© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net收稿日期:2008-01-10 修回日期:2008-01-28
第25卷 第4期计 算 机 仿 真2008年4月
文章编号:1006-9348(2008)04-0213-05
几种立体显示技术的研究
孙 超1,2(1.中国科学院研究生院,北京100049;
2.国家气象信息中心,北京100081)
摘要:介绍了立体成像的基本原理,全息技术立体显示能提供更多的,成百上千的视图,带来如真实世界般的全视角感受,被认为是立体显示技术的最终解决方案。但是它必需在高质量显示技术以及目前广泛应用的四种主要的立体显示技术:立体眼镜、自动立体智能显示、立体三维显示和全息技术。重点讨论了不同自动立体显示技术的实现方法、显示效果和质量的影响因素和应用中存在的问题,最后对每种立体显示技术的应用前景和发展方向进行了分析,对正在进行立体显示技术研究者提供一个基础的技术切入点。关键词:立体眼镜;自动立体;双视图;多视图;体三维;全息技术中图分类号:TP391141 文献标识码:A
AProbeintoSeveralStereoscopicDisplayTechnologies
SUNChao1,2(1.TheGraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;
2.NationalMeteorologicalInformationCenter,Beijing100081,China)
ABSTRACT:Thefundamentalprincipleofstereoscopicimagingisintroduced.Currentlytherearefourmainstereo2scopicdisplaytechnologies,namelyglasses-basedstereoscopic,autostereoscopic3D,volumetricandhologram.Theimplementationmethodforeachtechnologyisdiscussedindetail,andthefactorsinfluencingdisplayqualityandtheproblemsinapplicationareanalysedalso.Finally,theapplicationprospectanddevelopmentdirectionarepro2posed.KEYWORDS:Glasses-basedstereoscopic;Autostereoscopic3D;Binocular;Multi-view;Volumetric;Hologram
1 引言与二维显示相比,立体显示技术的诞生解决了虚拟现实领域的视觉显示问题,能在一定程度上给观察者以身临其境的感受,可以真实地重现客观世界的景像,表现图像的深度感、层次感和真实性,它的应用领域非常广泛,如医学、建筑、科学计算可视化、影视娱乐、军事训练、视频通信等。立体显示技术经过几十年的研究和发展,取得了十分丰硕的成果,从各种立体眼镜、头盔显示器直到现在的不需要任何辅助设备的Autostereoscopic3D(自动立体)显示器、全息显示和体三维显示。各种立体显示技术以不同的实现方式在带给观察者立体感觉的同时,也存在着不同的问题和局限性,本文将深入探讨几种在目前有代表意义的立体显示技术,并展望其应用前景。2 什么是立体成像所谓“三维”是指一个场景或物体除了有宽度和高度之外,还具有深度,不管是照片、绘画还是显示屏图像,它们只使人眼获得某种深度的视错觉。真深度图像仅能存在于现实的三维环境中。至今,有两类本质上不同的三维成像方法:单像和立体(图1)。2.1 单像(monoscopic)成像是通过人的心理作用而产生的深度信息,称为深度暗示,它是人们长期使用的一种三维成像方法。具体包括:遮挡、透视、相对运动以及光照、纹理、阴影。单像方法实质上是一种2D成像技术。因其易于实现,已被广泛应用在三维造型、动画制作和电脑游戏等场合。2.2 立体(stereoscopic)成像是基于人的生理因素(即立体视觉)来传达三维景物的深度感觉,称为深度模拟。人在观察空间一个物体时之所以产生立体感是由于双眼从物体左右稍有不同的两个角度进—312—© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
行观察,因此该物体在人的左右视网膜(retina)上投射出的光学图像有细微差异,称作“双眼视差”,它是产生立体感(深度感)的重要因素[1]。当这两幅光学图像同时传向大脑视觉神经中枢,经差异处理后,大脑就将它们整合成单一的3D图像,使人能感受到所看物体的立体感。图1 单像(左)和立体(右)的三维成像3 几种立体显示技术的实现方法和存在的问题3.1 立体显示技术分类一般,把立体显示技术主要分为立体眼镜、Autostereo2scopic3D显示、体三维显示和全息技术四大类。其中,立体眼镜和Autostereoscopic3D显示是目前采用最多的立体显示技术,它们都是采用分像的方式提供给左眼和右眼两幅具有位差的图像来实现“双眼视差”,从而使观察者感觉到物体的深度;体三维显示和全息技术仍在研究和发展中,在虚拟现实中的应用并不多,但也不失为未来立体显示技术的解决方案。3.2 立体眼镜和Autostereoscopic3D显示3.211 实现方法根据人的3D视觉原理,想要形成人工的单一3D图像,必须具备以下两个条件:1)要制作可供左眼和右眼观看的两幅图像,而且它们在显示屏上必须有一定的水平位差。这两幅图像通常称为一对立体视图,它们使观察者产生深度感的原理如下:左眼图像和右眼图像的对应点L、R在显示屏上的位置如图2所示:当R在L的左边时,则L、R之间的距离为负位差,这样通过双眼融合,看上去空间点A就在显示屏之前;当L在R的左边时,则L、R之间的距离为正位差,这样看上去空间点A就在显示屏之后。图2 正位差和负位差在理论上,双眼能融合的显示屏上最大水平位差等于双眼瞳距[2](约为65mm),但对于显示屏而言,若采用该位差
尺寸,双眼在观察时,必需调焦到显示屏上,但在位差作用下又必需调焦到不同的深度,这样观察者容易感到疲劳,所以实际的位差比瞳距小得多。根据已有的研究结果[2],显示屏
上的理想水平位差s应该在(-l/115,l/115)(l为双眼到显示屏之间的距离,单位mm),此时深度T为
T=sld-s(1)
其中,d为瞳距。当位差s为正值时,空间点A在显示屏之后,s为负值时,空间点A在显示屏之前。同时,由式(1)可以得出,在显示屏上位差值相同的条件下,负位差产生的深度小于正位差产生的深度;当位差值减小时,深度感减小。立体视图对主要通过以下两种方式来获得:
・用一个或多个摄像机对位置轻微移动或旋转的同一景物曝光两次而获取(早期也有用一个带双镜头的立体相机来拍摄)。・通过现有的计算机CAD软件或3D创作工具(一般采用C++语言加上OpenGL,DirectX或Java3D三维图形接口库来编制)建立三维数据模型(即景物),然后分别沿着两个虚拟摄像机(相当于左右眼)位置到场景中同一参考点的直线作为观察方向,渲染出一对含有双眼视差的立体视图,
并同时显示在屏幕上。2)能控制左右眼分别观察各自的一幅图像,即实现“分像”。为了没有相互干扰的观察一对立体视图,还需要一种“分像”工具,以阻止一眼看到另一眼的立体视图。根据分像的方式,主要分为立体眼镜和Autostereoscopic3D显示技术。自从十九世纪以来,各种各样的立体眼镜已被广泛采用。至今,按照不同的分像方法主要有3种立体观察方式:
・红绿补色法:基本原理是将左右视图用红绿两种补色同时显示出来,并用相应的补色观察。每个滤色镜吸收来自相反图像的光线,从而使对应眼基本上只看到同色图像。・液晶闪闭法:适用于光栅扫描显示系统,左右视图按场序交替显示。要用一副附带液晶快门的立体眼镜观看,而红外线同步发射器能使眼镜与屏幕上的视图保持同步。当戴上眼镜观看屏幕时,每个滤镜就象快速交替的快门一样动作,同步地阻塞每个视图。・偏振光法:若在光路上插入一块偏振片,它将只允许与其偏振方向一致的那一部分光波通过。偏振屏上的两个视图分别来自水平和垂直的偏振片,当戴上偏振光眼镜时,
左右眼只能看到对应的视图,从而实现了分像。Autostereoscopic3D显示技术不需要特定的立体眼镜,采用“透镜”或者“视差障栅”来实现“分像”,根据其提供的立体视图的多少分为双视图和多视图两类显示技术。双视图即显示器在同一时间只显示两幅具有视差的图像给观察者的左眼和右眼。对于双视图显示技术,又分为普—412—© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
通的双视图和采用了头部跟踪系统的双视图两种显示技术。・普通的双视图显示初期的自动立体显示器采用的都是普通的双视图技术,该技术使观察者的左右眼分别观察各自的一幅图像。利用“透镜”或者“视差障栅”分像的每个子像素可以在屏幕前一定视角范围内可视,如图3所示。当观察者在屏幕前的适当位置时,就可以使左右眼接收到正确的立体图像对,从而感觉到立体图像。然而,观察者仍然有50%的机会将在错误的位置导致接收到错误的立体图像对,而且,大幅度的增加或减少观察者到屏幕的距离将更加的缩减正确观察立体图像的机会。图3 普通的双视图显示图4 一个16视图的立体显示器由于普通双视图显示无法满足自动立体显示器的图像明确性、屏幕视野和视角大小这些性能指标,支持双视图的头部跟踪显示技术可以在一定程度上解决这些问题。・头部跟踪显示头部跟踪显示器[5]使用立体摄像机来跟踪观察者的头部,通过特征值方法、肤色或脸部的器官如眼、鼻、嘴来精确面部的定位;然后根据面部和眼睛的几何关系以定位左眼和右眼的位置,并将信息反馈给给计算单元,经过计算处理得到人眼的位置和此时应该看见的图像,将图像信息传递给显示单元显示相应的图像,将左眼和右眼的位置信息传递给控制单元控制“透镜”或“视差障栅”完成相应的分像,从而使左眼和右眼能够持续看见相应的图像。头部跟踪显示技术也是针对提供双视图的显示器而言,通过跟踪观察者的头部运动或眼球的转动来使左右眼睛始终看见的是正确的视图。头部跟踪显示技术可以使单个观察者在一定范围内舒适的移动而始终正确地感受到立体图像,也可以采用立体摄像机组来跟踪多个观察者来达到多人同视的效果,而在游戏的不同角色的应用中,还可以控制不同的图像传递不同的观察者来实现实时交互的目的。・多视图显示多视图立体显示[4]将观察空间分成有限数量的水平窗口,在每个窗口中都有一幅视图,观察者的每只眼睛分别看见一幅不同的视图,而且视图会随着头部的移动而变化。因此,少量的视图就能够提供立体视差和水平的移动视差,同理,在垂直方向上也能提供移动视差,这就需要视图数是原来视图数的平方。多视图显示器在观察空间的多个区域中显示多个不同的图像,如图4所示,能允许多个观察者在观察空间内随意移动而能在各自的视区内感受到立体图像,观察者可以通过简单的头部移动而环视场景中的物体。建立多个视图的显示是该技术的难点,为了减少多个视图拼接的失真,多个视图之间要留有重叠区域而且视图数目也不能太多,因此目前自动立体图像难以达到人眼的水平视野(接近180°);建立多个视图的技术主要有:由多个放映机投射出多个视图或采用快速的时分CRT