基于双眼视差的裸眼三维显示.docx

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基于双眼视差的裸眼三维显示

基于双眼视差的裸眼三维显示

摘要:

裸眼立体显示系统最早是Ives在20世纪初提出的，基本思想是将要观测图像分为左右眼图，在图像前面有狭缝挡板遮挡，在一幅准备好的包含左右眼视区的图像前放置一块垂直的开着狭缝的挡板，当挡板位置正确时，每个眼只能看到确定的条纹，而别的条纹会被挡板挡住导致无法看到，从而形成左右视差。

这样双眼观察到不同的图像，脑中将会形成立体景象。

但是利用挡板等设施往往会减少观察者所能观察到的光线强度，使得亮度下降，分辨率也不如正常的电视。

美国DTI（DimensionsTechnologiesInc）公司与夏普公司均利用光栅分别推出自己的立体显示器。

人眼能够有三维立体视觉，其原因很多其中最重要的因素是视差的存在。

视差分为双眼视差和运动视差两种。

双眼视差是指两眼在观察同一事物时所获得的图像存在的微小差异，运动视差是指移动头部所看到的物体的不同侧面。

自从Wheatstone通过世界上第一台立体显示装置证明了视差与深度信息之间的联系后，研究者们在通过显示装置再现立体图像方面投入了大量精力，提出并发展了一系列的立体显示装置。

数字技术的发展带动了信息时代的到来，同时也带动了军事、勘测、遥感、遥控、医学以及艺术娱乐等领域对于三维立体图像的迫切需要，而相关技术的发展也给高精度立体显示装置提供了可能。

在发达国家，如美国、日本等，立体显示技术的研究由来已久，已经有一些成熟的产品问世，美国空军计划为新一代战机装备一种多功能液晶显示器，可以选择平面或立体显示方式，当选用立体显示方式时可以显示地形的立体图像，并可以从不同角度观察敌方周围环境。

日本的夏普公司更是已经有民用的立体液晶显示器上市，索尼、三星等公司也计划在近期推出自己的立体显示器。

目前，自由立体显示主要有全息立体技术、平板显示、体立体与立体投影技术等几种，其中全息立体技术是研究历史最长最成熟的立体技术，但是由于全息图像的色散问题使得难以做出一幅全彩色的立体图像，而平板显示与体立体技术由于现有技术条件的限制很难实现大屏幕显示。

立体投影的实现方式有全息投影、菲涅尔透镜投影和双柱面光栅投影等。

其中，双柱面光栅投影立体投影系统利用了成熟的大屏幕投影技术，可以比较方便地实现大幅面的全彩色立体图像，因而受到了广泛重视。

1995年日本的NHK率先推出了一套双视点的立体投影显示系统，1997年，德国柏林的CybertronGmbH公司展出了一台单视点立体投影显示器，利用头部跟踪的办法实现了宽视角。

2004年剑桥大学的三菱电子研究所用投影机阵列设计出了多视点的自由立体投影电视系统，但是其结构庞大，造价极高，还远不能达到产品化的要求。

早期采用的立体成像方法

早期产生立体图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镜对光的偏振作用，将两组同步的图像以互相垂直的偏振光投影出来，观看时戴上相应的偏振光眼镜，含有像差的偏振方向不同的两个同步像就分别进入左、右眼，从而在人的大脑中产生立体效果。

色分成像法即互补色（比如绿色和红色）法，使送到左眼的图像只有品红色，送到右眼的图像只有绿色，然后戴上红绿互补色眼镜就可以看到立体图像［2］。

以上技术主要用于立体电影欣赏，而且这两种技术都需要佩戴特殊的眼镜。

随着计算机技术的发展，使平面图像再现三维立体的技术也得到了突飞猛进发展，用柱镜光栅成像法使用立体相机拍摄图像通过精密仪器冲洗在同一相纸上，得到立体化的平面图像，或通过计算机将一幅平面图像进行图像色彩、灰度和像差处理和图像交错处理，得到立体化的平面图像，再在图像上覆盖柱镜光栅，不需要佩戴眼镜就可以观看到立体图像。

1原理及结构

人眼的立体感能将视场（即眼睛所观看到的景物区域）中的物体区别出远近，我们把左右两眼所获得的不同图像分别称作左图像和右图像，在显示技术中如果同时在屏幕上显示出左图像和右图像，又利用一定的装置使得左眼只能看到左图像，右眼只能看到右图像，那么，经大脑融合就能还原成立体图像。

如下图，图中A1、A2分别是同一物点A在屏幕上所显示的左图像点与右图像点，B1、B2分别是同一物点B在屏幕上所显示的左图像点与右图像点，如果左眼只能看到A1、B1，右眼只能看到A2、B2，则在人的大脑里就可以反映出A点和B点的深度信息。

图像点A成像于屏幕之后我们称之为后方图像图像，点B成像于屏幕之前称之为前方图像。

图1视差式立体成像原理

设人两眼之间的距离为x，人眼与屏幕的距离为L，A1、A2两点之间距离SA，B1、B2两点之间距离SB，则后方图像A点距屏幕的深度为：

同理，前方图像B点距屏幕的深度为：

DTI公司的视差照明技术（基于狭缝光照明的3D-LCD光学结构分析）

基于狭缝背光源的立体液晶显示器的结构，如图3（a）所示。

背光源被制作成沿液晶层水平方向周期分布的狭缝，狭缝取向与液晶象素的列象素平行，相邻狭缝中心的平均间距△x与液晶象素（含R、G、B三色）宽度t的关系为：

△=2t

我们有意将狭缝光束的发射角设计得比较小，使任一狭缝发出的光束照射在液晶屏象素上，形成的光带宽度刚好等于液晶象素宽度t的2倍。

当人眼观看液晶屏的象素时，对于任意一条狭缝光而言，人的单眼只能看到该狭缝所照明的一列象素。

在液晶屏上，我们按列依次显示图像的左、右图像，如图3（b）所示的R、L象素空间交替显示。

每一对R、L象素下对应有一条狭缝光。

如果适当调节狭缝光束的方位和光学参数，当观看者在一定的距离观看时，左眼只能看到狭缝光所照明的标号为L的象素序列，右眼只能看到狭缝光所照明的标号为R的象素序列。

设定坐标系（x，y，z）如图3（a）所示，坐标的Y轴穿过人眼瞳孔连线的中心并与晶屏垂直，x轴与液晶屏表面重合，Z轴图中未画出。

设人眼距离液晶屏表面L，瞳孔距离2b。

以坐标系（x，y，z）的坐标原点为起点，设定立体图像对（R、L）的标注如下：

1、x轴坐标原点处的负向象素L和正向象素R的一对象素为n=O的象素对：

2、沿x轴正向的每两组象素为一对，n取正值，称作第n组，显然，n=1、2、3……；

3、沿x轴负向的每两组象素为一对，n取负值，称作第n组，显然，n=-1、-2、-3……

那么，第n组象素中，左图像象素距离坐标原点的距离为：

第n组象素中，右图像象素距离坐标原点的距离为：

为了使得第n组象素的左、右图像象素分别被左、右眼观看到，所需狭缝光的中心位于（x，y）处，有：

对于坐标位置处于（-b，L）的左眼，希望照明狭缝的x坐标位置为：

对于坐标位置处于（b、L）的右眼，希望照明狭缝的X坐标位置为：

显然，对于左、右眼而言，用的都是同一狭缝光源，因此

或者：

．

人眼瞳孔距离2b=60mm左右，液晶屏的象素宽度t=0．28mm左右；另外人眼观看液晶屏时的距离一般大于明视距离（L≥300mm），而狭缝背光源距离Y=1.3～1.6mm左右。

可以适当选取y值，使上式成立，最终使光学系统可以做到近似满足上式的实际情况。

取

，则照明狭缝的X坐标位置x与立体图像对组数n之间的关系为：

式中，n=0、±1、±2、±3、±4……

这样，我们就得出照明狭缝的x坐标与液晶屏象素对之间的数学关系。

利用式（10）可以针对所使用的液晶屏的数据设计狭缝背光源。

实际上，图3（a）中，在坐标原点0开始的Y轴正方向以外的成像区域，能有效地显示立体图像的并不是空间任意一点，而只是一些有限的区域。

在有效显示区域，观看者的左右眼分别只观看到左右图像。

在这个区域，立体显示器具有最佳的立体显示效果，如图4（a）中用阴影表示的棱形区域所示。

在有效显示区域之外，人的任何一只眼睛都可以同时观看到左右两个图像并清晰分辨出两个图像，出现所谓的“串影”现象。

在串影区，显示器无法显示立体效果。

显然，这种棱形有效显示区域限制了立体观看的纵向围，即只能在距离显示器一定的有限纵深才能观看到立体图像，如图4（a）所示。

图4m）给出了贯穿有效显示区的空间区域，如图4（a）dP虚线所示的区域，图像的亮度分布曲线。

图中阴影表示的空间区域，既有左图像又有右图像，如果人眼落在这个区域，必然同时观看到左右图像。

若左右图像的亮度比值超过允许的极限值时，将形成串影。

为此，显示器的成像空间存在有效立体显示宽度。

另一方面，如果左右图像的亮度值不同，则左右眼所观看到的图像亮度也不同，在大脑合成后得到的图像立体效果也会下降，甚至完全失去立体效果，即所谓通道亮度失配。

由于通道失配，使得棱形有效显示区域并不是无限地分布在显示器的成像空间，而一般只有3“对有效显示棱形区。

这就限制了立体显示器的观看视角，即只能在立体显示器中央法线左右有限的区域才能观看到立体图像。

由此可见，由于“串影”现象的存在，立体显示器的有效显示区域是极其有限的。

为了扩大自由立体显示围，需要与头跟踪装置相配合，能够控制狭缝光源的位置，使得显示器随着观看者眼睛位置的变动而调节有效显示区域的空间位置。

在头跟踪装置的配合下，显示器保持人眼落在有效显示区域，始终能观看到完全的立体图像。

立体显示器的立体效果受到观看角度和距离的限制。

此外，不同显示容的立体效果也不相同，有些显示容甚至很难表现出立体效果。

这是立体显示器不可回避和必须解决的问题。

现状：

到2002年为止，DTI的视差照明技术有以下实现方法[z3-16J：

1）运用多光源，再用透镜聚焦形成很细的亮线；2）运用单或双光源，再用光导（光导的形式有很多）传光、透镜汇聚形成很细的亮线；3）运用微加工技术制作旋光性不同的狭缝实现很细的亮线；4）运用液晶光阀的旋光性和偏振片配合形成很细的亮线。

视差照明立体显示技术只能使用透射式的显示源，现在液晶屏最符合条件。

液晶屏的性能指标是对视差照明立体显示技术的限制[17|。

目前国工业大学、四Jil大学等单位也已研制出利用视差光栅技术的立体显示器[18I，而且设计的光源可以由线光源转换为面光源，从而使得显示器可以在3D和2D显示模式之间转变。

DTI的视差照明技术虽然是当前较成熟的自动立体显示技术之一，但长时间观察容易引起眼睛疲劳，而且存在大角度观察的限制，已经很难在技术原理方面有所突破，目前该立体显示屏主要用于各种场合的广告、娱乐，尚不能在立体电视上推广。

夏普公司的视差障技术

2柱镜光栅原理

柱镜光栅立体成像的光学机理柱镜光栅立体成像方法应用了仿生学原理。

首先用立体相机拍摄物体，这种相机的前面平行并排了多个镜头，类似于人眼从不同角度观察物体（本文是以四镜头立体相机为例）。

然后把拍摄所得不同图像通过精密仪器冲洗在同一相纸上，得到平面立体化图像；或者将普通的平面图像进行立体化编码后，生成具有一定位错间隔的图像信息，相当于用不同的相机镜头拍摄得到的图像，用计算机把这些图像进行交叉处理，用高精度的打印机将交叉处理过的图像打印出来，得到立体化的平面图像.立体化的平面图像上面再覆盖柱镜光栅，通过柱镜光栅对光线的折射作用，使平面图像上各像点发出的光只能按特定的方向出射，而不是向四周出射，这样各个具有像差的同步像再分离开来进入人的左、右眼，产生了像差，从而形成立体图像。

柱镜光栅是一片由众多平行排列的半圆柱形条纹组成的片板状光学元件，其背面是一平面，形状如图1：

图1柱镜光栅形状

本文以四镜头立体相机为例，下面是合成立体视觉再现示意图。

在立体化的平面图像和柱镜光栅合成时让每条柱镜上感受四个像带，当人的双眼Er（右眼）及（左眼）通过柱镜光栅中的一个柱镜L观看时，可以看到图片上连续的4个像带1~4，每个像带的宽度为c/4。

像带1是景物的极右边，而4是景物的极左边，与2相比，则1是它的右边，因此1和2就组成一个立体图对。

在图示双眼是注视于2~3图对，若头部向左或向右移动，则看到的将是别的图对，如头部继续移动，则看到的将是与左边柱镜组成的4~1图对，或与右边相邻柱镜组成的4~1图对。

在此情况下，就会出现超假视立体像，若头部再移过一些，则再次形成立体像。

若观看者头部在向左右方向移动或倾斜时，就能出现平稳过渡而又少闪烁现象的立体像。

合理的片厚、柱镜曲率半径、光栅节距和像带数等四者是构成少闪烁立体像的要素。

3柱面光栅式大屏幕投影

为了获得大屏幕立体图像，必须以大幅面的方式成像，并且把具有视差的二维图像分别成像于空间不同的区域，以便观看者的左右眼能够分别独立地观看到不同的二维图像。

图2大屏幕立体背投系统结构简图

采用如上图所示的柱面光栅式大屏幕投影结构，利用柱面光栅的成像特性使得两台投影机所投影的图像只能分别成像于左眼或右眼的观察区域，在人眼中形成视差，从而为人眼提供立体图像。

其中，投影屏幕可分为三层，即图中所示的正面光栅、漫射层和背面光栅。

外面两层光栅（正面光栅和背面光栅）是光学参数相同的柱面光栅，中间的漫射层用于承像面，柱面光栅位置相对于漫射屏对称。

柱面光栅的每一个光栅单元相当于一个柱面透镜，投影机投射的画面首先在正面光栅上分成若干图像条，被每一个光栅单元分别成像于对应区域的散射面上，散射面上这些图像条再通过背面光栅成像。

不难看出，后一成像过程是前一成像过程的一个逆过程，由透镜成像原理我们可以知道后一成像过程所成的像正好是在投影机关于屏幕对称的位置。

大屏幕立体背投成像原理如下图所示，实线是投影机1光线所投射的区域，虚线是投影机2光线所投射的区域。

可以看出A区域只有投影机1的光线，而B区域只有投影机2的光线，显然当右眼处于A区域左眼处于B区域时右眼只能看到投影机1所投影的图像，左眼只能看到投影机2所投影的图像。

投影机1与投影机2所投影的图像是两幅具有视差的图像，在两眼中形成视差，那么观察者将可以看到具有立体效果的图像。

在图3中可以看出来只有当头部处于C区域附近使得右眼处于A区域而且左眼处于B区域才能看到立体的图像，理论上由于投影屏幕中间层即漫射层的作用在C区域两边应该还有一系列观看点能获得立体视觉，但实际上旁边的观看区域光线很暗效果很不好，为了增加视点扩大视角可以增加投影机个数，同时若每个投影机所投影的图像是对应位置所拍得的物体的图像，我们移动头部在各个观察点看到的图像正好对应于在拍摄图片位置看到的三维景物，这样还可以获得运动视差使立体效果更加逼真。

图4为多投影机投影的多视点大屏幕立体投影系统结构示意图，为获得较好的立体视觉效果，系统各部分结构尺寸有严格要求。

1）屏幕的光栅条纹竖直放置投影机应该处于与屏幕平行的同一条水平线上，各投影机光轴应对准屏幕的中点，保证各投影机所投影的画面在屏幕上精确重合且亮度分布一致。

2）要使投影机所投影的图像在漫射屏上成清晰的像，那么如图中所示各参数关系应为

式中n为屏幕材料的折射率r是指柱面镜的曲率半径。

3）图5中设散射面散射角度为2a，那么正面光栅投射到散射面上的每一个图像点都会被散射成角度为2a的锥形光束，这一束光线投射到背面光栅上面被相邻几个光栅单元成像，由于图像点与每一个光栅单元的相对位置都不一样，所以被成像于不同的空间位置，我们把最中间位置的像称作主瓣其它像都称作副瓣，不难看出副瓣的个数与屏幕结构参数和散射面散射角度是相关的它们之间的关系可用下面公式表示：

式中x表示副瓣的个数ceil（a）表示对数a向上取整。

从式（4）中可以看出在光栅参数一定的情况下可以通过选择散射面的散射角度控制副瓣的个数。

从以上分析我们知道每一个投影机投影的画面在屏幕的另一面所成的像不止一个这样可以增加视点并加宽了视角为使这些像在空间均匀分布投影系统各参数应满足如下关系：

式中N是投影机个数，本系统中我们采用四个投影机即N=4。

目前普遍使用的显示器都是二维的，不能直观地表现场景的纵深信息二立体图象显示器将场景的三维信息完全地再现出来，显示具有纵深感的图像，观看者可以直接看出图像中各物体的远近、纵深和图像的现实分布，获得更加全面而直观的信息。

无需佩带眼镜的自由立体图像显示技术受到广泛注意，以日本、德国、美国等家从上个世纪90年代初就开始着手该技术的基础研究，并于90年代中叶陆续获得成果，自由立体图像显示器的实现方式有许多种。

其中，光栅式立体显示器足以自由体图片技术为基础发展出来的，它继承了自由立体图片技术，实现工艺也不复杂，足最有可能实现商业化的技术。

光栅式立体显示器在结构上分为两大类：

第一类采用柱面光栅，以荷兰的Phillips公司为代表；第二类采用狭缝光栅，以美国的DTI公司（DimensionTechnologyInc．）为代表。

两者的比较见表17选择那种光栅，要具体问题具体分析。

柱透镜立体光栅由许多结构参数和性能完全相同的小圆柱透镜组成，这一特性使得它对图像具有“压缩”和“隔离”作用。

圆柱立体光栅能将从不同角度拍摄到的许多图像以条纹状态记录在同一图片上。

在观看时，也利用同一种圆柱立体光栅，使人双眼看到的是同一景物的两个不同的像，于是人的意念中就产生具有视差立体效果的深度图像。

由于柱透镜立体光栅是由平面线形排列的圆柱透镜组成。

所以柱透镜立体光栅立体图片应称为单向式自动立体图片，其意义为只能感觉到水平向视差信息。

根据柱透镜立体光栅成像原理，利用光学方法制作的立体图片主要有如下特点：

1.立体图片必须是对同一景物从不同视角所拍摄的一组图片组成。

由于光栅的单向立体特性，要求此组图片拍摄时的位置处于同一高度。

2.所合成的立体图片由平行于柱状光栅轴向的条纹组成，同一光栅栅距下等间距顺序排列一组图片中每图片的相应位置信息。

如图1所示为由两幅图片合成的立体图片情况。

红梅.柱镜光栅在立体画中的应用第34卷第4期科技学院学报（自然科学版）2006年12月