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1、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(Dimensions Technologies Inc)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
2、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，
3、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
4、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Cybertron GmbH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
5、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
6、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。AB2
7、B1A1A2B左眼右眼屏幕图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：D=SAx-SAL同理，前方图像B 点距屏幕的深度为：D=SBx-SBLDTI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张角设计得比较小，使任一狭缝发出的光束照射在
8、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
9、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：XL=2n-12t第n组象素中，右图像象素距离坐标原点的距离为：XR=2n+12t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：Xl=
10、1+yL2n-12t+b-b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：Xr=1+yL2n+12t-b+b显然，对于左、右眼而言，用的都是同一狭缝光源，因此Xl=Xr或者： 1+yL2n-12t+b-b=1+yL2n+12t-b+b人眼瞳孔距离2b=60mm左右，液晶屏的象素宽度t=028mm左右；另外人眼观看液晶屏时的距离一般大于明视距离(L300mm)，而狭缝背光源距离Y=1.31.6mm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Xl=Xr=x，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：X=1+yL2n-12t+b-
11、b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内，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。在有效显示区域内，观看者的左右眼分别只观看到左右图像。在这个区域内，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
12、立体观看的纵向范围，即只能在距离显示器一定的有限纵深内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虚线所示的区域内，图像的亮度分布曲线。图中阴影表示的空间区域内，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
13、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内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范围，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内，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，不同显示内容的立体效果也不相同，有些显示内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
14、，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1 7|。目前国内合肥工业大学、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
15、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
16、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
