基于双眼视觉的立体显示技术概述摘要：战场环境是一切军事行动的空间基础，战场环境仿真是目前军事作战模拟领域研究的热点。

本文讨论了用于实现战场环境感知仿真的基于双眼视觉的立体显示技术。

运用虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR;又译作灵境、幻真）实现战场环境仿真，其目的就是构成多维的、可感知的、可度量的、逼真的虚拟战场环境，借此提高参训人员对战场环境的认知效率。

对于大多数应用而言，营造立体视觉效果是实现“沉浸”的关键，即根据人类的双目立体视觉原理，借助于一定的设备，使观察者在生理水平上对被观察的场景产生强烈的立体感。

由于在虚拟现实系统中，场景是由计算机生成的（非实地拍摄），为了达到立体效果，就需要对图像的生成、显示与观察各环节进行适人化的处理，因此该技术也被成为“人造立体视觉技术”。

一立体视觉基本原理透视效果是观看三维世界时的基本规律，是画面产生立体感的基本要求。

人眼在看真实的圆柱体和看屏幕上显示的圆柱体时，视差角有明显的不同，看屏幕时的视差角实际上和看平板玻璃时是一样的，因此不管屏幕上显示的内容如何变化，立体感始终是一个平面，这也是普通显示器无法实现立体显示的原因。

既然如此，首先想到的解决办法自然就是把显示器做成圆柱体形状，这样当然可以完美的显示圆柱体，不过这样的显示器不管显示什么内容时都会机械的制造出中间近、两边远的效果。

那么为了完美显示每一种物体，显示电风扇时就得用电风扇形的显示器，显示飞机又要用飞机形状的显示器，如果要显示宇宙该用什么形状的显示器呢？显然，这样就走入了一条死胡同，因此必须找到其它的方法。

设法分别向两眼输送两个拍摄角度略有不同的画面，给左眼的画面只让左眼看到，给右眼的只让右眼看到，那么如同前面提到的立体眼镜，调节两幅画面之间的细微差距就相当于调节视差角。

既然可以人为的控制视差角，我们就可以在显示圆柱体时调节视差角产生圆柱体的立体感，显示电风扇、飞机时产生电风扇和飞机的立体感，显示宇宙时产生宇宙中每个星球的立体感等等。

按照这个方法不就可以实现完美的立体显示了吗？事实上，当今主流的4种立体显示技术都是基于这个原理的。

实现基于双眼视觉的立体显示需要经过两大步骤，首先，要准备好两套分别供左眼和右眼观看的画面。

目前，这种画面的来源有三种途径：一、双机拍摄。

拍摄电影或图片时将两台照像机或摄像机并排放置，两机间的角度和距离都模拟人的双眼。

二、从3D场景中提取。

由于3D场景本来就被设计用来可供任何角度观看，所以从中提取两套画面自然不难，提取的两套画面相互间的角度要模拟人的双眼。

三、用软件智能模拟。

这是利用计算机根据原始画面重新生成两套画面，可用于将现有的普通视频和图片转换为立体显示的片源，但效果略差。

片源准备好以后，第二个步骤就是将它们输送给双眼，并且要点是给左眼观看的画面只能让左眼看到。

在输送时其实并不需要刻意的调节两套画面的差距，只要能将上述途径获得的片源按要求输送给双眼，那么人眼就会自动产生与画面对应的立体感了。

为了实现这一步，各种立体显示技术采用了不同的方式，4种技术的区别也就在于此。

二 3D显示技术的总体分类分色：分色技术的基本原理是让某些颜色的光只进入左眼，另一部分只进入右眼。

我们眼睛中的感光细胞共有4种，其中数量最多的是感觉亮度的细胞，另外三种用于感知颜色，分别可以感知红、绿、蓝三种波长的光，感知其它颜色是根据这三种颜色推理出来的，因此红、绿、蓝被称为光的三原色。

要注意这和美术上讲的红、黄、蓝三原色是不同的，后者是颜料的调和，而前者是光的调和。

显示器就是通过组合这三元色来显示上亿种颜色的，计算机内的图像资料也大多是用三原色的方式储存的。

分色技术在第一次过滤时要把左眼画面中的蓝色、绿色去除，右眼画面中的红色去除，再将处理过的这两套画面叠合起来，但不完全重叠，左眼画面要稍微偏左边一些，这样就完成了第一次过滤。

第二次过滤是观众带上专用的滤色眼镜，眼镜的左边镜片为红色，右边的镜片是蓝色或绿色，由于右眼画面同时保留了蓝色和绿色的信息，因此右边的镜片不管是蓝色还是绿色都是一样的。

红蓝分光：常见的光源都会随机发出自然光和偏振光，分光技术是用偏光滤镜或偏光片滤除特定角度偏振光以外的所有光，让0度的偏振光只进入右眼，90度的偏振光只进入左眼（也可用45度和135度的偏振光搭配）。

两种偏振光分别搭载着两套画面，观众须带上专用的偏光眼镜，眼镜的两片镜片由偏光滤镜或偏光片制成，分别可以让0度和90度的偏振光通过，这样就完成了第二次过滤。

目前，分光技术的应用还主要停留在投影机上，早期必须使用双投影机加偏振光滤镜的方案，现在已经可以用单投影机来实现，不过都必须配合不破坏偏振光的金属投影幕才能使用。

分时：分时技术是将两套画面在不同的时间播放，显示器在第一次刷新时播放左眼画面，同时用专用的眼镜遮住观看者的右眼，下一次刷新时播放右眼画面，并遮住观看者的左眼。

按照上述方法将两套画面以极快的速度切换，在人眼视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。

目前，用于遮住左右眼的眼镜用的都是液晶板，因此也被称为液晶快门眼镜，早期曾用过机械眼镜。

光栅：光栅技术和前三种差别较大，它是将屏幕划分成一条条垂方向上的栅条，栅条交错显示左眼和右眼的画面，如1、3、5…显示左眼画面，2、4、6…显示右眼画面。

然后在屏幕和观众之间设一层“视差障碍”，它也是由垂直方向上的栅条组成的，对于液晶这类有背光结构的显示器来说，视察障碍也可设在背光板和液晶板之间。

视察障碍的作用是阻挡视线，如图，它遮住了两眼视线交点以外的部分，使左眼看到的栅条右眼看不到，右眼看到的左眼又看不到。

不过，如果观看者的位置改变的话，那么视差障碍位置也要随之改变。

为了方便移动视差障碍，小型光栅显示器都是采用液晶板来作为视差障碍的，而检测观看者位置的方法主要有两种，一种是在观看者头上戴一个定位设备，另一种是用两个摄像头像人眼一样的定位。

三 4种主流立体显示技术的优缺点应用范围方面：这4种技术可应用的范围还是比较广的，值得一提的就是分时技术还不能应用于液晶显示器，主要是因为液晶显示器的响应时间太长，响应特性也非常怪异。

你可能会问，既然分时技术不能用于液晶显示器，为什么可以采用液晶快门眼镜呢？此事说来话长，大家若想了解这其中的乾坤，可以查阅其他介绍液晶显示器响应时间的文章。

舒适性方面：前三种技术使用时必须要配戴专用的眼镜，好在观看的位置不限；光栅技术虽然不需要配戴眼镜，但有一部分产品要在头上配戴定位设备，同时观众必须在特定的范围内才能正常观看。

画面质量方面：4种技术普遍存在亮度损失的问题，分色技术使用颜色较深的滤色镜，亮度损失理所当然，同时它还会损失一部分颜色信息，另外显示彩色画面时，如果镜片颜色不够深，很可能导致滤色不彻底，会影响观看效果；分光技术要用到偏光片，它会吸收特定角度偏振光以外的所有光，亮度损失很严重；分时技术虽然在任意一个时刻只有一只眼睛能看到光线，但由于人眼的视觉暂留特性，所以这并不是它损失亮度的主要原因，之所以损失亮度，是因为液晶快门眼镜中也包含偏光片，所以它和分光技术是一样的；至于光栅技术，视差障碍使每只眼睛只能接收到原来一半的光线，因此亮度损失一半，同时水平分辨率也只有原来的一半。

保护视力方面：首先，分光和光栅两种技术对视力是没有损害的，另外两种技术中，分色技术是无药可救的，因为观看时，双眼接收到的颜色信息严重不平衡，虽然大脑可以将它们完美的组合在一起，但是会造成视神经疲劳，不能长时间使用。

分时技术必须配合CRT这类的低响应时间的显示器才能使用，CRT一个显著的特点是瞬间发光，必须以非常高的频率重复的扫描，然后在人眼视觉暂留特性的作用下才能呈现连续的画面，为了使画面足够稳定并且不会对视力造成损害，刷新频应该达到85赫兹，普通显示器都可以达到这个指标，但使用分时技术后就不同了，由于单位时间内只有一只眼睛能看到画面，原来的85赫兹现在变成了42.5赫兹，如果还要保护视力的话，显示器的刷新率就要设置为170赫兹了。

但是显示器的性能有限，很多显示器即使在最低的分辨率下也只能达到120赫兹，实际只相当于60赫兹，在这样的刷新率下人眼就很容易疲劳了。

即使显示器支持170赫兹的高刷新率，液晶快门眼镜也大多不支持。

需要注意，这个缺点只是针对CRT而言，如果换用非瞬间发光的显示器就不存在这个问题了，但绝大部分的液晶快门眼镜都是为CRT优化的，可能会不适应其它显示器的响应时间和响应特性。

四立体显示设备概述（一）头盔显示器头盔显示器（HMD，Head Mounted Display）的原理是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。

具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。

利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉（Hologram）。

液晶显示器（早期用小型阴极射线管，最近已有应用有机电致发光显示器件）的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大银幕画面。

由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜，因此在光学上它已不单是透镜功能，基本上已成为自由面棱镜。

当影像产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。

侧凹面镜面涂有一层镜面涂层，反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面，并在该面补正光线倾斜，达到观视者眼睛。

头盔显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。

除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中，虚拟现实电子技术系统首先应用了头盔显示器。

近期新一代家用仿真电子游戏机和步行者DVD影视系统的出现就是头盔显示器的普及推广应用的实例。

头盔式显示器是最早的VR显示器，它利用头盔将人的对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。

目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768，可为用户提供清晰的虚拟场景画面。

我国也在开发此系统，但用量有限。

众所知视觉影像的解析度与色彩度取决于显示器件的像素（pixel）与灰度（grey level），然而目前小型高像素、高灰度液晶显示器（LCD）的单价极端昂贵，因此，日本Olympus公司利用OSR元件使18万画素的LCD产生相当于72万画素，水平解析度500条以上的画质效果。

OSR是由偏光控制元件（液晶cell）与复折射板所构成。

藉由OSR元件将LCD的黑色矩阵上由像素所产生的光线移位。

虽然理论上它是一种可使光学画质提高4倍之技术，但实际上单纯的使光线移位所产生的4像素技术却会造成影像模糊效应。

因此OSR将对应各移位的影像信号从原始影像信号中取样，再显示于HMD的自由曲面棱镜，也就是说各移位的像素都能够正确显示在该当位置，实质像素提高4倍的同时又不会有影像模糊的问题。