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1、双眼视差式下的全息立体影像技术展望双眼视差式下的全息立体影像技术展望孔祥莉孔祥莉 齐德金齐德金（天津科技大学，天津，（天津科技大学，天津，300457）摘要：摘要：鉴于双眼视差下的立体影像技术在人眼视觉成像模拟效果上的局限性，全息影像技术在特殊条件下对成像无的光波重现，记录了成像物的振幅，相位，亮度等全部信息，从不同角度给裸眼视觉上以三维立体影像效果，有广阔的艺术和商业价值。关键字：关键字：双眼视差 视觉感知 全息 衍射前言前言人用双眼直接观察实际景物时，眼球调节，会聚，瞳孔收缩以实现对焦，视轴移动，缩放。这些深度感知因素均能自然地发挥作用，即天然视觉过程。立体视觉就是视觉系统对三维空间的知觉
2、，也就是辨别物体的距离，物体间的前后位置、形状及方向等的能力；但在观看再现的立体活动影像时，却往往由于所用技术的差异，使上述这些因素得不到完整协调一致的模拟，因而会引起观看者这样或那样的失真感或不适感。对比这些深度因素在不同立体影像技术中模拟利用的差异而言，全息立体影像在人眼视差下，是立体视觉中是一大亮点。人眼视觉的深度感知人眼视觉的深度感知观看者感到景物深度的感知因素可划分为两大类： 一类为直观深度感知因素 ，另一类为由眼球运动而引起的深度感知因素。 前一类以生活经验为基础，后一类则以生理机能的变化为基础。直观深度感知因素可分为单眼因素和双眼因素两类。单眼因素又可分为静态的传统绘画因素和运动
3、因素两个子类，静态的传统绘画因素已在绘画艺术中应用了几百年。它主要通过线性透视、轮廓遮挡视网膜像的相对大小、光和阴影以及材质纹理变化，空气透视等方法使观看者把二维的图像理解为三维景物。运动因素则是由观看者与景物间的相对运动而诱发的，它又包括运动视差，即当观看者运动时他会感到与他相距不同距离的物体会有不同的移动量和动态遮挡等因素。运动因素对于深度感的产生有重要作用，特别是当观看静态景物时，运动视差能使人快速地作出比较可靠的纵深估计。双眼因素的产生是由于左右两眼瞳孔沿水平方向相距一定距离，两眼的不同观看角度造成左右眼视网膜上的的两个影像略有差异。仔细说来，这两个视网膜影像均为倒像并且有由于眼水晶体
4、后曲面造成的一定畸变，但人的大脑却能将影像倒转并消除上述畸变。此外，大脑还将这两个影像重叠在一起生成单一的能使人感知深度与体积的融合像。该融合像位于人前额中心的正前方，它是人的神精眼所看到的景物影像。上述的奇异过程称为双眼立体视觉，简言之两眼视网膜影像的差异构成了产生深度感的重要基础双眼立体视觉。双眼视差式立体显示技术具有悠久的历史，几乎和照相术的历史一样久远。它通过显示左眼和右眼两个影像以保证得到景物的两个不同的透视像借以模拟双眼立体视觉过程，显示双眼视差影像的基本方法有：像素重合型，时间顺序型和空间隔置型三种。与之相应有许多使左右眼影像分离并分别进入左右两眼的方法。此种方法的共同特征是除了
5、具有单眼传统绘画因素外，仅用了单一的具有双眼视差的立体画幅对作为景物深度因素。尽管双眼视差是近距离观看时产生立体视觉的主要因素，但毕竟还不是全部立体视觉因素的综合。正因为如此，人们观看双眼视差式立体电影或立体电视的影像与直接观看原始景物时的感觉并不完全相同。双眼视差式立体显示目前主要应用于工业、医疗、教育与科研等领域，在一些科技发达国家，双眼视差立体电视有望近期应用于电视广播领域，预计市场上带有三维显示功能的电视会得到一定消费人群的青睐。图 1 是视差下的成像原理：图 1观看者带有能分离左右眼影像的眼镜，其两眼瞳的间距为 D 位于纵深方向。不同距离之物体的同名点在银幕上的左右眼影像表示为 L
6、和 RLR 像点。在银幕上位置的差异使观看者产生不同的空间距离感， 。当 LR 两点重合时，观看者感觉物点位于银幕表面；当 L 点位于 R 点左侧，视差为正值时，感觉物点位于银幕后面。当 L 点位于 R 点左侧，且通过 LR 两点的视线相互平行时，感觉物点位于无穷远。当 L 点位于 R 点右侧， 视差为负值时，感觉物点位于银幕前面。结合以上不难发现双眼视差式立体电影和双眼视差式立体电视的局限性。由于立体电影和立体电视的观看条件、银幕尺寸、观看者与银幕间的距离等。不同立体电视的局限性表现得比立体电影更为突出。这些局限性主要表现于以下几方面：眼球运动引起的深度感知因素的不和谐，无限远间隔值选择不确
7、定性，难以保持理想的观看距离和透视传递的一致性，卡片效应（深度平面数有限） ，运动视差因素的缺失。综上所述，可见双眼视差式立体电影和立体电视并非理想的立体影像显示方法。它只仅仅模拟了人眼立体视觉功能中诸多因素中的一个双眼视差，而且还无法保持调节与会聚的协调一致性。因此，可以这样说：它们只不过是立体活动影像技术发展的有待发展的阶段而已。立体影像活动中的全息立体立体影像活动中的全息立体全息立体显示方法是一种利用光的干涉方法摄像，利用光的衍射方法从二维屏幕上显现三维影像的技术。由于它能够通过对相干光的调制完全再现三维景物的反射光波场，因之能提供完整的空间信息。通常认为全息立体显示方法是理想的终极技术
8、目标。从原理上说，全息活动影像技术人眼立体视觉的全部深度感知因素，从而能使观看者得到最为真实的三维视觉感受。全息立体电影和电视都是以全息照相为基础它们实质上是以电的方法按一定时间频率间歇刷新的全息照片，即静态或瞬间记录的景物全息图。由物体上每一个点反射的光向所有方向散射如果用这种光照射照相底片，底片就均匀曝光记录不下任何影像。因为物体上散射的光线能到达底片上的每一点，如果在底片和物体之间安置一个针孔或凸透镜的话，则物体上每一点只有一条光线能到达底片。每一点的成像就可以积累得到整个物体的像。与针孔相比，透镜能使光束更好地聚集 ，其工作原理是相同的。虽然光是具有振幅和相位的波，但照相底片只能记录强
9、度、振幅的平方、取消透镜或针孔并提供一个未经调制的参考光源，就可以使底片既记录振幅又记录相位。照相底片所记录的光强是物波和参考波振幅的函数，当两种波在底片上相互迭合时，波峰相遇的地方产生最大强度。在一个波峰与一个波谷相遇时则产生的强度最小，在两种光波的这种作用下。底片上在曝光后便形成了一些条纹，由于物体上的每一个点、分辨元都对所有条纹有光的贡献，所以物体的全部光学信息都存储于底片上。条纹指明了物体上每一点的光强及与参考光的位置关系。若用参考光源照射处理过的底片，即全息图就再现出原始光波，物体好像魔术一样地出现。因此可以把全息图就看成为一片具有魔幻功能的窗口玻璃板，把它插放在景物与观看者之间后。
10、它就能记住所有经过它的光线的强度和方向，从而可以把景物移走，而观看者依然能看到原来的完整的三维景物。衍射全息显示的根基衍射全息显示的根基利用全息图对光进行控制的基本作用过程就是光的衍射。利用透明材料的透过率或折射率的变化可制成一个精细的正弦图形。衍射光栅前者是透射光栅，后者为位相光栅。当用准直光束照射光栅时， 一部分光直接通过即未衍射光或零级光束；另一部分光则分成两部分，分别从零级衍射光的两侧以相同的角度射出， 即正一级衍射光束和负一级衍射光束 。如果改变光栅条纹的空间频率，即间距一级衍射光的出射角也会改变， 如果能控制光栅的反差，则衍射光束的强度也能被调制。在斯克峰尼电视系统中采用了声光调制
11、器 AOM，它是利用声波对光波的作用来进行光波调制的器件。电学写入信号通过电声换能器件在声光介质中形成位相型光栅，读出光波就是因受到这种光栅的衍射而被调制的。 视频信号对形成于声光调制器的正弦位相光栅进行幅度调制，从而实现了对衍射光的光强调制。近年来许多全息视频系统和上述光波调制系统相比 主要差异仅仅在于输入信号方面，并不在于结构方面。为了能同时控制不同方向的光线 3D 显示器须要对许多基本功能的集合进行调制 ，而不是仅仅一个单频的光栅。如何利用衍射形成位于特定纵深位置的一个视在光点。如图 2 所示，这里用准直光束照射，变频光栅即光栅间距为渐变量，右侧的光束和左侧的光束相比，被高频条纹以更大的
12、角度所衍射出射光表现为来自屏幕后方的一个光点。与此相似，如果使变频光栅的疏密变化方向反过来，则视在发光点也可以位于屏幕前方。重要的一点是使到达观看者的光波波前和观看真实物点时的一样。图 2信息光栅能被另一种信号所调制，使观看者看到的来自发光点的各个方向的衍射光线的强度都得到控制。也就是说全息像元实际上系由一组像素构成，能沿不同方向发出不同强度的光必须指出在以上的讨论中我们做了一些简化。首先除到达观看者的负一级衍射光束外，零级衍射光束和位于其另一侧的正一级衍射光束都要被遮挡。 其次，在斯克峰尼系统所用的实际上一个点源的真实全息图并非一维的正弦波图形而是二维的区域片图形。显然复杂物体的全息照片是物
13、体上所有物点的全息图的叠加，最后得到的全息照片看上去是一大片难以理解的断裂的条纹及小斑点。在再现过程中，每个单元全息图都不受其它部分的影响 而在物像表面上独立地重现自己的那一点。目前，衍射显示方法尚没有得到广泛应用的重要原因是这种方法需要极其微小的像素。也就是说，一个大面积衍射显示器需要有海量的极微小像素，也就是说必须有极大的空间带宽积。全息影像技术的前景全息影像技术的前景由于一些技术因素的限制，全息电影目前尚没有得到实际应用。这些限制因素主要有全息电影拍摄的是运动物体与拍摄静物不同，需采用脉冲激光器拍摄脉冲激光器需要有短脉冲和高能量，高达每秒数十次的高重复频率的特性。 目前的激光器制作水平尚
14、难达到拍摄大场景的要求。全息图重现的的视场受到全息图大小的限制 ，只容许少数观看者同时观看，但全息电影的观众至少应有数百人。因此如何使众多观众能同时观看的问题就成为阻挠全息电影发展的主要难题。解决这一难题的方向有两个：一是制作出一个银幕大小的全息图，另一个是将小的全息像投影放大于特制屏幕。前者的困难在于虽然银幕尺寸增大，但像素尺寸却必须保持在 0.5m 左右。后者采用了投影放大方法，但困难在于目前所有的投影物镜都无法保证在三维方向上具有相同的放大率。因此，不难看出，对于全息电视来说，虽然制约因素依然存在，但制约因素已大大减小为了使全息术应用于电视。设想由摄像机拍摄物体的全息图，通过电波播送，然
15、后由接收机以透射型全息图的形式描绘出来，用激光照射后就可以再现出三维影像。在实践中又遇到不少技术难题，电通信系统的传输容量不够以及电视系统的输入和输出设备问题，基于以上原因，不少人曾认为全息电视是注定无法实现的。为了规避使用脉冲激光器拍摄的障碍，许多全息视频的研究人员不再追求真正全息图的获取显示于普通全息视频显示器的活动。影像往往或者是计算全息模型，即用计算全息方法将三维物体数据变换为干涉条纹，再由视频系统输出条纹实现三维显示或者是由摄像机阵列所拍摄的多视点立体图转化而成的合成全息。即将一系列从不同角度拍摄的二维照片通过全息记录方法记录在一张全息图内，当用白光再现此全息图时，人的双眼观察到的是不同角度的二维照片，以人眼的双眼视差获得立体感。显然，这是不够完善的准三维显示。随着显示技术的发展和位于接收器一端的可用计算手段的增多，通过电视网络传输它而是转向于从 3D 模型直接在显示器上生成衍射图形，应用于个人电脑和网络游戏控制台的图形处理器被证明很适用于此项工作。虽然全息影视技术尚未成熟并成为商品，但近年来不少其他科技领域的进展，如计算全息术，3D 计算机图像模型等，有助于它的不断向前推进，相信在不久的将来，全息影视技术必定会以成熟的姿态带来人类一个全新的视觉影像效果。
