基于多投影集成成像的自由立体显示系统设计（可编辑）

1、基于多投影集成成像的自由立体显示系统设计 代号 10701 学号 1015121731 分类号 tn27 密级 公开题(中、英文)目 基于多投影集成成像的自 由立 体显 示系统 设 计 design of autostereoscopic display systembased on multi-projector integral imaging作者姓名 孙言 指 导教 师姓名 、职 称 王晓蕊 教授 学科门类 工学 学科、专业 物理电子学 提 交论文日 期 二 ?一三年二月创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果

2、。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;也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做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,本人承担一切的法律责任。本人签名: 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大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工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手

3、段保存论文。同时本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名: 日期导师签名: 日期 摘要 i 摘要集成成像是一种最具潜力的自由立体显示技术之一。尽管其具有许多技术优势,但是受到集成成像显示器件分辨率和透镜间距的束缚,空间图像再现深度较小,观看效果较差。针对这一问题,本文做了如下工作: 首先根据人眼立体视觉机理,对比了传统多视点自由立体显示技术与三维集成成像技术的各自成像原理与显示特点。 其次 , 针对典型集成成像立体显示系统,分析了系统在不同显示模式及显示方式下的显示特点,同时推导了系统体像素最大重构深度以及光斑尺寸同单元图像显示分辨率间的关系,并

4、通过软件仿真与光学实验对结论进行了验证。此外,从人眼视觉特性方面证明了单元图像显示分辨率会对观看立体图像时单眼聚焦特性产生影响。 最后,为提高显示端单元图像的显示分辨率,在前面理论分析的基础上,提出了一种基于空间复用的集成成像显示系统设计方案。最终搭建了一款采用多投影图像拼接的集成成像立体显示原理实验平台,实现了大分辨率高像素密度单元图像阵列的完整拼接显示。对该集成成像立体显示系统的立体图像重构深度进行验证,显示效果证明了理论推导与设计思路是正确可行的。关键 词:集成成像 自由立体 显示 人眼立 体视觉 显 示模式 多投 影显示ii 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 abstr

5、act iii abstract integral imaging ii is one of the most promising autostereoscopic display techniques. despite ii has many advantages, the quality of its spatial viewing images is very poor, which is related to the pixel size of the display and the lens pitch of the lens array. aiming at the issue o

6、f the ii display systems, the main contents in this paper are given as follows firstly, according to the human stereoscopic vision, the display principle and features between the conventional multi-view autostereoscopic display and ii display are compared with each other. secondly, for the typical i

7、i display system, the display characteristics in different display modes and display methods are analyzed. it is derived that the resolution of display panel has relation to the reconstructed image depth as well as the spot size on the depth plane. the conclusion is verified by software simulations

8、and optical experiments simultaneously. in addition, the importance of the high pixel-density of elemental images is reflected in the aspect of monocular stereo vision finally, to improve the resolution of elemental images on the display, a spatial multiplexing ii system design proposal is proposed.

9、 moreover, a high-resolution ii display prototype is built up by using a multi-projector system, which achieves the generation of high pixel-density eia on display screen. the validation of the reconstructed 3d images depth demonstrates that the design of the ii display system is proper and feasible

10、keywords :integral imaging autostereoscopic display human stereoscopic vision display mode multi-projector displayiv 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 目录 1 目录 第一 章 绪论 1 1.1 研究背景及意义1 1.2 国内外发展状况2 1.2.1 国外发展状况2 1.2.2 国内发展状况4 1.3 本文研究内容 5 1.3.1 研究内容概述5 1.3.2 论文结构. 6 第二 章 立体视觉 机制与立体 显示技术 7 2.1 立体视觉机制 7 2.1.1 心理深

11、度提示 7 2.1.2 生理深度提示 9 2.2 立体显示原理与视觉疲劳 12 2.2.1 立体显示原理 12 2.2.2 立体视觉疲劳 14 2.3 集成成像与多视点立体显示的原理对比. 16 2.4 小结. 25 第三 章 集成成像 显示端特性 分析27 3.1 集成成像显示模式与观看参量. 27 3.1.1 集成成像的显示模式. 27 3.1.2 集成成像观看参量29 3.2 显示模式及显示器件对显示质量影响分析 31 3.2.1 不同显示模式对显示质量影响分析31 3.2.2 显示端器件对显示质量影响分析 33 3.3 像素尺寸对集成成像深度特性的影响分析 38 3.4 像素尺寸对集成

12、成像立体视觉特性的影响 46 3.5 小结. 48 第四 章 基于多投 影拼接的集 成成像显示系 统. 49 4.1 多投影集成成像光学系统分析. 49 4.1.1 显示端的透镜阵列与背投幕. 49 4.1.2 投影仪中继透镜选取分析50 4.2 投影仪的矫正与拼接. 52 4.2.1 相机与投影图像的几何校正. 522 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 4.2.2 多投影图像拼接. 56 4.3 系统显示结果. 59 4.4 小结60 第五 章 总结. 61 致谢 63 参考 文献. 65 在读 期间研究成果. 73 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章阐述了立体显示技术的研

13、究背景和意义,概括了集成成像技术的几个研究重点,并介绍了国内外有关集成成像显示技术的发展现状,提出了本文的研究对象、范围、研究方法及本文开展的工作内容。 1.1 研究背景及意义 传统图像显示是一种二维的表现形式,其内容无法再现物体的远近位置等深度信息。随着科学技术的飞速发展,二维影像已经越来越不能满足众多应用领域对“深度层次感与立体感”的要求,因此再现三维信息的立体显示技术得到了人12们的极大关注 。2009 年, 电影 阿凡达avatar 的热映, 掀起了一股全球 3d风潮, 标志着当代立体技术的兴起。2010 年 6 月, 南非世界杯成为史上首次进行3d 转播的世界杯比赛。 同年 , 广州

14、亚运会进行了 3d 试播 。2012 年元旦 , 中国首个 3d 试验频道开通,由中央电视台统一播出 。3d 频道的开播为我国的 3d 市场起到了积极的推进作用, 它将推动 3d 终端, 特别是立体电视在中国家庭的普及。立体显示技术未来在影视娱乐、医疗卫生、工业设计、军事应用等领域具有广阔的应用前景。 立体显示技术可大致划分为助视和裸视两大类。前者需要用户佩戴辅助设备如立体眼镜, 才能观看到三维效果; 后者则不 需要任何装置即可观看到立体图像,往往统称为自由立体显示autostereoscopic display 。立体眼镜的成本较高,佩戴舒适性较差, 通用性较低, 这些劣势限制了非裸视立体显

15、示技术的推广。 早在 20世纪 90 年代, 人们已将目光投向了无需借助辅助设备的自由立体显示技术, 并在世界范围内掀起了新一轮的立体显示技术研究热潮。随着平板显示技术特别是液晶显示技术的普及,光栅式自由立体显示技术的研究和生产在欧美日韩等发达国家迅速发展起来,但光栅式自由立体显示始终伴随着单眼与双眼生理因素的冲突这一主要矛盾,成为其大范围普及的障碍。 集成成像技术integral imaging, ii 认为是一种充满 前景的自由立体显示技术,近年来成为光学立体成像与立体显示领域中重要研究课题。集成成像技术最早源于诺 贝尔奖 获得者 lippmann 于 1908 年提出 的集成 照相技 术

16、integral 34photography, ip 。 该技术受到青睐是因与三 维立体眼镜显示技术和全息成像技术相比 ,具 有如 下几 个特 点:1 该方 法不 需要 特殊的 观看 器件 ;2 提供 观看 者具有全彩色full color 、全视差full parallax 、准 连续视点的实时空间三维立体像;3 该技 术是 被动 方式 ,即 不需 要在场 景中 进行 特殊照 明;4 在 非相 干的 自然 光光场条件 下显 示;5 通 常具 有紧 凑的结 构;6 装 置复杂 度较 低。 相对 于传 统光 栅式2 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 自由立体显示,集成成像方 式在

17、原理上有效 克服了前者出现的单眼焦点 调节accommodation 和双眼辐辏convergence 不匹配所导致的视觉生理疲劳现象。 目前,集成成像技术的研究集中在理论分析、参数改善和计算集成成像cii56等方面。虽然基于计算机信息处理的计算集成成像被引入到其他领域采用 ,78910如深度目标提取识别、 不同深度横向切面信息的重构与再现等 , 然而集成成像技术仍希望在未来自由立体显示技术中发挥作用,利用该方法去获取空间立11121314体信息,并显示立体画面 。尽管一些 研究机构搭建了相应的实验平台,但往往结构复杂成本较高,重复性较低。受制于记录器件和显示器件的性能,集成成像的立体图像质量

18、与光栅式自由立体显示器相比较还存在较大差距。首先有必要从本质上区别集成成像与光栅式多视点立体显示的工作机理,明确制约集成成像显示性能的主要因素。另外该技术不断提出的改进算法和创新思路往往需要通过实际的光学实验平台验证才更具说服力和可行性,才更有实际意义。因此,为了加快集成成像立体显示技术的实用化进程, 减少对计算机仿真验证的依赖性,需要针对实际应用中所面临的技术瓶颈,通过简单可行的手段设计搭建集成成像实验平台或原理样机。集成成像显示系统的搭建对今后的原理验证和性能改进具有直接的指导意义,并为将来替代光栅式立体显示技术打好基础。 1.2 国内外发展状况 立体显示技术至今已有一百多年的发展历史,

19、但直到上世纪 90 年代, 由于平板显示技术的实际应用,发达国家才开始纷纷研究基于平板显示器件的光栅式自由立体显示技术。而集成成像发明后的一段时期内发展缓慢,主要受制于当时的科技水平和生产加工能力比较有限。在过去的十几年,光电探测器的飞跃进步,显示技术的发展和计算机性能的提升,为集成成像的复苏奠定了基础。 1.2.1 国外发展状况 国外对于集成成像的研究起步较早,扩展到的领域也较为丰富,具有完善的知识体系。 1908 年 3 月 , 法国物理学家 lippmann 在名 为 la photographie integral 的文章中最早提出了集成摄影术的概念。关于集成成像系统性能和计算集成成像

20、处理算法都已进行了一些研究工作。 t.okoshi 在 1971 年分析了三维集成成像系统记录和15重构阶段的多种特性效应 , 在分析采样效应和透镜有限指向性的基础上, 提出了透镜参数优化的理论。日本广播公司的 h. hoshino 于 1998 年分析了集成成像16的分辨率特性 , 建立了三维集成成像视觉分辨率计算模型, 分别讨论了针孔阵列和透镜阵列的集成成像分辨率制约因素;探讨了孔径尺寸、焦距、显示器和透镜阵列 之间距离 、观 测者 视点 位置 等参数对三维集 成图像视觉分辨率的影响。第一章 绪论 3 jae-hyeung. park 等对集成成像显示 端的实立 体像和虚立 体像的各 种显

21、示特 性进17行了讨论和比较分析 , 该研究对集成成像系 统的设计有重要参考价值。fushou 18jin 等 推 导了三 维集成 成像重 构图像 的横向 分辨率、 深度分 辨率与 后端显 示器参数之间 的函数 关系 ,定义 了焦深 与横向 分辨 率平方乘 积pdlrs 这 一图像 度量19因子。日本广播公司nhk 的 fumio okano 等假设探测器单元和显示器像素的尺寸为无限小,利用波动光学理论,推导了集成成像系统的调制传递函数模型,证明了系统总传递函数为各组成元件传递函数的乘积,且微透镜阵列的传递函数可以等效为单个微透镜的传递函数。 集成成像一个具有挑战性的问题是显示的视场角较小。一

22、旦透镜阵列和显示器的间距确定后, 系统的视场角也基本确定。h. choi 等人采用动态屏障阵列来扩20 21展观看区 ;j.-s. jang 通过采用移动透镜阵列 来改善集成成像系统视场角 ;r22martnez cuenca 等人采用多轴焦阑中继系统来增大视场角 ;yunhee kim ,jae-hyeung park 等人采用弯曲显示屏与弯曲透镜阵列实现宽视场角的集成成像系23统 。由于弯曲透镜加工困难,dong-hak shin 等采用大孔径透镜等效弯曲透镜24阵列和弯曲显示面的结构 。2011 年,jae-young jang 等人采用了高折射率介质25用在集成成像的重构过程中, 获得

23、了可观的扩大视场角 。 ju-seog jang 和 bahram 26javidi 提出了微凸面镜阵列的投影式三维集成 成像方法 ,这种基于微凸反射镜投影系统的集成成像避免了显示过程的图像的反转变换,而且视场角可以显著的提高,满足实际应用需求。 集成成像的景深和分辨率目前还很难令人满意,很多研究人员提出了改进方27法: 通过合理调整微透镜阵列的振幅透过率分布 , 达到提高景深的目的, 该方28法简单易行; 通过在系统中引入单轴晶体改变光学路径长度 , 可以产生多个中心深度平面,因而增加了重构像平面的深度。但该方法需要加入动态的偏振片、单轴晶体片、滑动的狭缝阵列掩膜等器件,因此对开关的速度要求

24、非常高,而且偏振器件的引入使得光学效率降低,重构图像的质量不高。y. kim 在 2007 年提出了电 子控 制聚 合分 散液 晶 polymer-dispersed liquid-crystal 薄膜的 显示 状态29 30, 产生可刷新的像平面方法来提高景深;j.-s.jang 在 2002 年提出非固定透镜31 32阵列来提高集成成像分辨率;2007 年 y. kim 与 h. liao 分别提出采用可电控针孔阵列和旋转棱镜片来改善集成成像系统的分辨率特性。这些方法的核心思路都是通过进行特定的时空复用技术,来提高相应的显示参数。 在理论分析基础上,许多研究者也在集成成像系统实验样机的构建

25、上进行尝33试。hideyuki sakai 等人使用 95 个 led 投影 仪搭建了基于重叠式投影增强的集成成像自由立体显示系统, 提供了分辨率超 过 svga 的立体图像;nhk 的34 35tomoyuki mishina 和 jun arai 分别在 2011 年和 2012 年提出并设计了基于高36分辨率投影仪 的集成成 像显示系 统。同时在 获 取端方面,h. navarro 等人提出4 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 37二次快照的方法增加二维单元图像阵列的分辨率;gilbae park 采用了多片透镜阵列替代弯曲透镜阵列的方法来提高拍摄视场。这些尝试为实际应

26、用的集成成像显示系统研制起到了积极的借鉴作用。 由于集成成像的数据量巨大,图像处理消耗大量硬件资源和运算时间。集成成像技术海量信息的处理问题已经引起人们的注意。 韩国忠北国立大学的 ki-chul 38kwon 提出了一种图像空间并行处理算法,通过开源计算机语言快速生成多套立体空间单元图像。使用该方法能够实现实时交互集成成像显示系统,可应用在39断层摄影成像ct 和核磁共振mri 应用中立 体图像的重构。ho-hyun kang 提出了一种集成成像的压缩方法, 该方法采用基于 karhunen-loeve 变换的单元图像子图变换压缩结构。 这种方法改善了单元图像的压缩效率, 提高达 26% 。

27、 针对移40动透镜阵列采集得到的单元图像, ho-hyun kang 又在 2011 年提出时间复用获取单元图像的有效压缩方法。 此外,2d/3d 转换技术也是立体显示的一个重 要研究热点。 当前 2d/3d 转换功能被认为是立体显示产品打入消费市场的一个桥梁。许多传统的自由立体显示器已经具备此功能,并且产品化。对于集成成像方式,其中一种方法是将透镜阵列置于 空间 光调制 器slm 后, 并将 一个可 电 控的散 射片 (一般 采用 聚合 分散液晶 pdlc 来制作)附在透镜阵列上。 在 3d 模 式下,扩散片处于透明,无散射状态,准直光透过并由透镜阵列聚焦形成点光源阵列,而点光源阵列发出的光

28、线被slm 调制,形成 3d 图像。在 2d 模式下,扩 散片被设置为可散射状态,此时透4142镜阵列已不能形成点光源,因此二维图像显示在 slm 上 。 这些研究成果为集成成像未来在立体显示技术中的实际运用做了大量的铺垫工作,无论从内容的中间处理还是显示端参数的提高都有涉及,在条件成熟的情况下会很快应用到实际系统中。 1.2.2 国内发展状况 立体显示技术的研究特别是集成成像技术在国内的研究起步稍晚。近几年紧随着 3d 技术的热潮,国内相关的研究不断增 加。 2006 年起伍春洪对计算集成成像重构进行了大量的研究工作, 主要利用计算机图形学的理论,进行微单元图像视点图像提取、基于视点图像的深

29、度计算提取43图像的深度信息 , 同时该研究小组利用计算 集成成像方法从采集端和衍射效应入手,分析了重构图像的水平分辨率、深度分辨率,并讨论了微透镜孔径、像素44大小、 串扰等因素与分辨率的关系 , 对高分辨率计算集成成像图像重构提供了45理论指导;中国科技大学徐晶 对集成成像数 字重构的算法进行了相关的研究,提出了参数优化方法。四川大学王琼华的研究小组是国内自由立体显示起步较早46的团队之一, 近年来对集成成像技术也进行了 研究。2008 年, 焦甜甜、 王琼华第一章 绪论 5 47提出了基于 3ds 的计算机集成成像仿真 方法;2011 年邓欢 等人对二步拍摄获取单元图像的黑域进行了研究,

30、 提出了消除黑色区域并解决深度反转的方法。482011 年南开大学的赵星、 王芳 等人提出了基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率比较,对三维显示分辨率的评价有一定的指导意义;该研究团队提出了双相49机实时拍摄生成单元图像阵列的方法 , 为集 成成像实时采集自然场景提供了借鉴。 西安电子科技大学王晓蕊的立体成像与显示课题组对基于微扫描的三维集成50成像技术进行了理论分析 , 得到了不同微扫模式下, 探测器占空比与三维集成成像分辨率特性的定量关系;2009 年,该研究团队提出感知对比度阈值pct 面51的方法来表征集成成像系统性能 , 理论模型 模拟的结果表明 pct 很好地描述了横向分辨率、 深

31、度距离、 对比度以及它们之间 相互制约的特性, 因此 pct 可以用来衡量不同设计参数的 ii 系统的性能;2010 年, 该课题组提出了一种改善计算集52成成像分辨率的插值算法 , 仿真实验结果表 明该算法可以改善深度平面上的重构图像质量;2012 年, 该团队提出了基于齐次光场模型的集成成像系统观看参数53交互控制算法 , 计算仿真和光学实验结果证明该算法可实现重构深度、 物体横向位移和旋转的控制。 总体上看,国外学者对集成成像技术领域的研究起步早,范围广,内容丰富和系统化。国内随着科研技术水平的进步,正加入到该领域的研究热潮中。目前国内研究主要集中在系统性能评估分析与提高,计算集成成像等

32、方面。但受制于高性能光电元器件的欠缺, 对集成成像的立体显示实用化平台和原理样机的搭建,较发达国家还存在一定的距离。 1.3 本文研究内容 1.3.1 研究内容概述 本文以集成成像自由立体显示技术为研究对象,同光栅式自由立体显示技术进行了对比,明确了集成成像的工作原理与特点。在对集成成像显示特性分析的基础上,提出系统设计方案,最终搭建了一款基于多投影图像拼接的集成成像立体显示原理实验平台。本文首先对人眼的单眼双眼立体视觉机理进行了叙述,在此基础上区分了传统多视点自由立体显示技术与三维集成成像技术的各自成像原理与空间光场分布特性。针对集成成像的显示特点,分析了集成成像显示端采用不同显示模式及不同

33、显示方式的系统特性,并推导出显示深度与单元图像显示分辨率的制约关系,同时从立体视觉特性进一步论证了单元图像像素密度对集成成像的束缚和投影式集成成像显示系统的优越性和可行性。结合国内实际情况和现有实验条件,通过低成本易获取的光学器材与元件,搭建了光学平台,并进行了6 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 多投影仪的校正拼接工作。通过对集成成像微单元图像的比例分割和多路传输,实现了高分辨率单元图像阵列的完整拼接显示,最终完成集成成像立体显示原理实验平台的构建。该集成成像立体显示系统的最终显示效果良好,验证了理论推导与设计思路的正确性。 1.3.2 论文结构 本文共分为五章,其结构安排和

34、主要内容如下: 第一章 绪论。 主要阐述了自由立体显示技术的 研究背景和意义, 重点概括了集成成像技术的研究重点和国内外有关集成成像技术的发展现状,提出了本文的研究对象、范围和研究方向等工作内容。 第二章 立体视觉 机制 与立体显示技术 。介绍了人眼立体视觉功能的一些基础,阐述了人们产生立体感知所包含的心理深度提示及生理的深度提示。进而将主流立体显示技术所采用的基本原理和特点进行了阐明,在此基础上特别地对比了光栅式自由立体显示与集成成像的空间光场分布特性与工作特点。 第三章 集成成像显示端特性分析。对比了集成成像两种显示模式的工作特点, 分析各模式下系统显示特性; 对基于 lcd 显示端的集成

35、成像系统进行了讨论,反应出投影式集成成像系统的优越性和可行性;推导集成成像二维单元图像阵列分辨率对系统横向纵向显示性能的影响,并采用计算机仿真和光学实验验证了理论推导结果,证明了高分辨率单元图像阵列对于集成成像的必要性。最后从人眼立体视觉的角度也反映出高分辨率显示器件对于立体图像再现的重要性。 第四章 基于多投影拼接的集成成像显示系统。依照第二、三章的讨论结果,采用多投影仪拼接技术实现了高像素密度的单元图像阵列显示,最终搭建投影式集成成像立体显示系统平台。 第五章 总结。 对本文完成的工作进行总结。 指 出了今后需进一步完善和深入研究的问题。第二章 立体 视觉机制 与立体显 示技术 7 第二章

36、 立体视觉机制与立体显示技术 立体显示技术在传统显示技术基础上通过与人眼立体视觉机制相联系,实现了立体观看效果。本章介绍了人眼立体视觉基础,阐述了产生立体视觉感知的心理及生理的深度提示depth cues等立体视觉机制。在此基础上对目前立体显示技术的基本原理和技术特点进行了概括。最后对光栅式自由立体显示技术与集成成像技术的工作机理和特性进行了对比区分。 2.1 立体视觉机制 眼睛是人类认识世界的主要感觉器官,人们在接受丰富的外界信息时,由光作为载体进入双眼, 再经大脑神经中枢进行处 理融合, 最终形成感知的视觉效果。人眼视觉功能多样而又统一,包括明暗、色彩、形状、远近和运动,这些功能都由中枢神

37、经控制着。如同一部精密控制的相机,人眼能够完成光刺激的亮度色度分辨,通过眼球的一系列聚焦、扫描等动作,形成了清晰视觉。显示技术正是根据人的视觉特性,结合色度学、电子技术等建立起来的新技术。传统显示器上所给出的信息以明暗或彩色的形式分布于平面上,这些信息与人眼亮度、对比度、空间分辨能力等特性相关联,并且当显示器的信息为动态视频时,又考虑了视觉的时间特性及眼球的运动规律。当前立体显示技术的研究发展,也自然离不开人眼视觉系统的立体空间感知功能。可以说,无论是传统的二维显示技术和新兴的立体显示技术,所涉及的技术原理都要与人眼视觉功能紧密联系起来。 立体视觉的作用机理可分为双眼作用和单眼作用两种情况。前

38、者包括两眼视差和辐辏作用;后者包括焦点调节和运动视差。它们都是直接影响立体视觉效果的生理深度提示。另外经验知识等心理深度提示也是重要因素。人类视觉系统通过这些深度提示机制来感知输入图像的立体信息。 2.1.1 心理深度提示 心理提示与大脑内部过程相联系,这一过程中大脑基于学到的经验知识来分析视觉信息。这样人眼视觉仍然可以从二维图像中,如一张普通的照片,得到图像中大致的立体信息。 常见的心理提示包括线性透视、位置重叠、遮光现象和结构梯度等,这些具有代表性的心理深度提示如图 2.1 所示。 线性透视表现为景物随距离的增加而线性减小。例如,林荫路向远处延伸越来越窄,树木与路灯由近及远地由大变小。重叠

39、效应表现为前面的物体会将后面的某些物体遮挡掉,上面的物体会盖住下面的物体。由此可以很自然地判断相互关系。遮光现象是人们对光照的经验知识,会给人心理上的错觉。通常情况下,8 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 暗的部分就认为光线被遮挡, 留下了阴影, 亮 的地方是光线直接能够照射的地方。这种认知是人们长期积累的,看到平面图像具有类似的效果,自然会在脑海中勾勒出空间层次关系。当材质表面出现梯度的变化时,如砖墙和石子路,也会给人造成深度感。 a 重叠效应 b 线性 透视c 遮光现 象d 结构梯度 图 2.1 常见 的心理深 度提示 心理深度提示不仅仅局限于上述几个,日常生活中很多的经验

40、知识都会对人们分析图片产生作用。但是心理深度提示有很大的局限性,这种基于图像的方式经常会包含模棱两可和错误。心理深度提示不能提供完整的真实深度信息。仅依靠经验的心理判断提示,只会帮助人们去理解眼前的图像所含的立体信息,却无法感受到立体。如果一个显示器突破传统二维显示器系统而成为三维立体显示系统,就需要它不仅能提供心理深度提示还要引入生理深度提示。 第二章 立体 视觉机制 与立体显 示技术 9 2.1.2 生理深度提示 生理深度提示主要包括上面所述的单眼视觉作用和双眼视觉作用。 单眼视觉是用一只眼睛来获取立体信息。单眼作用中重要一条是焦点调节。眼睛中有一个类似透镜作用的晶状体,通过晶状体周围肌肉

41、的调节,能改变水晶体的曲率半径4070cm,进而使空间物体在视 网膜上成清晰像。 看远处和看近处时晶状体厚度被调节在不同大小上,这种眼睛成像系统的焦点调节功能可以给出不同物体前后关系的判断。 近物厚度变化远物图 2.2 焦点调 节 单眼视觉作用另一要素是运动视差。运动视差是当人或物体移动时物体可见位置的相互变化。假定是水平方向的移动,则观看物体的角度就会随之改变,物体间的空间位置也就发生了变化,一些被遮挡的部位就能看到了。此外,远处景色的视见度变化不剧烈,而近处景物以很快的速度变化,这种经验知识也是立体感的重要因素。运动视差看起来是非常平常自然的现象,然而对于立体显示技术来说,是不可缺少的。违

42、反了这样一条规律,人们面对立体显示设备都会产生失调感,无法得到正确的立体感受。 move图 2.3 运动 视差10 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 然而,单眼存在较大的误差和局限性。例如,有一个远处的大球和一个近处的小球,球上没有图案和阴影,那么单眼很难分辨他们。此外,用单眼判读物体远近是利用眼睛的调节变化所产生的感觉。由于晶状体的厚度改变小,所以只能进行粗判,作用距离大概在 23 m 之内时较敏 锐,一般判读距离不超过 5 m 。对于远距离观察,调节作用不再显现。人类感知立体空间还是核心依靠双目立体视觉机制。双眼视觉作用弥补了单眼视觉在立体感知中的局限,这主要包含了双眼视差

43、和辐辏两个因素。 当用相机从不同角度拍摄同一景物时,所得到的图像会有一些微小差异。相似地,由于人眼是从左和右两个不同方向、按不同角度来观察物体的,双眼大约有 65 mm 的距离 , 所以同一物体在左右视网膜 上所成的像也不一样, 这种视见度的差异称为两眼视差。 图 2.4 中, 表示两眼 视差, 当人眼注视距离为 d 处一点时, 由于对视作用, 所注视的对象在左 、 右眼中 的中央凹处成清晰像,对于 d + d处的另一物体,它分别在左眼和右眼视网膜上成像。两物点对左眼的转角为 ,1对右眼转角为 ,则两眼视差表示为 - 。接下来,神经系统会根据 2 1 2把视差信息反映为纵深方向的位置信息,就可

44、以检测出所观察物体对象的前后关系。双眼视差担负着立体视觉的核心任务,因此也是立体显示技术采用的主要技术原理。 dd21图 2.4 双眼视 差 当两眼注视视野中的物体一点时,双眼视网膜对应区域一致,形成具有零视差图像对。 通过这一物点的几何圆弧称为视界圆horopter , 处于视界圆上的物点刺激视网膜所产生的图像对无视差,形成双眼融合图像。因此,视界圆可以当作通过注视点的一个参考面或基线深度面,通过这个面可以判断其他物体的深度。立体视觉可以理解为相对深度的感知,而相对深度就是指相对于视界圆而言。注视点和视界圆的关系如图 2.5 所示。 对于没有在视界圆上的某一深度面物体,会有上面提到的角度差异

45、,刺激视网膜非对应点,形成两个物像。但是人们一般并不会感觉到这种差异,因为在视界圆前后一定范围的物点,虽然落在了视网膜的不同对应点,仍然可以被大脑融第二章 立体 视觉机制 与立体显 示技术 11 合成一幅图像。这个区域被称为 panum 融合 区。对于处在 panum 融合区内的物体,人们都可以保持可靠的深度感知,且立体感随着视差的增大而增大。但是当物点落在了融合区外, 造成了双目视差过大, 则人们无法准确判断相对深度关系,甚至会产生严重的双眼冲突,产生复视而无法形成立体感。如图 2.5 中的黄色区域代表注视点位于 f 的融合区 , 在这区域内的 物点不会产生复视, 如图中的 x 点;当超过这

46、个区域时, 双眼会产生竞争造成复视, 如 y 点落在 panum 区外面 , 产生了较大的视差,双眼无法融合;与左眼视网膜相关区域对应的是右眼的 z 处,因为 y 和 z 不是一个物点,这就造成了双眼竞争。 panum 融合区horopter视界圆注视点视差融合复视图 2.5 双目 立体视觉 示意图 双眼的辐辏作用是双眼视觉另一重要因素。当用双眼观察物体时,为了把注视点在双眼的中央凹处成像,其光轴就要为对准注视点而向内转动。这就称为双眼的辐辏功能,两眼光轴的交角称为辐辏角。图 2.6 中的夹角 为辐辏角。 图 2.6 两眼 的辐辏角 辐辏角 随眼睛到景物的距离而变。利用辐 辏角可检测的距离信息

47、约为 20 cm , 因为距离远时, 辐辏角 随距离的变化量 较小, 人眼会失去视差感, 即人眼12 基于多投影 集成成像 的自由立 体显示系 统设计 在近距离才有立体感。在没有任何工具的情况下,人眼可看到立体感的距离不超过 1 km 。 这就是人们在观看远处景物时, 不易判断物体前、 后的位置, 缺乏立体感的原因。 综上所述,人眼的立体视觉依靠单眼和双眼的生理深度提示产生深度感。立体显示技术正是与人眼立体视觉功能联系起来,实现了二维显示器不具备的显示特性。 2.2 立体显示原理与 视觉疲 劳 立体显示理论正是利用了上面所述的立体视觉机制。实践证明通过引入双目视差和运动视差,经人眼和大脑的生理

48、融合、判断及经验等,便能够产生立体图像感知。 2.2.1 立体显示原理 利用双眼的视差机理和大脑的融合是立体显示技术的主要借助手段。通过立体显示设备再现立体场景时,视差图像对的视差大小决定了他们在视网膜成像时的差异,从而确定了对物体深度的感知程度。在空间场景中,同一物点在左右视图中的对应点称为同源像点, 同源像点的位置 差异就表现为视差。 通过调整视差,可将融合后的 3d 虚拟物体出现在屏幕前或者 屏幕后, 产生突出和陷入的立体感。视差可分为正视差和负视差,如图 2.7 所示。 当左视图的同源像点位于右视图的同源像点的左侧,此时的观看者将感知到位于显示器后面的 3d 物体;相反,当左视图的同源

49、像点位于右视图的同源像点的右侧,观看者感知的立体物体位于显示平面的前方。特别需要指出,当正视差的值大于两眼间的瞳距时,就形成了发散视差,相当于两眼必须向外斜视。这在现实生活中一般是不会产生的,因为这样带来的结果是双眼看到的图像没有重叠部分。a 正视差 b 负视差 图 2.7 正、 负视差示 意图 立体显示技术的分类有很多方法,可以按照 2.1 节所述的人眼立体视觉机能来分类,也可以从是否需要辅助设备上来区分。按照第二种分类方法可分为助视和裸视两类,前者需要头盔或眼镜等辅助设备;后者不需要用户佩戴眼镜,因此也称作自由立体显示技术。 第二章 立体 视觉机制 与立体显 示技术 13 眼镜式的原理主要

50、基于双目立体视觉的两眼视差,无论采用快门眼镜还是偏振眼镜,都是将左右眼不同的视频信号分别传输到双眼中,经大脑融合产生立体感。这类立体显示技术的优点是能够很好地与现有平板显示器相兼容,不需要重新建设生产线,降低了成本;通过提高刷新率,能够提供画面感较好、质量较高的立体图像,与高清制式兼容。但是用户佩戴眼镜往往感到不适(特别是戴近视镜远视镜的用户) , 只能提供双视点的内容, 各厂商之间的眼镜无法通用。 因此,人们更希望研制出无需眼镜贴近实际的立体显示器。 裸视立体显示技术 往往 被 称 为自 由立体显 示技术 autostereoscopic 3d display technologies ,

51、通常指 代 利用 光 栅元 件的光栅型 立体显 示技术。 它一般借助粘贴在 lcd 等显示屏表面的各种光学元 件, 将显示带有视差的图像对分别投入到左、右眼,使得在一定的视场范围内看到立体图像效果。目前该技术采用的光栅元件有柱透镜光栅lenticular lens 和视差 狭缝光栅parallax barrier ,他们的分光效果是相似的。很多情况下,两者可相互替代。基于光栅的自由立体显示方式如图 2.8 所示: view point 3 view point 2 view point 1视差狭缝柱透镜显示屏 显示屏1 2 3 1 2 3 1 2 3图 2.8 自由 立体显示 方式示意 图 视差狭缝光栅式使用狭缝挡板来使左右眼观看到不同的图像。这种自由立体显示器主要由平板显示屏和光栅精密组合而成,左右视点图像按照像素列交替,光栅由透光条和挡光条排列组成。光栅狭缝中的相间透过纹阻挡光线通过,使屏幕上视点图像像素光线在空间实现分离。观看者透过狭缝观看这种图像,即可实现左右眼看到属于各自的图像。两眼的视差图像经过大脑的融合形成立体影像。这种方式的特点是图像的亮度较低,这是由于光栅的遮光效果造成的;边缘处的串扰比较严重;当视点增多时,狭缝也要相应变窄,于是衍射效应将变得明显。但是狭缝很容易制造,不但可以通过玻璃基板制成而且条纹模板