三维全景成像系统.doc

三维全景成像系统摘要：本文着重介绍全景成像，阐述了真三维立体显示的相关概念,同时解释了基于体素的三维显示技术,介绍了国外真三维立体显示技术的最新发展情况，以及介绍了伪三维成像的相关实例，展示国内外方面的成果。关键词：全景成像，真三维立体显示，固态体积式真三维，伪三维成像Three-dimensional Panoramic Imaging SystemAbstract：This article focuses on panoramic imaging, describes the relevant concepts of true three-dimensional display, explains the voxel-based three-dimensional display technology, introduces the latest developments of the real three-dimensional display technology abroad .At the the same time ,we describes the relevant instance of pseudo three-dimensional imaging and show the results at home and abroad respectively.Keywords：panoramic imaging ,true- 3D volumetric display,solid volumetric true- 3D, Pseudo three-dimensional imaging1引言近年来，随着光学技术、微电子技术和计算机技术的进步，立体显示技术也获得了飞速的发展。显示器一直以来都是人们接触最频繁的电子产品，而显示技术的进步也代表人类在追求更真实的视觉享受。从早期的黑白电视到彩色电视，再到现在的高清电视，无一不是追求更自然、逼真的影像品质，而立体显示技术的发展提供了人们更进一步的视觉体验，除了一般的影像与色彩外，还提供了立体空间感受。人们对客观环境的感知总是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等自然地获取，对系统的控制也自然地借助自动跟踪系统，即利用性能先进的传感器对人体位置及力度进行有效的探测。换言之，人们对客观世界的感知方式有多种，借助视觉所能获取的信息量远远超过了通过听觉、触觉、嗅觉及味觉等其它方式所能获取的信息量，而且视觉可产生客体景物的深度感，即提供客体景物的立体三维信息。2现状2.1真三维成像真正的三维立体显示首先要摒弃传统的二维显示空间，实现在物理三维空间的显示1，而且不采用虚拟显示眼镜这类辅助设备的光学方法产生双目视差。迄今为止所有商业化信息显示器(CRT、LCD、投影仪等)都只能显示二维图像和文字，人们无法从被显示的图像上获得物体的三维信息或感受到物体的物理深度。所谓“真三维显示”，是指被显示图像的每一个三维像素点(又称为“三维体素”或“体元”，Voxel)位于三维物理空间中的真实位置，每个体元的亮度和色彩可控，体元之间的相对空间位置关系真实地体现在三维显示系统中，从而组成真正意义上的三维空间图像。观察者可以通过变换观察位置从不同角度看到被显示图像的不同侧面。多个观看者可以同时从不同角度观察同一被显示三维物体，如同观察真实的三维物体一样。真三维显示能够带给观察者完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段。从基本原理上讲，真三维显示就是要在三维空间中显示三维体素2,3，也就是提供给观察者物理景深，这就需要建立三维成像空间或三维显示空间，即通常所说的显示屏。目前，真三维显示技术主要是体三维显示技术和全息技术，后者一般只能生成静态的三维光学场景，并且很多理论还没有得到应用4,5。目前，比较成熟的是体三维显示技术，已经有部分商业产品是基于体三维立体显示技术，在此重点介绍这种技术。体三维显示是真正能够实现动态效果的3D技术，它可以让你看到科幻电影中“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为旋转扫描式显示(swept-volume display)和固态体显示(solid-volume display)两种。其中，前者的代表是Perspecta和Felix3D6，而后者的代表为Depth Cube7。旋转扫描式体三维立体显示技术制造成本低、结构简单，但目前存在着不少难以解决的问题，如亮度低、抗振动性差以及不适合大屏幕应用场合等；而固态体积式立体显示技术既可以提高亮度，又能够适应大屏幕应用场合，其前景也更广阔。2.1.1Perspecta立体显示器Actuality三维立体显示器是采用旋转屏幕技术的一种新产品，它采用一个XGA级别的高分辨率(1,024768)投影仪将图像投影到一个旋转屏幕上，该屏幕同光学投影器件和3组起转向投影作用的平面镜一起，以600rpm或以上的速度旋转。被投影的图像实际上是呈放射状的“图像切片”，由于视觉暂留，这些图像切片快速连续地投影到三维空间，从而在人眼中形成有真实立体感的三维图像(如图2所示)。Perspecta立体显示器采用了名为空间光处理(digital light processing)的技术，其核心是三块基于微、机、电系统(MEMS)的DLP光学芯片，每块芯片上均布设了由百万个以上数字化微镜像器件(digital micro-mirror)组成的高速发光阵列，这三块DLP芯片分别负责R/G/B三色图像，并被合成为一幅图像，由经底座中的固定光学系统以及随马达同步旋转的光中继镜片的反射，最终被投影至屏面。图1 Perspecta立体显示器Fig.1 Perspecta display2.1.2Felix3D显示器Felix3D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，成为了单个体像素(空间像素，Voxel)，多个这样的Voxel便能构成体直线、体面，直到构成一个3D物体。目前这套系统仍处于实验室阶段。图2 Felix3D显示器原理图Fig.2 Felix3D display schematic2.1.3Depth Cube系统相对于上面提及的两种体三维显示技术，DepthCube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即层叠液晶屏幕方式来实现三维立体显示，它的外形就像一台80年代的电视机一样，Depth Cube的显示介质由20个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1,024748像素，屏与屏之间的间隔约为5mm。这些特制屏体的液晶像素具有特殊的电控光学属性，当对其加电压时，该像素的液晶体将像百叶窗的叶面一样变成平行于光束的传播方式，从而令照射该点的光束透明穿过。而当对其电压为0时，该液晶像素将变成不透明，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Voxel。在任意时刻，有19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。Depth Cube将在这20个屏上快速地切换显示3D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”(3D depth anti-aliasing)的显示技术来扩大这20个屏所能表现的纵深感，令1,02474820的物理三维空间分辨率实现高达1,024748608的显示分辨率。和Perspecta一样，DepthCube也采用了DLP成像技术，由于Depth Cube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Perspecta一样高的帧频，其每秒钟仅需显示1,200个截面即可产生足够的体显示效果。2.1.4固态体积式真三维立体显示系统对于待显示的三维物体，依据物体深度信息，将该三维物体的二维等深度投影截面，投影到距离由观察者远近不同的投影屏幕组成的显示体对应的深度位置上，利用人眼的视觉暂留原理，三维物体应在不超过1/24s的时间内完成在显示体上的一次投影成像。由于这种显示方式是对待显示三维物体的空间立体成像，因而可在显示体前方任意位置实现立体观看，是真三维立体成像，如图3所示。图3 固态体积式真三维立体显示系统图Fig.3 solid volumetric true- 3D display system2.2伪三维成像所谓伪三维成像，就是所成的像并不是真正意义上的包含物体三维信息的全方位立体图像。它只是借用二维的图像并加以处理，来欺骗人的眼睛。它利用物体各个方位的图像在特制的显示器中拼接而成。目前，此项技术比较成熟，但是不能做到真正的三维成像，而且视点较少，不能真正做到360全视点观看。2.2.1VIZOO公司2008年，美国VIZOO公司推出了一种在二维平面上呈现出物体三维信息的显示器，此显示器包含一个金字塔形状的成像平面和一个顶端播放画面的显示屏。当显示屏不断地播放画面（当然这些图像经过处理），图像就会反射在金字塔的四个面上，根据光的反射原理，图像（虚像）就会呈现在金字塔的中央，仿佛物体悬浮在空中8。图4 美国VIZOO公司三维显示系统图Fig.4 Quasi_three_dimensional image display device2.2.2丹麦兰博Cheoptics360丹麦兰博（RAMBOLL）公司推出的多方位三维显示（Cheoptics360）系统给人们带来无限的欢喜。该系统包括投影仪和显示装置（显示屏和反射镜），观看者在显示装置的外侧。显示屏是由形状大小相同的四个等腰直角三角形组成，屏幕水平放置，大小相同的四个直角三角形组成一个正方形显示屏，四个直角三角形的定点位于正方形屏的中心。投影仪位于屏幕的正上方，并位于正方形屏的中心轴线上；反射镜也是由四块等腰三角形反射镜组成，每块反射镜顶角顶点落在正方形屏的中心并与其成45角放置，四块反射镜组成一金字塔形状。由于对视频进行处理，视频画面除了三维物体外色其他部分为纯黑，因此，观看者得到的效果是：影响悬浮在金字塔的中央放映。图5 丹麦兰博公司三维显示系统Fig.5 RAMBOOL Cheoptics360 system2.2.3浙江大学悬浮式体视三维装置2008年，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室李帅等人公布了一种360悬浮式体视三维装置。包括一次防止的多视点体视显示屏和金字塔形状的反射镜，多视点体视显示屏为正方形且按对角线相交的方式被划分成四个独立显示的三角形区域，且分别对应于金字塔形反射镜的四个面，多视点体视显示屏为柱面光栅屏，双柱面光栅屏或双狭缝光栅屏。本装置结合多视点体视三维显示和反射镜原理，可在360范围内拼接显示至少十六个视点的视差图像，其中所有的反射镜都是由部分反射部分透射型材料制成，故而图像具有很好的悬浮效果，多视点拼接实现360环绕观看，可实现立体感强烈的大面积三维显示9。图6 浙江大学多视点显示系统Fig.6 Multi-view display system（Zhejiang University）3总结全景图像是一种非常有前景的三维图像技术。这一技术正吸引着越来越多的三维图像领域内的科学家和公司企业的注意和重视，成为在三维图像领域的研究热点10-12。目前，基于全景图像的三维电视已初具雏形。可以期盼，随着理论研究和微透镜制造工艺的进展，全景图像将会越来越多的出现在我们的生活中。由于这种图像和传统的二维图像有着不同的数据记录格式和特点，它的出现和普及，必将带来整个图像研究领域及通讯领域的技术革新。研究和开发全景图像系统，对于我国科研工作者能在将来的国际图像研究领域占有一席之地有着迫切需要的意义。如今全方位成像技术日渐成熟起来，现对基于折反射镜面的全景成像系统研究较多，相对平面透镜光学成像来说，其利用光学折射和反射元件实现的视场较大，不足主要体现在光学折反射面的设计制作与加工比较困难、成本高。目前已得到研究试验的全景成像光学折反射面主要有抛物面、双曲面、球面等。当前如何获取更清晰的全景图像，对于扭曲图像如何恢复处理，以及全景图像压缩，网络化，全方位视觉实际应用等成为研究的重点。参考文献：1 Edward Buckley. Real-Time Error Diffusion for Signal-to-Noise Ratio Improvement in a Holographic Projection System J.JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, 2011, 7(2):70-76.2 Fahri Yaras Hoonjong Kang, Levent Onural. State of the Art in Holographic Displays: A Survey J. JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY,2010,6(10):443-454.3王宇,王涌天,刘越.基于全景成像的增强现实系统J.计算机工程,2010,36(3):16-18.4徐玮,高辉等.多视点折反射