基于雙眼視差的裸眼三維顯示

基于雙眼視差的裸眼三維顯示摘要:裸眼立體顯示系統(tǒng)最早是Ives在20世紀(jì)初提出的，基本思想是將要觀測圖像分為左右眼圖，在圖像前面有狹縫擋板遮擋，在一幅準(zhǔn)備好的包含左右眼視區(qū)的圖像前放置一塊垂直的開著狹縫的擋板，當(dāng)擋板位置正確時(shí)，每個(gè)眼只能看到確定的條紋，而別的條紋會被擋板擋住導(dǎo)致無法看到，從而形成左右視差。這樣雙眼觀察到不同的圖像，腦中將會形成立體景象。但是利用擋板等設(shè)施往往會減少觀察者所能觀察到的光線強(qiáng)度，使得亮度下降，分辨率也不如正常的電視。美國DTI(DimensionsTechnologiesInc)公司與夏普公司均利用光柵分別推出自己的立體顯示器。人眼能夠有三維立體視覺，其原因很多其中最重要的因素是視差的存在。視差分為雙眼視差和運(yùn)動(dòng)視差兩種。雙眼視差是指兩眼在觀察同一事物時(shí)所獲得的圖像存在的微小差異，運(yùn)動(dòng)視差是指移動(dòng)頭部所看到的物體的不同側(cè)面。自從Wheatstone通過世界上第一臺立體顯示裝置證明了視差與深度信息之間的聯(lián)系后，研究者們在通過顯示裝置再現(xiàn)立體圖像方面投入了大量精力，提出并發(fā)展了一系列的立體顯示裝置。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了信息時(shí)代的到來，同時(shí)也帶動(dòng)了軍事、勘測、遙感、遙控、醫(yī)學(xué)以及藝術(shù)娛樂等領(lǐng)域?qū)τ谌S立體圖像的迫切需要，而相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也給高精度立體顯示裝置提供了可能。在發(fā)達(dá)國家，如美國、日本等，立體顯示技術(shù)的研究由來已久，已經(jīng)有一些成熟的產(chǎn)品問世，美國空軍計(jì)劃為新一代戰(zhàn)機(jī)裝備一種多功能液晶顯示器，可以選擇平面或立體顯示方式，當(dāng)選用立體顯示方式時(shí)可以顯示地形的立體圖像，并可以從不同角度觀察敵方周圍環(huán)境。日本的夏普公司更是已經(jīng)有民用的立體液晶顯示器上市，索尼、三星等公司也計(jì)劃在近期推出自己的立體顯示器。目前，自由立體顯示主要有全息立體技術(shù)、平板顯示、體立體與立體投影技術(shù)等幾種，其中全息立體技術(shù)是研究歷史最長最成熟的立體技術(shù)，但是由于全息圖像的色散問題使得難以做出一幅全彩色的立體圖像，而平板顯示與體立體技術(shù)由于現(xiàn)有技術(shù)條件的限制很難實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示。立體投影的實(shí)現(xiàn)方式有全息投影、菲涅爾透鏡投影和雙柱面光柵投影等。其中，雙柱面光柵投影立體投影系統(tǒng)利用了成熟的大屏幕投影技術(shù)，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)大幅面的全彩色立體圖像，因而受到了廣泛重視。1995年日本的NHK率先推出了一套雙視點(diǎn)的立體投影顯示系統(tǒng)，1997年，德國柏林的CybertronGmbH公司展出了一臺單視點(diǎn)立體投影顯示器，利用頭部跟蹤的辦法實(shí)現(xiàn)了寬視角。2004年劍橋大學(xué)的三菱電子研究所用投影機(jī)陣列設(shè)計(jì)出了多視點(diǎn)的自由立體投影電視系統(tǒng)，但是其結(jié)構(gòu)龐大，造價(jià)極高，還遠(yuǎn)不能達(dá)到產(chǎn)品化的要求。早期采用的立體成像方法早期產(chǎn)生立體圖像的方法主要有偏振光成像法和色分成像法。偏振光成像法是利用偏振鏡對光的偏振作用，將兩組同步的圖像以互相垂直的偏振光投影出來，觀看時(shí)戴上相應(yīng)的偏振光眼鏡，含有像差的偏振方向不同的兩個(gè)同步像就分別進(jìn)入左、右眼，從而在人的大腦中產(chǎn)生立體效果。色分成像法即互補(bǔ)色（比如綠色和紅色）法，使送到左眼的圖像只有品紅色，送到右眼的圖像只有綠色，然后戴上紅綠互補(bǔ)色眼鏡就可以看到立體圖像［2］。以上技術(shù)主要用于立體電影欣賞，而且這兩種技術(shù)都需要佩戴特殊的眼鏡。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使平面圖像再現(xiàn)三維立體的技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)發(fā)展，用柱鏡光柵成像法使用立體相機(jī)拍攝圖像通過精密儀器沖洗在同一相紙上，得到立體化的平面圖像，或通過計(jì)算機(jī)將一幅平面圖像進(jìn)行圖像色彩、灰度和像差處理和圖像交錯(cuò)處理，得到立體化的平面圖像，再在圖像上覆蓋柱鏡光柵，不需要佩戴眼鏡就可以觀看到立體圖像。1原理及結(jié)構(gòu)人眼的立體感能將視場(即眼睛所觀看到的景物區(qū)域)中的物體區(qū)別出遠(yuǎn)近，我們把左右兩眼所獲得的不同圖像分別稱作左圖像和右圖像，在顯示技術(shù)中如果同時(shí)在屏幕上顯示出左圖像和右圖像，又利用一定的裝置使得左眼只能看到左圖像，右眼只能看到右圖像，那么，經(jīng)大腦融合就能還原成立體圖像。如下圖，圖中A1、A2分別是同一物點(diǎn)A在屏幕上所顯示的左圖像點(diǎn)與右圖像點(diǎn)，B1、B2分別是同一物點(diǎn)B在屏幕上所顯示的左圖像點(diǎn)與右圖像點(diǎn)，如果左眼只能看到A1、B1，右眼只能看到A2、B2，則在人的大腦里就可以反映出A點(diǎn)和B點(diǎn)的深度信息。圖像點(diǎn)A成像于屏幕之后我們稱之為后方圖像圖像，點(diǎn)B成像于屏幕之前稱之為前方圖像。另一方面，如果左右圖像的亮度值不同，則左右眼所觀看到的圖像亮度也不同，在大腦合成后得到的圖像立體效果也會下降，甚至完全失去立體效果，即所謂通道亮度失配。由于通道失配，使得棱形有效顯示區(qū)域并不是無限地分布在顯示器的成像空間，而一般只有3“對有效顯示棱形區(qū)。這就限制了立體顯示器的觀看視角，即只能在立體顯示器中央法線左右有限的區(qū)域內(nèi)才能觀看到立體圖像。由此可見，由于“串影”現(xiàn)象的存在，立體顯示器的有效顯示區(qū)域是極其有限的。為了擴(kuò)大自由立體顯示范圍，需要與頭跟蹤裝置相配合，能夠控制狹縫光源的位置，使得顯示器隨著觀看者眼睛位置的變動(dòng)而調(diào)節(jié)有效顯示區(qū)域的空間位置。在頭跟蹤裝置的配合下，顯示器保持人眼落在有效顯示區(qū)域內(nèi)，始終能觀看到完全的立體圖像。立體顯示器的立體效果受到觀看角度和距離的限制。此外，不同顯示內(nèi)容的立體效果也不相同，有些顯示內(nèi)容甚至很難表現(xiàn)出立體效果。這是立體顯示器不可回避和必須解決的問題。現(xiàn)狀：到2002年為止，DTI的視差照明技術(shù)有以下實(shí)現(xiàn)方法[z3-16J：1)運(yùn)用多光源，再用透鏡聚焦形成很細(xì)的亮線；2)運(yùn)用單或雙光源，再用光導(dǎo)(光導(dǎo)的形式有很多)傳光、透鏡匯聚形成很細(xì)的亮線；3)運(yùn)用微加工技術(shù)制作旋光性不同的狹縫實(shí)現(xiàn)很細(xì)的亮線；4)運(yùn)用液晶光閥的旋光性和偏振片配合形成很細(xì)的亮線。視差照明立體顯示技術(shù)只能使用透射式的顯示源，現(xiàn)在液晶屏最符合條件。液晶屏的性能指標(biāo)是對視差照明立體顯示技術(shù)的限制[17|。目前國內(nèi)合肥工業(yè)大學(xué)、四Jil大學(xué)等單位也已研制出利用視差光柵技術(shù)的立體顯示器[18I，而且設(shè)計(jì)的光源可以由線光源轉(zhuǎn)換為面光源，從而使得顯示器可以在3D和2D顯示模式之間轉(zhuǎn)變。DTI的視差照明技術(shù)雖然是當(dāng)前較成熟的自動(dòng)立體顯示技術(shù)之一，但長時(shí)間觀察容易引起眼睛疲勞，而且存在大角度觀察的限制，已經(jīng)很難在技術(shù)原理方面有所突破，目前該立體顯示屏主要用于各種場合的廣告、娛樂，尚不能在立體電視上推廣。夏普公司的視差障技術(shù)2柱鏡光柵原理柱鏡光柵立體成像的光學(xué)機(jī)理柱鏡光柵立體成像方法應(yīng)用了仿生學(xué)原理。首先用立體相機(jī)拍攝物體，這種相機(jī)的前面平行并排了多個(gè)鏡頭，類似于人眼從不同角度觀察物體（本文是以四鏡頭立體相機(jī)為例）。然后把拍攝所得不同圖像通過精密儀器沖洗在同一相紙上，得到平面立體化圖像；或者將普通的平面圖像進(jìn)行立體化編碼后，生成具有一定位錯(cuò)間隔的圖像信息，相當(dāng)于用不同的相機(jī)鏡頭拍攝得到的圖像，用計(jì)算機(jī)把這些圖像進(jìn)行交叉處理，用高精度的打印機(jī)將交叉處理過的圖像打印出來，得到立體化的平面圖像.立體化的平面圖像上面再覆蓋柱鏡光柵，通過柱鏡光柵對光線的折射作用，使平面圖像上各像點(diǎn)發(fā)出的光只能按特定的方向出射，而不是向四周出射，這樣各個(gè)具有像差的同步像再分離開來進(jìn)入人的左、右眼，產(chǎn)生了像差，從而形成立體圖像。柱鏡光柵是一片由眾多平行排列的半圓柱形條紋組成的片板狀光學(xué)元件，其背面是一平面，形狀如圖1：圖1柱鏡光柵形狀本文以四鏡頭立體相機(jī)為例，下面是合成立體視覺再現(xiàn)示意圖。在立體化的平面圖像和柱鏡光柵合成時(shí)讓每條柱鏡上感受四個(gè)像帶，當(dāng)人的雙眼Er（右眼）及（左眼）通過柱鏡光柵中的一個(gè)柱鏡L觀看時(shí)，可以看到圖片上連續(xù)的4個(gè)像帶1~4，每個(gè)像帶的寬度為c/4。像帶1是景物的極右邊，而4是景物的極左邊，與2相比，則1是它的右邊，因此1和2就組成一個(gè)立體圖對。在圖示內(nèi)雙眼是注視于2~3圖對，若頭部向左或向右移動(dòng)，則看到的將是別的圖對，如頭部繼續(xù)移動(dòng)，則看到的將是與左邊柱鏡組成的4~1圖對，或與右邊相鄰柱鏡組成的4~1圖對。在此情況下，就會出現(xiàn)超假視立體像，若頭部再移過一些，則再次形成立體像。若觀看者頭部在向左右方向移動(dòng)或傾斜時(shí)，就能出現(xiàn)平穩(wěn)過渡而又少閃爍現(xiàn)象的立體像。合理的片厚、柱鏡曲率半徑、光柵節(jié)距和像帶數(shù)等四者是構(gòu)成少閃爍立體像的要素。3柱面光柵式大屏幕投影為了獲得大屏幕立體圖像，必須以大幅面的方式成像，并且把具有視差的二維圖像分別成像于空間不同的區(qū)域，以便觀看者的左右眼能夠分別獨(dú)立地觀看到不同的二維圖像。投影機(jī)組投影機(jī)組正面光柵背面光柵人眼漫射層圖2大屏幕立體背投系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖采用如上圖所示的柱面光柵式大屏幕投影結(jié)構(gòu)，利用柱面光柵的成像特性使得兩臺投影機(jī)所投影的圖像只能分別成像于左眼或右眼的觀察區(qū)域，在人眼中形成視差，從而為人眼提供立體圖像。其中，投影屏幕可分為三層，即圖中所示的正面光柵、漫射層和背面光柵。外面兩層光柵(正面光柵和背面光柵)是光學(xué)參數(shù)相同的柱面光柵，中間的漫射層用于承像面，柱面光柵位置相對于漫射屏對稱。柱面光柵的每一個(gè)光柵單元相當(dāng)于一個(gè)柱面透鏡，投影機(jī)投射的畫面首先在正面光柵上分成若干圖像條，被每一個(gè)光柵單元分別成像于對應(yīng)區(qū)域的散射面上，散射面上這些圖像條再通過背面光柵成像。不難看出，后一成像過程是前一成像過程的一個(gè)逆過程，由透鏡成像原理我們可以知道后一成像過程所成的像正好是在投影機(jī)關(guān)于屏幕對稱的位置。大屏幕立體背投成像原理如下圖所示，實(shí)線是投影機(jī)1光線所投射的區(qū)域，虛線是投影機(jī)2光線所投射的區(qū)域?？梢钥闯鯝區(qū)域只有投影機(jī)1的光線，而B區(qū)域只有投影機(jī)2的光線，顯然當(dāng)右眼處于A區(qū)域左眼處于B區(qū)域時(shí)右眼只能看到投影機(jī)1所投影的圖像，左眼只能看到投影機(jī)2所投影的圖像。投影機(jī)1與投影機(jī)2所投影的圖像是兩幅具有視差的圖像，在兩眼中形成視差，那么觀察者將可以看到具有立體效果的圖像。在圖3中可以看出來只有當(dāng)頭部處于C區(qū)域附近使得右眼處于A區(qū)域而且左眼處于B區(qū)域才能看到立體的圖像，理論上由于投影屏幕中間層即漫射層的作用在C區(qū)域兩邊應(yīng)該還有一系列觀看點(diǎn)能獲得立體視覺，但實(shí)際上旁邊的觀看區(qū)域光線很暗效果很不好，為了增加視點(diǎn)擴(kuò)大視角可以增加投影機(jī)個(gè)數(shù)，同時(shí)若每個(gè)投影機(jī)所投影的圖像是對應(yīng)位置所拍得的物體的圖像，我們移動(dòng)頭部在各個(gè)觀察點(diǎn)看到的圖像正好對應(yīng)于在拍攝圖片位置看到的三維景物，這樣還可以獲得運(yùn)動(dòng)視差使立體效果更加逼真。圖4為多投影機(jī)投影的多視點(diǎn)大屏幕立體投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，為獲得較好的立體視覺效果，系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)尺寸有嚴(yán)格要求。1)屏幕的光柵條紋豎直放置投影機(jī)應(yīng)該處于與屏幕平行的同一條水平線上，各投影機(jī)光軸應(yīng)對準(zhǔn)屏幕的中點(diǎn)，保證各投影機(jī)所投影的畫面在屏幕上精確重合且亮度分布一致。2)要使投影機(jī)所投影的圖像在漫射屏上成清晰的像，那么如圖中所示各參數(shù)關(guān)系應(yīng)為n式中n為屏幕材料的折射率r是指柱面鏡的曲率半徑。3)圖5中設(shè)散射面散射角度為2a，那么正面光柵投射到散射面上的每一個(gè)圖像點(diǎn)都會被散射成角度為2a的錐形光束，這一束光線投射到背面光柵上面被相鄰幾個(gè)光柵單元成像，由于圖像點(diǎn)與每一個(gè)光柵單元的相對位置都不一樣，所以被成像于不同的空間位置，我們把最中間位置的像稱作主瓣其它像都稱作副瓣，不難看出副瓣的個(gè)數(shù)與屏幕結(jié)構(gòu)參數(shù)和散射面散射角度是相關(guān)的它們之間的關(guān)系可用下面公式表示：x=ceil式中x表示副瓣的個(gè)數(shù)ceil(a)表示對數(shù)a向上取整。從式(4)中可以看出在光柵參數(shù)一定的情況下可以通過選擇散射面的散射角度控制副瓣的個(gè)數(shù)。從以上分析我們知道每一個(gè)投影機(jī)投影的畫面在屏幕的另一面所成的像不止一個(gè)這樣可以增加視點(diǎn)并加寬了視角為使這些像在空間均勻分布投影系統(tǒng)各參數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系：d=式中N是投影機(jī)個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)中我們采用四個(gè)投影機(jī)即N=4。目前普遍使用的顯示器都是二維的，不能直觀地表現(xiàn)場景的縱深信息二立體圖象顯示器將場景的三維信息完全地再現(xiàn)出來，顯示具有縱深感的圖像，觀看者可以直接看出圖像中各物體的遠(yuǎn)近、縱深和圖像的現(xiàn)實(shí)分布，獲得更加全面而直觀的信息。無需佩帶眼鏡的自由立體圖像顯示技術(shù)受到廣泛注意，以日本、德國、美國等家從上個(gè)世紀(jì)90年代初就開始著手該技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并于90年代中葉陸續(xù)獲得成果，自由立體圖像顯示器的實(shí)現(xiàn)方式有許多種。其中，光柵式立體顯示器足以自由體圖片技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展出來的，它繼承了自由立體圖片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝也不復(fù)雜，足最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)。光柵式立體顯示器在結(jié)構(gòu)上分為兩大類：第一類采用柱面光柵，以荷蘭的Phillips公司為代表；第二類采用狹縫光柵，以美國的DTI公司(DimensionTechnologyInc．)為代表。兩者的比較見表17選擇那種光柵，要具體問題具體分析。柱透鏡立體光柵由許多結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能完全相同的小圓柱透鏡組成，這一特性使得它對圖像具有“壓縮”和“隔離”作用。圓柱立體光柵能將從不同角度拍攝到的許多圖像以條紋狀態(tài)記錄在同一張圖片上。在觀看時(shí)，也利用同一種圓柱立體光柵，使人雙眼看到的是同一景物的兩個(gè)不同的像，于是人的意念中就產(chǎn)生具有視差立體效果的深度圖像。由于柱透鏡立體光柵是由平面線形排列的圓柱透