基于图像对的双眼显示系统

1、基于图像对的双眼显示系统摘要：双眼显示技术是一种重要的3D显示技术。根据人眼产生立体感的原理，通过特定的软件和硬件构造，将不同的图像送入左、右眼，利用两眼间距产生双眼视差，再经过大脑融合使我们感知到具有景深的图像。双眼显示技术在广告、宣传、娱乐、教育等领域具有广阔的应用前景。本文首先介绍人类视觉的特点，然后讨论双眼显示的基本原理，最后利用Matlab编程实现了基于图像对的双眼显示系统。 关键词：双眼显示 3D显示 双眼视差 中图分类号： TN911.73文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）05-0112-02  1、引言 现实

2、世界是真正的三维立体世界，而现有的显示设备绝大多数都只能显示二维信息，并不能给人以深度感觉。当今来自计算机、卫星、先进医学成像设备、制造设计中的虚拟样机、战场环境的精确模拟以及地质勘探等各个领域的数据与日俱增，人们越来越希望能将这些数据变换成人们更易理解的形式，也就是真正的3D显示的形式。3D显示技术是现代新型显示技术发展的必然方向，它将会成为世界未来光电子技术的重要支柱产业。目前的3D显示技术主要可分为三类：（双眼）体视显示技术、体显示技术和全息术。双眼显示技术由于具有独特的性能受到广泛的关注。人的双眼之间有4-6cm的距离, 所以实际上看物体时两只眼睛中的图像是有差别的，双眼显示技术正是根

3、据人眼的这种特性，借助眼镜、头盔等设备，使人的双眼分别看到两幅不同的视差图，这种双眼的视差经过大脑的融合使我们感知到具有景深的图像。这种技术可以广泛地用于机器人导航、精密工业测量、物体识别、虚拟现实以及娱乐等方面。国内如南京大学1、南航2以及华东光电技术研究所3等都取得了重要的研究成果，国外如荷兰的Phllips、美国DTI 、日本的夏普等在双眼显示技术上都有产品推出。本文将在第2节介绍人眼的深度感知，第3节介绍双眼显示技术的基本原理并利用Matlab编程实现了一个简单的双眼显示系统。 2、人眼的深度感知 人眼除了对颜色和亮度，时间频率和运动物体有相应的感知能力外，对深度也

4、具有敏锐的感知能力。如图1所示，空间点在平面上的左、右投影分别为。当左、右眼分别观察右、左投影时，投影点和就会在空间融合成一点。若两眼处在绘制投影时的视点位置时，融合点就是原像。人对3D的感知主要分生物物理刺激和生物心理刺激两部分。其中生物物理刺激包括了调节、会聚、运动视差和双眼视差。 2.1 调节与会聚 当人眼借助于纤毛体肌肉的拉伸，使眼睛聚焦在所感兴趣的物体上时，称为调节，无论使用单眼或是双眼观看物体时，这种调节效应也都是存在的。当我们用双眼观察物体上的一点时，两视轴向同一注视点合拢并给出一种深度感的心理暗示，称为会聚，会聚运动产生了深度感知。人依靠会聚所提供的信息能相

5、当准确地判断在45m范围内的目标距离。 2.2 运动视差与双眼视差 在视场中，即便物体运动速度相同，但在观察者眼里，离他近的物体比远的物体运动的快，这就是运动视差。人的双眼具有一定的空间距离，瞳孔间距约为6.5cm，当双眼观看同一三维物体时，双眼是从略微不同的角度注视的，从而双眼视象会稍有差异，也就是说双眼视差实际上就是对空间中一个给定点在两个视网膜上投影的位置上的差别。目前发展起来的各种由平面二维图象产生出立体三维图像的技术正是利用这一基本原理。 双眼视差深度刺激是由水平视网膜视差引起的，感知深度与双眼视差有如下关系： 其中，是双眼间距，是视距，是双眼

6、视差，是感知深度。对上式进行适当的变形得出深度与双眼视差之间的关系为： 当物体位置确定时，是常量，因此感知深度仅受到视差变化的影响。当物体在显示屏前时，物体随着视差变小而变远；当物体在显示屏后时，情况正好相反。实验证明，双眼视差因素单独起作用时，当视距超过250m时，人眼会失去立体感4。 人们并不是从一开始就意识到双眼视差的重要意义，直到1838年Wheastone发明了立体镜以后，才了解到人类产生立体视觉的真正原因5. 1960年，美国Bell实验室BellJuleaz设计了计算机产生的随机点立体图对RDS，其原理是利用计算机制作两张结构完全相同的随机点模式图片，两张图的

7、区别是上有一些对应区域在水平方向上作了相对平移内移或外移。通过单张图片是感知不到任何深度信息的，但如果将图片放在立体镜下，使左右眼分别看左右图，那么，相对内（外）移形成交叉视差的立体像凸（凹）于平面。如果将两张图分别用两种颜色通常为互补的红绿色重叠着套印成一张复合图片，人眼通过特制的滤光片例如红绿镜片来观察，同样可以感知到立体视觉。 3、双眼显示技术 目前的3D显示技术主要可分为三类：双眼显示技术、体显示技术和全息术。其中双眼显示通过特定的软件和硬件构造使人的左、右眼得到不同的图像，这种双眼的视差经过大脑的融合使我们感知到具有景深的图像。 3.1 基本分类

8、0;双眼显示技术通过特定的软件和硬件构造，将不同的图像送入左、右眼从而产生双眼视差，再经过大脑融合使我们感知到具有景深的图像。目前存在的体视显示技术主要分成戴眼镜的双眼显示技术和自动双眼显示技术。戴眼镜的双眼显示技术在显示时需要人眼佩戴上立体眼镜，通过立体眼镜将部分光线遮挡住，从而达到每只眼睛观察到不同图像的目的。对于自动双眼显示技术而言，它们唯一可利用的约束双眼间距。在显示器设计中，可以让偶数列像素显示左眼的图像，奇数列像素显示右眼的图像。分别控制奇偶列像素的光线方向，使得左、右眼只能得到透过部分像素的光线，通过大脑融合产生立体感。目前各种自动双眼显示技术仍处于百花齐放的阶段。 3

9、.1.1 色分法 色分法的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。我们眼睛中的感光细胞共有4种，其中数量最多的是感觉亮度的细胞，另外三种用于感知颜色，分别可以感知到红、绿、蓝三种波长的光。分色技术需要经过两次滤波：第一次过滤把左眼画面中的蓝色和绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的画面部分叠合起来，注意不能完全重合；第二次过滤是观察者带上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边的镜片是蓝色（绿色），根据滤色镜的原理，确保了两套画面只被相应的眼睛看到，从而经过大脑感知到立体信息。但色分法可能会造成视神经疲劳。 3.1.2 光分法 光分法主要通

10、过偏振光显示系统实现。当光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。将这种滤光片按照偏振光极化方向相互垂直的原则安装到左右眼镜框上，就构成了偏振光眼镜。把两台投影机透射出的光预置为正交偏振光，则左右眼能分别看到不同投影机的图像。光分法使用时要用到偏光片，它会吸收特定角度偏振光以外的所有光， 亮度损失严重。 3.1.3 时分法 时分法是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续

11、的画面。时分法必须配合CRT 这类的低响应时间的显示器才能使用。目前，用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板，因此也被称为液晶快门眼镜，早期曾用过机械眼镜。时分法对显示器的刷新率要求非常高，同时由于液晶快门眼镜中也包含偏光片，所以亮度损失严重。 3.1.4 光栅法 光栅将屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，栅条交错显示左眼和右眼的画面，然后在屏幕和观看者之间设一层视差障碍用来遮挡光线，即通过准确控制每一个像素遮住了透过液晶的两眼视线交点以外的光线，使左眼看到的栅条右眼看不到，右眼看到的左眼看不到。由于右眼和左眼观看液晶的角度不同，利用这一角度差遮住光线就可将图像分配给右眼或左眼。

12、这样无须戴上专用的眼镜便可以看到立体图像。光栅法中利用视差障碍使每只眼睛只能接收到原来一半的光线，因此亮度损失一半，同时水平分辨率也只有原来的一半。另外，目前多数光栅法使用的是几何学上固定的视差栅栏，不能适应观察者任意的位置和方位。 本文根据色分法的基本原理设计了双眼显示系统，具体将在下一节介绍。 3.2 实验 MATLAB除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。我们利用Matlab编写了双眼显示系统，该系统具有以下功能：图像的输入，图像的保存，图像的几何处理以及双眼显示，其中图像的输入分为左眼图像输入

13、和右眼图像输入，图像的几何处理包括图像的旋转、放大和缩小。下面是利用该系统所做的实验结果。首先我们可以输入左眼和右眼图像信号，如图3、5所示。点击系统中的下拉菜单“图像旋转”，可以对图像进行旋转操作，旋转的角度可任意选择。旋转的角度可任意选择，图4、6是旋转角度选取为的结果。图4是双眼显示的实验结果。如果观察者戴上红、绿眼镜后即可看到立体图像。 4、结语 本文根据双眼（体视）显示技术中的色分法的基本原理用Matlab设计了双眼（体视）显示系统，并给出了实验结果。 参考文献 1王元庆.基于LCD的自由立体显示技术J.液晶与显示,2003,1802,116-120. 2张俊.基于旋转显示