国内外的立体显示技术研究情况概述.doc

国内外的立体显示技术研究情况概述立体摄影技术是立体成像技术的先导，本世纪二、三十年代，人们进行了一系列机械快门、红绿分色、偏振光式等立体照相技术的实验。在此基础上，英国首先进行了机械快门式立体电视的实验，标志着立体显示研究的开端，近半个世纪以来，国外相继有人提出并研制了分路式立体电视系统、分色式立体电视系统、偏振光式立体电视系统、普氏摆效应立体电视系统、时分式立体电视系统等立体电视方案。其中分路式立体电视系统是最早研制出的一种立体电视系统，分路式系统由同一同步发生器控制的两路普通二维电视系统和一个光学装置组成。在系统的发送端，视差图像的产生是由相隔一定距离的两台普通摄像机同时对同一景物并列摄像来实现。左摄像机模拟人的左眼，右摄像机模拟右眼，两台摄像机的相隔距离模拟人眼的瞳孔距。这样，左摄像机靶面上的像相当于观看景物时左眼视网膜上的像；右摄像机靶面上的像相当于右眼视网膜像。从而，从左、右摄像机获得了具有视差的左图像和右图像。摄像机输出的具有视差的左、右图像信号经两路传输通道分别送至接收端的两台电视机进行显示。两台电视机各自显示的左、右路图像经过一个光学装置分别送至左、右眼，实现了视差图像的分离。观看者利用一个光学装置观看显示的图像，大脑根据左、右眼看到的视差图像融合成立体视觉像。由于在这个系统中，左、右图像的摄取、传输、显示都是各占一路，因此需要两套电视信号发射、传输与接收系统占用两个电视频道，无法与现行广播电视系统兼容而且体积较大，只能供一人观看 分路式立体电视系统原理图分色式立体电视系统的组成如图所示。这是一种只能传输黑白图像的立体电视系统。发送端视差图像的产生与分路式相似，也是用两台左、右相隔一定距离的普通摄像机并列摄像，不同的是分色式系统只能用两台黑白摄像机而不能用彩色摄像机。左、右摄像机摄取的左、右视差图像信号经两路信道传输后，分别送至接收端的两个黑白显像管，各自显示出左、右图像。为了实现两眼对视差图像的分离，使观看者左眼仅看见左图像、右眼仅看见右图像，必须先对显像管显示的左、右图像进行处理，人为地赋于左、右图像不同的特征，然后，人的左、右眼利用这些特征将左、右图像分离。在分色式系统中，是对显像管显示的左、右黑白图像进行分色处理，即使左、右黑白图像通过不同颜色的滤色片，成为彩色不同的左、右图像。彩色不同，即是光谱不同。因此，使左、右图像具有颜色不同的特征，就是使其在光谱上分开。如图及所示，在显示左图像的黑白显像管屏幕前放置红滤色片，显示右图像的显像管屏幕前放置绿滤色片。这样，通过红滤色片的左图像呈现为波长较长的红色，通过绿滤色片的右图像则呈现为波长较短的绿色，两者在光谱分布上已经分开。为了便于观看，两个显象管相互垂直放置，分色后的左、右图像利用一片半反射半透明镜进行合成。于是，红色光谱的左图像透过半透明镜到达人眼，绿色光谱的右图像经过半透明镜反射后到达人眼。观看时，观看者要戴上由红、绿滤色片组成的眼镜。眼镜的左眼镜片是只允许红光光谱透过的红滤色片，右眼镜片是仅允许绿光光谱透过的绿滤色片。因此，观看者戴上这种眼镜观看半透明镜时，左眼仅能看见红色左图像，右眼只能看见绿色右图像，通过融合，在感觉空间中形成立体视觉像。分色式立体电视系统，由于红、绿视差图像的混色作用，最终形成的是黄色立体像。分色式立体电视系统原理图滤色镜式立体电视系统也是属于分色式立体电视的范畴，在两个距离为目距的彩色摄象机镜头上安装红色滤色镜和青色滤色镜，于是这两个摄象机输出的分别是红色和青色（由绿色光和蓝色光相叠加而成）电视信号着两种信号经过编码以后可以在一个信道中传输，可以被普通的彩色电视机接收。1983日本东京电视台曾经试播过这种分色式立体电视信号，但终因彩色失真严重、色竞争引起视觉疲劳等分色式立体电视系统自身的缺陷而停止试播。偏振光式立体电视系统的发送端与分路式系统相同，也是用两台左、右相距一定距离的黑白或彩色电视摄像机并列摄像，获得左、右视差图像。摄像机输出的左、右图像信号分两路传输。接收端用两个黑白或彩色显像管分别显示左、右图像。为使两眼对左、右图像进行分离，即使左眼仅看见左图像，右眼只看见右图像，偏振光式立体电视系统中采取在接收端对两个显像管显示的左、右图像进行偏振化处理，使左、右图像变为振动方向互相垂直的偏振光图像。这样，经过偏振化处理的左、右图像被赋予了偏振方向不同的特征，便于检偏器将二者分离。 对左、右图像偏振化处理的具体措施如图所示。偏振光式立体电视系统的原理图在两个显示左、右图像的彩色显像管屏幕前分别放置一个起偏器，使两个起偏器的主截面互相垂直，也就是使两个偏振片的偏振方式互相垂直。这样，两个显象管显示的左、右图像本来都是荧光屏发出的自然光，经过各自前面的偏振片后变为偏振光。由于显示左、右图像的显像管前的偏振片的偏损方向互相垂直，所以，经过偏振片后的左、右图像就变成振动方向互相垂直的偏振光了与分色双路系统相同，两个显像管相互垂直放置，利用半反射半透射镜合成偏振光左、右图像，作为观看屏幕。观看时，要使左、右图像分离。现在就是要使振动方向互相垂直的两个偏振光分离为此，采用两个偏振方向互相垂直的偏振片作为检偏器，并使检偏器偏振方向与对应的起偏器偏振片的偏振方向平行，即可将互相垂直的偏振光左、右图像分离。实际上，观看时用的检偏器为使用方便，作成眼镜型式，称为偏振光眼镜这种眼镜用偏振方式互相垂直的偏振片作为左、右眼镜片。装配时，不仅要保证左、右镜片的偏振方向互相垂直，还必须满足检偏器偏振片的偏振方向与对应的位于显象管前的起偏器偏振片的偏损方向平行的要求。这样，观看者佩戴偏振光眼镜观看偏振光式立体电视时，可以使左眼看到左图像右眼看到右图像，人的大脑将这两幅图像合成即可使人产生立体感。偏振光式立体电视系统存在着与双路式立体电视系统同样的缺陷即需要两套电视信号发射传输与接收系统占用两个电视频道无法与现行广播电视系统兼容。其另一个缺陷是当观看者头部稍有摆动时偏振眼镜的偏振方向将不再于起偏器的偏振方向垂直，从而使左、右图像不能彻底分离而丧失立体效果。所以偏振光式立体电视系统的实用价值不大。普氏摆效应立体电视系统是利用普尔费里希摆（Pulfrich）效应产生立体视觉效果。普尔费里希摆效应可用图下说明。如果用两眼观看在垂直平面内摆动的单摆时，在一只眼睛（如右眼）前放置中性滤色片F衰减入射光，而另一只眼睛直接观看。这样，当单摆从左向右摆动时，看起来摆离开观察者的距离比真实距离近一些；而当摆从右向左摆动时，看起来摆离观察者的距离比真实距离远一些。结果，实际空间中的单摆运动，看起来在作圆锥运动。也就是说，在实际空间中的平面内的运动，在视觉空间中好象在作三维运动。这就是普尔费里希摆效应。这个现象产生的原因是人的视觉响应速度与光刺激的强度有关。当进入眼睛的光强度减小时，视觉反应时间变长，即视觉反应变慢。如图所示，单摆向右摆动时，右眼因为有中性滤色片对光的衰减，进人右眼的光强比左眼的小，因此，右眼视觉反应比左眼慢，右眼看到的摆的位置比左眼看到的位置似乎要偏左一些。这样，两眼看单摆时产生了双眼视差。由前述图的分析可知，此时由双眼视差融合成的单摆在视觉空间中的位置是在摆的真实运动平面的前面，即看起来摆离观察者的距离比真实距离的近一些。反之，当单摆从右向左摆动时，由于右眼减光片减光，视觉响应变慢，右眼看到的摆的位置比左眼看到的位置要偏右一些，由图分析可以知道，这时由双眼视差融合成的单摆在视觉空间中的位置是在摆的真实运动平面的后面，即看起来摆离观察者的距离比真实距离远一些。观看利用普尔费里希效应的立体电视时，观看者只要戴上一副一片镜片为减光片的眼镜即可，当屏幕显示的场景中有水平方向运动的物体时，由于普尔费里希效应而产生立体视觉效果。显然，这是一种人为的立体感，而不是由于景物光实深度形成的立体感，因而不逼真，而且只有当电视显示水平运动的景物时才能产生立体效果因此普氏摆效应立体电视系统几乎没有应用价值。时分制立体电视系统是由日本的研究人员首先提出的，时分制立体电视方式是由立体摄象机按照奇数场、偶数场的时间顺序摄录图像，其中奇数场的图像取自立体摄象机的左镜头，偶数场图像取自立体摄象机的右镜头，奇数场图像是给左眼用的，偶数场的图像是给右眼用的，这种方式克服了立体电视信号占用两路带宽的严重缺陷，可与现行广播电视体制兼容。观看者可以通过与奇数场、偶数场同步切换的遮光器观看电视屏幕上分时显示的视差图像，由于人眼的视觉暂留特性，故可以看到立体图像。现行的广播电视制式的场扫描频率为50HZ(PAL制)分时观看时每只眼睛每秒只能看到25场图像因此在观看时分式立体图像时会产生严重的闪烁感，令人难以忍受。这是时分式立体电视发展的最大障碍。近几年随着计算机技术的发展,基于计算机的立体图像显示与处理开始受到广泛的重视,美国的SUN 公司、 StereoGraphic 公司 德国的ELSA公司都在立体图形图像的生成与显示方面进行了研究并且推出了各自的产品，但是这些产品普遍存在兼容性差、依赖于特定的图形工作站、价格昂贵的缺点，因此，未能得到广泛