特点较为缺乏，这些问题的重要性，通过考虑他们在何种程度上是由不同类别的支持立体显示来证明。图1、立体系统在图像空间创造和三维像素生成子系统自下而上的分类。三维像素激活的系统没有提供额外的子分类，这是三维像素生成机制的选择。2立体显示系统的一个自下往上的分类体系图2、静态容量系统在图像空间的创造和三维像素生成子系统的自下而上的分类。虽然三维像素的激活机制是在三维像素生成子系统的一部分，图像创造空间非齐次类可以搭配三维像素激活的子系统。术语立体显示装置是指用物理硬件，响应电刺激，负责的可见光图像的创作。立体显示系统包括显示单元和相关的图形引擎的硬件和进行必要的数据处理和控制软件，如果必要的话，校准该显示单元。通过图形引擎处理后，图像数据以一组三维像素的描述符的形式被施加到显示单元。各种体素的属性（如形状、体积）是由显示单元的物理技术实现的。然而，其他属性（如位置，颜色，强度等，也许，在未来的显示单元为例，不透明度）可以用每个三维像素的描述符定义。任何立体显示单元都包括三个主要子系统分别为图像空间的创造，三维像素的生成，与三维像素的激活。这些子系统的性质可为三维立体显示技术的分类提供一个自底而上的方法。2.1图像空间子系统图像空间产物子系统定义了采用透明物质形成立体图像的技术。对于一般情况来说，有两方法创造像空间。第一种，一个距离显示装置可以通过周期运动扫描出图像空间，因此，来定义最大长度。对于这种方法称为扫视显示单位。另外，图像空间可以包括一个静态的材料（或材料的安排）。这种类型的显示单元，将不依赖于机械运动，分类为静态流量显示单位。扫视显示单元根据平面运动的性质，可分为旋转或平移，其几何形态（图1）阴极射线球体（CRS） 5 和螺旋激光三维（hl3d） 6 系统提供立体显示单元采用旋转运动。在CRS的情况下，图像空间由一个平面的旋转运动产生，而hl3d显示采用表面所产生的螺旋。一些尝试已采用平移运动去实现立体系统， 7 ， 8 ， 9 。然而，为了描述那闪烁的图像，表面必须横贯图像空间超过25Hz频率和它已被证明难以以这样的速度扫出有用的尺寸图像空间。静态立体显示单位的分类结构（图2）强调图像的空间特征的光的重要性。如果图像空间包括一个单一的材料，立体将光齐。或者，应该主动矩阵离散三维像素生成的中心是在其实现，；立体可能是光非均匀的，这会影响光在跨越图像空间的直线传播，导致的图像质量与观察方向的变化。2.2三维像素的生成和三维像素激活子系统三维像素产生子系统的物理方法采用明显的三维像素的生产。在立体显示单元的情况下，表面可被动的，通过外部刺激的，由三维像素激活子系统，可能会感应到发射到指定地点的光。CRS提供的一个采用三维像素的一种被动方法显示单元的例子。在这种情况下，平面包括短余辉和三维像素是通过一个或多个定向电子束撞击它激活的。根据分类方案，这显示被描述为一个采用被动的平面旋转运动单元屏幕寻址扫描显示单元。另外，旋转表面能采用光电元件的有源阵列形式 10 。通过一个适当的电刺激应用（如由三维像素的激活子系统的定义），这些三维像素生成中心可以导致多个像素的周期运动。如图1，立体显示单元采用无源像素生成子系统隐式束寻址和使用离散的像素的有源阵列系统中心直接处理。静态容量系统可以包括被动的和活跃的三维像素生成技术。通过三维像素生成两步激发过程 11 ， 12 ， 13 区域内两相交束源可以实现气体介质和那样显示单元或非气态将被描述为束寻址静态容积采用无源气体和被动非气态媒介。粒子云的包裹或悬挂类别允许可以使用的显示单元的结合，例如，一个悬浮的云磷光体颗粒 14 3像空间的可预测性三维像素激活能力的定义为总三维像素可能在每个图像激活刷新期间，可以用表示这个式子T表示单位时间需要激活每个三维像素，FR图像的刷新频率，和P的平行度通过三维像素激活的三维像素组合支撑生成机制。从而将三维像素激活能力最大化，它显然是希望减少三维像素的时间和图像的刷新频率。然而，最小的三维像素的时间是由三维像素的生成和活化的技术限制的，在一般情况下，减少T将导致图像强度的减少。大多数容积显示器采用瞬态在三维像素生成子系统的发光现象。其次，活化刺激去除后，激活三维像素迅速衰减到非活动状态。因此，为了避免不可接受的图像闪烁，最小图像的刷新频率必须大于闪烁融合频率。例如，如果一个像素的时间为100ns，假定刷新频率为25Hz，然后，显示单位在体素激活序列（P=1），其三维像素的激活量为400000。在三维像素的激活能力显著提高为了允许一个详尽的扫描（在一个适当的分辨率）立体图像的空间（有用的尺寸）可以只取得了在三维像素的生成和激活子系统并行支持。在多数情况下显示单元提出日期，技术的局限性已经严重限制在三维像素激活的并行性，因此，这就排除了一个详尽的扫描。此外，使空间分离的形式物易于识别，图像的较大部分空间必须是无效的。因此，自然的问题这可能是由详尽的好处扫描（或处理）的所有可能的三维像素的位置，和在使用束源体系统的情况下激活，点阵图形扫描技术 15 最普遍被使用。显示原型一般提供含有大的图像空间潜在的三维像素位置只有一小部分这可能是在每个图像激活刷新期。在这种方式中，它有，在原则上，可能允许高密度的三维像素群的激活（和所以容纳精细图像细节的描写），确保要求放置在三维像素激活子系统是从图像空间很大程度上解耦尺寸。我们将尽可能多的三维像素位置作为三维像素位置容量NL和介绍填充因子，它表示为理想情况下，立体图像的组件应该被重新定位和/或重新定位，数量和三维像素的空间分布从它的形成应不变的。一般来说，任何有限的分辨率显示系统将使这一目标得到充分的实现。然而，在这方面，如果不是大多数立体系统提出的日期特别令人失望的不良特性和极端相对于图像的位置经常被限制的图像描述图像空间的某些地区。不均匀的图像的空间特性和各向异性相对于三维像素位置一般都排除了被归因于可能的直角坐标系三维像素的位置，所以，它一直是一个常见的手工操作做法的规模，位置，和重新定位的一个设置为图像数据，它最有利地描绘。这样的图像空间缺乏可预测性（特别是当用来描述动态图像序列），这是不良图像保真度无法保证的。1、 三维像素的位置：位置在它可能在图像空间位置的像素应该是均匀的和各向同性的。2、 体素密度：可用体素点的密度应足以代表所要求的水平在图像空间的图像细节。3、 三维像素的属性独立性：每个像素有一个相关的属性集，其中一些可能是通过显示单元（子系统确定例如，大小和形状）和其他可在图形引擎（例如指定，位置和强度）。所有这些属性应该是相互独立的，做出任何改变应该对其他属性没有影响。4、 三维像素属性保真：显示单元应忠实地再现（到指定的精度）包含在每个三维像素描述属性（这个要求是隐含在项目3以上）。5、 体扩散：在显示单元不支持最大填充因子的情况下，三维像素可选择组合在每个图像更新周期应激活不通过显示单元子系统的限制。因此，提供的三维像素激活容量不超过，任意组合三维像素表示的位置（定位能力）可能被激活。6、 光学特性：该图像空间具有光学均匀性和各向同性。此外，还必须考虑图像的空间边界的影响出射光。在一般情况下，显示单元没有表现出这些令人满意的特点。作为一个结果，以下措施的实施，它常常被证明有必要通过优先对图像数据的操纵弥补各种图像空间不足。图形引擎不能，然而，在图像空间中补偿任何不良的光学性能。透明度和材料折射率的影响光的通过率和可能导致的图像质量变化伴随着观察方向和图像位置的变化。此外，即使图像空间由一个各向同性的材料产生，出射光被折射在图像空间的边界，导致图像失真，也许，减少明显的图像空间。这些不同的因素影响的可预测性，最好是通过一些显示单元的等级来说明。系统下面选择了最好例子来说明在设计过程中的重要性。3.1静态立体显示单元包括三维像素生成中心阵列虽然静态立体系统采用三维阵列像素生成中心（例如， 16 ， 17 ， 18 ）可以构建出可接受的三维像素的位置，属性独立性，和三维像素的扩散特征，三维像素的密度和光学均匀性有问题的。显然，如果一个要求图像空间（有效尺寸）相适应的细节描写，一个三维像素生成中心相当数量和相关连接将被要求。除了光特性的众多组件，必须在图像空间仔细匹配 18 ，图像质量可根据观看方向不同而不同。此外，图像的清晰度也会受到它描绘的图像空间深度的影响。三维像素生成的中心被嵌入到一个固体物料，出射光折射发生在图像空间的边界。这将影响显示应用的适应性，图像分量的精确的几何形状非常重要。作为一种三维像素的产生中心的结果，要求这种类型显示的实施，三维像素的激活是有问题的，特别是当灰度的实现被考虑。图形引擎和显示单元之间的联接可以通过引入一个行和减少列寻址技术来实现。然而，它是可能的，图像闪烁问题将必然降低填充因子，所以在每个图像更新周期只允许一小部分三维像素生成中心总数被激活。在这种情况下，三维像素激活的子系统所约束的三维像素可能的空间分布结构在每个图像更新期间激活的选择，三维像素的扩散特性将受到损害，因此，图像空间的可预测性将减少。3.2扫视显示单元采用有源表面的平移运动在这类显示器中，每个像素生成中心负责多体素的生产线性路径。扫描体显示单元的基本优势采用有源像素生成技术在静态体积对应关系减少三维像素生成的中心所需的数要达到同样的三维像素激活的能力。尽管在原则上在运动的每个半周期来刷新像素的表面是可能的，对于表面来完成其每一个完整的周期运动在闪光融合频率 19 是必要的。不幸的是，它已被证明难以发展机械传动系统，在这样一个高频率的有用的维度空间需要扫描图像。原则上，这种类型的显示单元提供的均匀性和各向同性三维像素的位置（相对于三维像素描述输出可配合表面的速度剖面）可以构造为具有满意的三维像素密度。由于填充因子可能是百分之100，三维像素扩散没有限制。此外，由于该折射率图像空间，在图像空间的边界的折射率是可以避免的。（然而，一些折射可以发生在采用保护血管图像空间的外面。）平移运动为图像空间的创造限制的观看位置范围（基本上是的前面和后方）然而，对于许多应用，这是可以接受的。3.3扫视显示单元采用一个活跃的平面旋转运动通过平移运动的方法实现图像空间创建子系统的实际困难导致了在当代多数的立体显示单元中旋转运动的采用。旋转表面在对称旋转轴的两侧延伸，每个三维像素的两次旋转是可能的，在这种情况下，最小的旋转频率可以是一半的闪光融合频率。至少一个这种类型的显示单元利用活性三维像素生成的中心