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1、学 海 无 涯第7章3D显示技术71概 述 当前电视技术领域内最引人瞩目的是3D立体显示，也是当前国际广播电视领域的热点研究课题。随着3D显示开发出越来越多的应用，对3D显示技术的研究也逐渐系统化。3D显示表现出良好的发展前景，但也应该看到3D显示在技术上还处于实验阶段。711立体视觉机理 人感知立体信息的主要机理有双眼视差、辐辏、焦点调节、运动视差等。 1双眼视差 双眼视差是形成立体视觉的重要因素，人类双眼大约相距65mm，左、右眼是从不同角度来观看物体的，物体在左、右眼视网膜上的图像并不相同，这种不同称为双眼视差。 图71是双眼视差示意图，当人眼注视距离为D处某个物体时，由于对视作用，所注
2、视的对象，在左、右眼的中央凹处成像；如在D+AD处还有一个物体，它分别在左眼与右眼视网膜上不同位置成像。两物点对左眼的转角为0，对右眼的转角为如，双眼视差A0=0。一0：。在视觉系统的信息处理中会把A0变换为反映纵深方向的位置信息，就可以检测出所观察物体的前后关系。这种视差的检测能力具有与最小分辨能力同样的精度，即115。图71双眼视差示意图 2辐辏 当用双眼观察物体时，为了使注视点在双眼的中央佃处形成像，双眼向内侧回转，眼球做旋转运动，这在生理学上称为辐辏。辐辏时的眼部肌肉张力感觉便成为立体视觉信息。两眼视线所形成的夹角o称为辐辏角，如图72所示。a随眼睛到对象物的距离而变，产生深度感觉。利
3、用Ot可检测的距离信息约为20m左右，因为距离远时，a随距离变化的变化量较小。 以上是利用双眼观察物体的信息构成的立体视觉。I訇72两眼的辐辏角 3焦点调节 人眼在观看距离不同的物体时，为了使物体能够在视网膜上成像，通过改变睫状肌的张弛程度来改变眼睛晶状体的曲率，从而使晶状体凸透镜的焦距产生变化，使固定的视网膜适应不同距离的注视目标，以便使被观看的远近不同的物体在视网膜上清晰成像，人眼的睫状肌张弛状态的变化称为焦点调节。焦点调节是一种生理过程，由单眼生理调节因素单独起作用时，距离在5m内有效。 4运动视差 当观看者运动或者被观看的对象运动时，由于视线方向的连续变化，单眼的视网膜成像也在不断地发
4、生变化，借助时间顺序的比较便会形成立体视觉感受。这种虽用单眼观看，但当对象运动较快时，利用观看者与对象的相对运动使空间物体的相对位置产生变化，从而判断出物体前后关系的效果接近于同时地从不同方向连续地观看物体，即与双眼观看物体相似，像双眼视差效应那样产生出深度感，称为单眼运动视差。712 3D显示系统组成 图73是3D显示系统组成方框图，系统由三维内容获取、编码、传输、解码合成和显示5部分组成。其中，由内容获取子系统摄取三维场景，由编码子系统将获取的视频信号去除冗余信息后编码成便于传输的视频流，经网络传输后送入解码合成器，按照显示端的要求重建视频信号后分别送至不同类型的显示器以显示双目立体图像、
5、多视立体图像或二维平面图像。图73中包含了两个不同类型的三维系统。 1基于双目的3D电视(3DTV)系统 图73的最上端是传统的双目立体视频系统，其3D场景的获取是通过光轴中心相距65ram的相互平行的相同型号的摄像机得到。左、右两路视频经立体视频编码压缩成视频流，其中的一路采用目前压缩效率最高的H264编码，另一路利用两路视频之间的视(每一路视频简称为一个视)间相关性或运动与视间的联合预测编码，可使两路视频编码后的总比特率约是单路视频的125倍。目前，双目立体视频编码已达到实时应用阶段。视频流经传输后解码复原成两路视频，再在显示器中构成与人的双眼视觉对应的稍有不同的两幅图，最后由大脑合成有立
6、体感的图像。 2基于多视的3DTV系统 一 图73下部的多视3DTV系统由个(N3)摄像机阵列获取三维场景。尽管个摄像机型号相同，但其内外参数难以完全一致，且个摄像机在空间的位置不同，各自的光照也略有差异，因此需进行摄像机几何参数校正和亮度色度补偿等预处理，然后再将双目摄像机多视摄像阵列 圈l H磊冲 I一 悃 一I双目立体l J视频解码广 怪 叫预处理卜 坦j 编码解码合成显示 图73 3D显不系统组成方框图多路视频信号经多视视频编码后压缩成视频流。多视视频编码，随着视数的增加(目前用得较多的是N=816)，对高效压缩的要求远比双目立体视频编码高，离实际的应用，尤其是实时应用尚有较大距离。由
7、于解码后重构的个视不一定适合某个观众在显示屏前所在位置的观看要求，且为提高显示质量，故解码后需通过选择合适的一些视经绘制合成成为符合需要的两个视。多视3DTV系统的优点是，在显示屏前能看到立体效果的视角(简称立体视角)远比双目3IYrV系统的大，且便于应用人眼跟踪技术使人在屏前移动时所观看到的立体图像也随人的移动而变化，提高了真实感和临场感。 无论是双目的还是多视的三维系统都必须与二维视频系统兼容。目前所有的家庭几乎都已有了播放二维视频图像的电视机，若开播双目或多视立体视频后，应使现有的遍及每个家庭的电视机也能接收到三维立体节目(尽管看到的仍是二维视频图像)。为实现此种后向兼容，在图73中，无
8、论是在立体视频还是多视视频的编码中，基本视(双目视频或多视视频中作为参考视的1个视)应沿用二维视频的编码标准(如H264)，这样就可以由图73中标准的二维视频解码器重建双目或多视视频中的基本视，提供给标准的二维视频显示器。713 3D显示分类 由于双眼感知的立体视觉比单眼感知的立体视觉有立体分辨率精度高、立体感强等特点。目前立体显示器都是依据双眼感知立体信息机理来获得立体视觉。目前普及的立体显示器需要佩戴特定的眼镜才能进行观看，虽然可以获得立体视觉，但是佩戴眼镜阻碍了人的自然视觉感受。近年来，无辅助工具观看的裸眼技术三维立体显示器取得多元化发展。在军事、医疗、数据可视化、工程、娱乐、虚拟商务贸
9、易、教育、广告媒体等方面有很好的应用前景。与二维显示器相比，3D显示器能显示深度信息，用户能更全面地认识事物的外形和运动状态，用户能够获得身临其境的感受。 13D显示在军事领域中的应用 3D显示技术最早应用在军事领域。早在20世纪90年代，美国军方就开展自由立体显示技术的研究，并最早应用于军事装备中。根据美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)朗雷(LangLey)研究中心飞行管理部的报告显示：立体显示器可以大大提高飞行员对本机和敌机空间位置的判断能力，使飞行员的应急反应速度提高将近一倍。因此，3D显示技术可以应
10、用在国防军事飞行模拟、军事演习方面，也可以应用在武器操控、宇航探测、太空训练等方面。 美国的DTI(Dimension Technologies Inc)公司与荷兰的飞利浦(Philips)公司率先生产出自由立体显示器，并很快成为市场上的主流立体显示产品。其中，DTI在军事领域的研究尤为出色：1993年，DTI为美国WrightPatterson空军基地设计并制造了主要用于飞行员模拟训练的驾驶舱自由立体显示器；1994年，为NASA设计并制造了全动态全息3D显示器；1995年，DTI立体显示器被用于遥控机器人设备，这些设备是用于处理辐射性废料、深层采掘等危险领域；1998年，NASA将DTI公
11、司的2018XL型18英寸3D显示器采纳为虚拟诊断系统的显示设备；1999年2000年，DTI赢得了为美国海军开发高清晰度自由立体投影系统的合同，主要用于模拟飞行。 23D显示在医疗领域中的应用 3D显示技术可以被广泛地应用在医学领域中，如内窥镜图像显示，体内成像体内造影，外科手术模拟及训练，蛋白质、DNA及分子模型的显示，立体显微镜，器官模拟成像和医学教学等。众所周知，眼科手术显微镜以及其他各种类型的显微镜等，本质上都是采用体视显微镜作为辅助。由于平面显示器显示的对象没有纵深感，使得医生对病变体的形状不能很好地把握，因此迫切需要立体显示的技术，其应用在医疗领域，作为诊断设备必将使诊断结果具有
12、更高的精度，以及作为现场教学设备必将使教学更直观。 33D显示在建筑设计领域中的应用 建筑设计师们往往需要在设计出作品的平面图形后再制作模型，以确定设计的准确性。将3D显示技术应用到建筑设计领域后，设计师在做城市规划、楼板展示、景观美化、内部装修时，可以直接在3D显示器上展示他们的作品，而不必花费时间制造昂贵的模型，这样大大降低了设计成本。 43D显示在广告媒体领域中的应用 尽管人们对客观世界的感觉方式有多种，但通过视觉所获得的信息量远远超过了通过其他方式所能获取的信息量，因此，如何将丰富、真实、有效的产品信息通过视觉方式快速传递给广大观众，一直是传媒行业关注的热点问题。传统的平面显示系统是一
13、种二维信息载体，它只能表现出景物的内容而忽略了物体的远近、位置等深度信息，因而是不完整的，无法带给观众更加深刻的印象。市场的需求决定了需要一种能提供符合立体视觉感受的媒介，近代电子及液晶技术的逐渐发展成熟则为立体显示技术提供了理论及技术支撑。利用3D显示技术，将其用于广告及景硐展示，包括广告媒体网络、新产品发布会、展览展示等，将需要展示的内容真实、直观、清晰、自由地展现在观众面前，逼真的立体效果可以大大加深观众对展示内容的印象。 53D显示在教育文化领域中的应用 立体显示技术可用于抽象概念模拟，动画制作强化等。其在教学中应用可用于提高学习效率。例如在帮助学生理解空间概念和物理现象等原理时，利用立体图像要比利用二维图像的认知程度高，理解程度深。以外，利用自由立体显示系统，就能让很多人很方便通过立体显示器看到具有立体感的艺术品，而不用将这些艺术品展出，这样不仅节省了展出艺术品的高昂管理费用，也使某些贵重艺术品得到
