1、天津理工大学硕士学位论文裸眼立体显示技术的研究姓名：张晓媛申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：魏臻20061201摘要摘 要图像显示器是人类接受外部信息的重要手段之一。而立体显示则能再现场景的三维信息，提供场景的更为全面、详实的信息，在医学、军事、广告艺术以及立体电视等领域有着广泛的应用前景。传统的立体图像显示需要佩带诸如偏振眼镜、互补色眼镜或者液晶眼镜之类的辅助工具，因此将人眼完全占有，人的眼睛除了观看屏幕之外，做其他与屏幕无关的工作都十分不便。因此，佩带眼镜的立体显示技术(包括立体头盔)，尽管其立体显示效果特别优良，但在许多场合是不适用的。基于此，我们研究了基于柱透镜阵列的裸眼立体显
2、示技术，即依据柱透镜阵列对光线的折射作用，结合数字图像处理技术，将包含立体信息的屏幕图像分离成左、右两个视像，分别提供给用户的双眼，经过大脑合成，使平面图像转化为具有纵深感的立体图像。裸眼立体显示技术无需佩带眼镜，用户在观看立体显示器的时候眼睛不受限制，是完全自由的，因此，可以同时进行除了观看显示器以外的其他工作，从而具有更大的灵活性和实用性。本文首先介绍立体视觉基础知识及相关理论。裸眼立体显示技术基于人类的双眼“视差”，即人眼睛的功能决定了立体视觉的形成。立体显示技术是结合了人本身参与的系统，显示器件其实只是完成立体视觉的部分功能，而人眼的生理功能完成剩余的工作。所以在第二章使用一定的篇幅来
3、介绍人眼的立体视觉机制。本文的第三章从裸眼立体显示器的共性特点出发，结合立体显示的几何模型，分析了基于柱透镜阵列的使图像分离的几何关系，在此基础上，计算了光线分离的布局特征。在亚屏幕分区和视图分离物理特性研究的基础上，进一步计算了独立视区的位置。在光学原理研究的结论指导下，初步研制出原理样机。本文的第四章研究了裸眼立体显示器适用的图像格式及其变换方法，编写了静态立体对转换软件，以典型的立体对复合图像表示变换的效果，实验证实了设计方法的正确性。在上述各点中，有两点是本文的创新点：1把裸眼立体显示器的物理本质概括为分离和会聚两个过程；提出“亚屏幕”分区和虚拟屏幕的概念，这两个概念和“独立视区”解释
4、了裸眼立体显示器的物理特性，具有指导意义；2提出和使用“动态装配法”用于立体显示液晶屏的装配工艺，不需要花费巨大的特种设备，以低廉的价格制各了试验设备，思路和方法具备借鉴意义。关键词：立体视觉、视差、立体对图像、亚屏幕、独立视区、动态装配AbstractAbstractImage display is one of the important measures for people to accept outside informationAnd stereoscopic display can reproduce 3-D information of the scene，and西ve mor
5、ecomprehensive and detailed informationso it has broad application foregroundTraditionalstereoscopic display needs to wear other assistant tools，such as polarized glasses，congordantglasses or LED glassesour eyes are occupied completelyExcept looking on the scene，weare inconvenient to do other jobsAl
6、though this techniques(including stereo armet)displayeffect is fine。it is not applicable in many occasionsOn accounting of this，we have studiedautostereoscopic display technique based on the lenticuler sheets，that is according to therefraction effect of the sheet and combined with digital images pro
7、cessing technology，toseparate the image into two images，and send each of them to the userS eyesBy cerebralcombination，plane images are transformed into stereoscopic images with deepinformationAutostereoscopic technique needs not to wear glasses，userseyes are notrestricted looking on it，and compietel
8、y free，users can do other jobs at the sametimeTherefore it has much more flexibility and practicalityFirstly，basic knowledge of stereovision and related theory are depicted in this paperAutostereoscopic display technique is based on the parallax of persons eye to determine thefoITII of stereo vision
9、This technique is a system combined with persons participation，actually display devices iust only completed a part of the functions of stereo vision，andphysiological functions of poisons eyes completed the left jobsSo in the second chapterstereo vision mechanism of persons eyes is introduced by usin
10、g some lengthIn the third chapter of this Paper，to begin with the commonness trait ofautostereoscopic display and associate with jts geometrical model,we analyzed thegeometrical relation to separate the image based on the lenticuler sheet，and also calculatedthe distribution character depending on it
11、By the research of sub-screen and physical featureof view separation,we computed the position of separate view zone fartherBy the reseatchof optical theory，we developed a salBpie equipmentIn the forth chapter，wc made a research of image format applicable to autostereoscopicdisplay and jts transforma
12、tion method，and write a software for the transformation ofstereopair imagesThe typical multiimage showed the transformation effect，and theexperiment approved the correctness of designing methodThere are two innovations in the paper：1、Physical metal of the displayer was summed up two process separati
13、on andconvergencePut forward subscreen and flctitious screen，these two conception and“separate view zone”explain the physical feature of the displayer，so it has guide sense21 Put forward and applied“dynamic fitting method”，neednt spend much to buy specialequip，developed a sample cheaplyThe thoughi a
14、nd method deserve to be used for refcrenceKey Words：stereo vision，parallax，stereo-pair images，subscreen，separate view zone，dynamic fittingII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼理王太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论
15、文作者签名：多最晚遣签字日期：刀唧7年，月岁日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云洼堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：弛吼崦签字日期：M年月歹El导师签名：巍透签字日期： 07年f月f日第一章绪论11引言第一章绪论自然界是一个立体的空间，大至宇宙星系小至原子和微粒都存在三维尺度和空间位置关系。为了表达纷繁复杂的现实世界，人们发展了很多的方法
16、，其中尤以图像的表达方法最为直观，图像可以直接提供视觉信息，便于直接了解细节信息“埘。研究表明，在人类获取的外界信息中，视觉信息超过了80*,6。图像信息具有直观、形象、易懂和信息量大的特点，是人们日常生活生产中接触最多的信息种类。传统的图像是一种二维信息载体，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，因而也是不完整的。人类在生产生活中习惯了使用两只眼睛来观察世界，判断景物的三维信息，使活动更为准确和自由，而其所依据的就是每只视网膜上的成像，大脑对两幅视网膜图像进行分析加工，从而获得更为真实和准确的深度信息。因此作为观察的主体，人类更需要提供比一幅图像更多的信息画面来获取必须的空
17、间信息1。能够同时提供符合立体视觉原理的具有深度信息画面的媒介就是立体显示技术。由于现代科学技术的发展，特别是计算机技术、微电子技术、光电子技术的发展，使同时拍摄多画面成为可能，并可以完全模拟现实景况使之重现，即使观察者不在现场，也丝毫不影响对细节信息的获取。立体显示技术能够真实地重现客观世界的景象，表现出场景的深度感、层次感和真实性，是当前显示技术发展的重要方向。在研究立体显示技术的时候，不可避免的要联系上另一个研究领域，即虚拟现实技术”。虚拟现实技术也是当前迅速发展的重要研究领域，己越来越受到人们的重视和关注。虚拟现实技术融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技
18、术分支，它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互晃面甚至于达到人和机器的自然交流，因此虚拟现实技术将改变人与计算机之间、人和信息网络之间接口的枯燥、生硬和被动的现状，使人们陶醉在基于计算机构建的生产、生活环境之中而流连忘返。虚拟现实技术的研究与兴起反映了人们的需求。立体显示器是虚拟现实技术的必需的关键设备，它可以提供具有真实深度感和层次感的立体视觉效果。使用了立体显示器的虚拟现实技术，最重要的特点就是“逼真”感与“交互”性。参与者置身于虚拟世界中，环境、情景犹如在真实环境中，其中的各种物体及现象都存在相互作用，令人有身临其境的感觉，并且参与者与虚拟的环境可直接进行交流互动，达到以假乱真
19、的程度。12立体显示技术的发展历史“嘲早在五千多年前的古埃及，人们就已经有了对三维成像技术的追求。考古发现当时对人物形象的画法造型，大部分都把脸表达成侧面的姿态，显示出额头、鼻子和嘴唇的第一章绪论轮廓，而眼睛和躯体的位置都是J下面的，整个人物从头到脚有两次90。的转向。真人或站或坐都无法保持这种姿势，但这种奇特的造型却可使人物具有立体感和厚重感。在欧洲的文艺复兴时期，绘画透视和雕塑艺术的研究和实践就己经表明了只有给两只眼睛分别提供相对独立的图像，在恢复了双眼视差的情况下，才可能获得真实的立体视觉。最早出现的双眼立体视觉技术采用分光眼镜和立体镜的方法观察立体图像。到了16世纪，人们开始用不同的颜
20、色为左右眼分别绘制有一定差异的图像，然后通过滤光镜来观察，产生立体视觉的效果。17世纪末18世纪初研制了“立体镜”“”(图11)，它为每只眼睛提供独立的视觉通道，立体感非常强烈，这种“立体镜”至今仍然是观察立体图像的一种有效手段，图12是我国杭州立体世界摄影器材有限责任公司“”研究开发的立体观片机。19世纪科学家尝试构造一种不借助辅助装置就能观察到立体画面的方法，但以失败告终。19世纪末电影发明后，科学家义尝试用电影来表现运动的立体视觉图像，他们首先采用两部摄影机模拟人类双眼进行拍摄，然后将偏振光滤光镜安装在放映机的镜头上，观众通过配戴偏振光眼镜观察运动的立体图像。这种立体电影技术一直沿用至今
21、。左曦田像撬 襁图11 Whelslone立体镜右曦宙缘图12立体观片机20世纪初黑白电视机发明以后，人们就开始着手研制立体电视，传统的用于观察静止图像或电影图像的立体显示方法几乎全部被应用到立体电视技术之中。在黑白电视时代，比较成功的立体电视是由两部电视摄像机拍摄影像并用两个独立的视频信道传输到两部电视机，每部电视机的屏幕上安置一块偏光板，然后用偏光眼镜去观察，这样的立体电视系统可以获得较好的立体图像。20世纪50年代，彩色电视技术发展到接近实用的阶段，“互补色立体分像电视技术”开始应用于立体电视。基本方法是用两部加装滤光镜头的摄像机去拍摄同一场景图像，在彩色电视机的屏幕上观众看到的是两副不
22、同颜色的图像相互叠加在一起，使用颜色互补的滤光镜就可以看到立体电视图像。这种立体电视成像技术兼容性好，在立体电视技术领域曾经风靡一时，但存在的问题也十分明显，由于通过滤光镜去观察电视图像，彩色信息损失极大：另一个问题是彩色电视机本身的“串色”现象引起干扰；同时由于左、右眼的入射光谱不一致，易引起视觉疲劳。2第一章绪论20世纪70年代末由于光开关新材料的出现，人们可以制造光开关眼镜，出现了时分式的立体电视技术。时分式的立体电视技术采用彩色电视信号的奇场和偶场播放立体电视信号。80年代初，日本东芝公司研制出时分式立体电视投影机。1985年，日本松下公司的时分式液晶眼镜立体电视样机获得成功。由于宽银
23、幕立体声技术的发展，立体显示技术的研究一度陷入了低谷。自20世纪90年代以来，人们已不满足于宽银幕立体声技术带来的视觉效果，目光又重新回到更具真实视觉的立体显示技术，在世界范围内掀起了新一轮的立体显示技术研究的热潮，通过十数年的研究攻关，发展了多种不需要配戴助视眼镜的个人立体显示器，使之成为家电娱乐、立体仿真、虚拟现实的必要设备。从立体显示技术发展历史来看，先后出现了基于各种分割左右眼视图的方法，形成了多种不同的立体显示器类型。立体显示技术的实现方法大致可以分为全息显示方法和非全息显示方法两大类，具体情况如表11所示o“目表11立体显示主要类型类别 观察方式 光学原理互补色立体显示方法需要 偏
24、振光立体显示方法非全 辅助设备 场分立体显示息显 (眼镜等) 棱镜立体显示方法示方 光栅立体显示方法法 视察挡板立体显示方法微透镜阵列立体显示方法裸眼式 微镜投影立体显示主景立体显示方法特殊照明立体显示透射全息显示反射全息显示全息 像面全息显示显示 裸眼式 彩虹全息显示方法 合成全息显示模压全息显示计算机全息显示目前的研究方向主要集中于基于平板显示器(1rI可“=D，PDP等)的裸眼立体显示技术。下面我们先了解一下国际上已有成功案例基于11叮in Film Tran幽stor)LCD的裸眼立体显示技术及基于平板立体显示技术的国内外研究现状3第一章绪论13基于平板显示器的裸眼立体显示技术11丌L
25、CD是平板显示技术的一种，它是基于液晶电光效应的被动显示器件，通过薄膜晶体管驱动显示像素区域的液晶分子指向矢扭转来调节透过红、绿、蓝滤色片的光通量实现彩色动态画面的显示。利用1rI丌LCD显示立体图像具有色彩丰富、装鼍轻巧、价格便宜等优点，随着1rIT LCD的普遍使用，研究效果更好的裸眼立体显示器成为科技界的关注重点。目前基于11玎ICD的裸眼立体显示技术主要使用了以下几种方式】：(1)柱透镜方法在1rI可u=D前面板镶上一块柱透镜板组成立体显示的光学系统。柱透镜板由细长的半圆柱透镜紧密排列构成，经1rI叮LCD像素调制的光线通过柱透镜的折射，把奇、偶列像素上显示的视差图像投射到人的左、右眼
26、，经视觉中枢的立体融合获得立体感。图13是柱透镜方法的示意图，其中的像素层为11可LCD。该方法结构简单易于实现，柱透镜的加工也比较方便，关键参数是柱透镜的节距和曲率。根据安装的不同位置，柱透镜方法可分为前置和后置两种类型。由于柱透镜与液晶屏固定安装在一起，只能用于单一的立体显示，无法兼容平面显示。辩明妻霎强饕图13柱透镜法 图14视察挡板法(2)视差挡板方法在显示器和眼睛的中间放置一块栅栏式的挡板，只能穿过一系列的缝隙来观看奇、偶列图像，这样的装置使左、右眼能分别看到对应的图像，形成立体视觉效果(图14)。该方法结构简单，根据显示屏尺寸及像素的大小，设计相应的档板间距和狭缝宽度即可，但需要保
27、证显示面、挡板和眼睛的精确位置关系，为了达到良好的立体效果，可以使用自动装置实时调整图像和视差挡板的位置。由于档板位于显示平面的前方，使用电子档板的方法可适用于大部分的平板显示器，例如可以使用PDP(Plasma Display Panel，等离子显示器)作为像素层。(3)微位相差板法微位相差板法是台湾光电研究院研究成功的一种裸眼立体显示技术o“棚。使用微位相差板改变光的偏极态来达到左、右视图的分离(图15)微位相差板立体显示器不需要戴眼镜，但是视角很小，需要和头部跟踪装置配合使用。该方法结构较为复杂，微位4第一章绪论相差板使用特别研究的光刻方法加工而成，与菲涅尔透镜和特殊结构的照明系统相配合
28、，能够进行视线跟踪。图15微位相差板法 图16线光源照明法(4)线光源照明法线光源照明法的立体显示器陬”在LCD的像素层后使用一系列并排的线状光源给像素列提供背光照明，线光源宽度极小并与液晶屏的列像素平行。密集的线光源照明使奇、偶列像素的图像传输路径分离，使左、右眼看到对应的画面(图16)。在立体显示时，由于形成阻挡区，降低了显示器的整体亮度。这几种立体显示技术都使用11丌LCD来显示立体图像，很好地利用了液晶显示器的平面性、轻巧性，且液晶显示器丰富的色彩表现力、绿色环保特性，都适合作为立体显示技术研究的优选器材14基于平板立体显示技术的国内外研究现状由于平板显示技术的实际应用，使立体显示技术
29、的研究产生了重大的飞跃，自20世纪九十年代以来，世界发达国家纷纷研究基于平板的裸眼立体显示技术。美国DTI(Dimension Technologies lncy“”公司始建于1986年，在80年代后期已开始研究立体LCD显示器，目前拥有全球大部分的3D LCD相关的专利。1993年为WrightPatterson空军基地设计并且制造了驾驶座舱自动立体3D显示器，主要用于飞行员的模拟训练：1995年为NASA(美国国家宇宙航天局)设计并制造了动态全息3D显示器。1998开发成功15”3DVirtualw铀dowLCD显示器(见图17)，并被NASA采纳为虚拟诊断系统的显示设备。日本的三洋电机于
30、2002年9月10日宣布研究出50英寸不需要专用眼镜的等离子裸眼立体显示器021(图18)。日本先锋研制了一种新型的立体显示技术。1(图19)，该技术可以令立体影像“漂浮”在半空中，可以通过安装在立体影像成像位置下方的感应器，来感应使用者的操作，就如同操作触摸屏一样进行“空中操作” 同样为日本企业的夏普公司也一直在大力研究立体显示屏技术，并将立体显示技术应用到手机的显示中，立体显示笔记本计算机也研制成功(图110)。并且日本夏普与夏5第一章绪论普欧洲研究所(英国)联合开发的无需眼镜也能看到三维显示效果的液晶面板，2002年10月开始量产。这些立体显示器都不需要配戴助视眼镜，可以裸眼观看，代表了
31、当前最先进的研究成果。这些裸眼立体显示器使用了特别研究的专利技术，其中比较有代表性的有德国4DVision公司的4DVision技术、DTl的视差照明技术(Parallax Illumination)、飞利浦的多视点技术(Multi-view 3DLCD)和德累斯顿人学的D4D技术等“。图17DTI公司立体显示嚣 图18三洋公司立体显示器图19日本先锋的立体显示器 图110立体显示笔记本计算机为了促进立体显示技术的研究与应用，2003年3月4日，以夏普、索尼、三洋电机、NTT数据、伊藤忠商事等5家公司为主，同时联合硬件制造商、软件开发商、出版社、报社等70家公司在日本成立了“3D联盟”，日本政
32、府和公司己经在寻求立体显示技术的产业化应用了。我国台湾地区的台湾光电研究院也研制成功一种基于微位相差板的裸眼立体显示器n718。裸眼立体显示是一门新兴的、有着广阔应用前景的学科，随着微电子、光学技术和液晶显示技术的发展，立体视觉技术将不断进步，逐渐实用化，在军事和民用上都有广泛应用前景。6第一章绪论由于国内研究条件的限制，开展裸眼式立体显示器的研究存在很多困难，到目前为止只搜到合肥工业大学仪器科学与光电工程学院已开始裸眼立体显示技术的立项研究，还没有其它的科研院所开展这项工作。与国际的研究形势比较起来，我国大陆地区的裸眼立体显示技术研究起步很晚，差距是很明显的。图111在医疗卫生领域的应用图1
33、12在建筑城市规划和地理信息系统中的应用图113在军事中的应用图114在现代工业中的应用7第一章绪论15立体显示技术的应用裸眼立体显示器在如下的领域具有独特的应用m：(I)数据可视化。科学研究中的数值计算结果需要以直观形象的方式表现出来，特别是三维图形图像，如蛋白质结构、DNA及其它高分子形态特征的分子建摸，立体显微镜及其显示，天气预报中的云图运动分析、风洞实验和数值模拟、空气动力学的流畅模拟，空中摄影测绘数据建模、财务模型及预测模拟、过程控制数值模拟，cAD忙AM设计工程中模型显示、远程机器人视觉显示。(2)医疗。在医疗卫生领域，立体显示技术给医生和专家直接显示测试实况和诊疗实况，在远程诊断
34、中可以获得比平面显示更多的视觉信息。在内窥镜及图像显示、眼科疾病诊断及测试、MRI,CAT成像，手术模拟和培训、手术现场成像，NASA虚拟临床计划等方面有重要的应用前景，图111。(3)建筑、城市规划和地理信息系统在建筑行业中，立体显示技术可以展示从设计、导览、景观美化、内部装修、人性因素等方面的信息，帮助设计专家和技术人员关注具体细节，在施工前即可完成全部景观的设计，图112。(4)影视娱乐。针对日常生活和娱乐方面，立体显示也将成为普遍使用的有广泛软硬件支持的重大应用领域。如计算机游戏、大型专门节目的游戏机，影院立体影视节目播放，家庭立体电视及立体视频vCD等。(5)军事。由于立体显示技术的
35、实景显示可以真实表现出实际观看的情况，在军事领域同样具有极其重要的应用。如飞行员、坦克驾驶员、潜艇驾驶员在仿真环境中的培训，立体摄影侦察、星际遥感遥测的成像分析，可以直接立体显示技术代替传统的潜望镜观测方式，图113。(6)商业、现代工业。3D视频会议，财务统计模型、过程控制及工作流程模型，对商品的演示、商业展览，在会议室接待厅的演示、3D网站设计，危险原料处理、小零件装配过程，工业视察等，图114。16本论文研究的主要内容由于裸眼立体显示技术的广泛应用前景，其理论价值和应用价值都是巨大的。我们开展这个方向的研究是在广泛调查和精心选题的情况下确定的，旨在追赶国际先进水平、填补国内研究的空白。本
36、论文以裸眼式立体显示技术的关键技术作为研究对象，研究的内容包括：(1)裸眼立体显示技术的机理研究；(2)裸眼立体显示器光学结构的设计研究；(3)立体图像对的合成变换方法研究；(4)裸眼立体显示器的效果评价方法研究8第一章绪论17论文的结构安排根据研究的主要内容，论文的章节结构作如下的安捧：第二章：立体视觉基础知识及相关理论裸眼立体显示技术基于人类的双眼“视差”，即人眼睛的功能决定了立体视觉的形成。立体显示技术是结合了人本身参与的系统，显示器件其实只是完成立体视觉的部分功能，而人眼的生理功能完成剩余的工作。所以在本章使用一定的篇幅来介绍人眼的立体视觉机制。立体显示器使用平板技术显示视觉图像，在课
37、题研究中我们选用了技术先进、性能优良的1rI丌“m，所以在这一章中也介绍了丌LCD的基础知识。第三章：裸眼立体显示器的光学原理及结构研究从裸眼立体显示器的共性特点出发，结合立体显示的几何模型，首先分析了基于柱透镜阵列使图像分离的几何关系，在此基础上，计算了光线分离的布局特征。在亚屏幕分区和视图分离物理特性研究的基础上，进一步计算了独立视区的位置，并绘制了独立视区的详细情况。在光学原理研究的结论指导下，初步研制出原理样机，提出的动态装配法完成立体液晶屏的精密装配，实验证实了立体显示的效果。第四章：立体对图像和视频变换技术研究本章的主要内容是研究裸眼立体显示器适用的视频图像格式及其变换方法，主要工
38、作如下：讨论了液晶像素与图像显示的关系：研究了两种立体图像格式与亚屏幕像素的映射关系，以图例方式形象地表达了这种转换过程；研究了立体格式转换成复合立体图像的软件方法，编写了静态立体对转换软件，以典型的立体对复合图像表示变换的效果，实验证实了设计方法的正确性。第五章：立体显示技术研究的总结与展望本章为论文的总结和展望部分对完成的主要研究内容进行简单的概括，提出论文中具有创新意义的理论和方法，并对研究中存在的不足和未来的发展方向进行了讨论18论文研究的意义传统的立体显示技术需要佩戴辅助工具(诸如偏振眼镜、互补色眼镜、液晶眼镜或者立体头盔之类的辅助工具)，将人眼完全占有，人的眼睛除了观看屏幕之外做其
39、他与屏幕无关的工作都十分不便。因此，佩带辅助工具的立体显示技术，尽管其立体显示效果较好，但在许多场合是不适用的。裸眼立体显示技术则无需佩带辅助工具，由于用户在观看裸眼立体显示器的时候眼睛受限制较小，是相对自由的，因此，可以同时进行除了观看显示器以外的其他工作，从而具有更大的灵活性和实用性。 鉴于主流裸眼立体显示原理相对简单、造价不高，在很多领域都可以运用，我国近年来也开始了对裸眼立体显示技术的研究，但还是处于起步阶段，鉴于裸眼立体显示技9第一章绪论术的广阔前景，研究我们自己的裸眼立体显示技术对满足国内的显示市场是非常必要的。由于裸眼立体显示器特殊的工作机理，目前提供给平面显示器的显示内容大多不
40、能用于立体显示器，必须利用软件对显示内容的进行重构或转换。所以拓展裸眼立体显示器的应用领域，必须首先解决显示内容的问题，论文所涉及立体图像对的合成变换方法研究与实现正是在这方面做一些有益的探索。这项工作的意义在于对通过u=D实现裸眼立体显示技术可行性进行了探讨，也为降低自由立体显示器的成本、拓展自由立体显示器的应用空间开辟了道路。10第二章立体视觉基础知识及相关理论第二章立体视觉基础知识及相关理论从第一章的立体显示技术类型可以知道，裸眼式的立体显示是以视差理论为基础，它基于这样一个基本的事实，即人眼睛的功能决定了立体视觉的形成，所以我们通常所说的立体显示器是结合了人本身参与的系统。显示器件只是
41、完成立体显示的一部分功能，而人眼的生理功能完成了余下的工作。课题研究的立体显示技术是建立在人眼的立体视觉功能基础上的，可以说没有人眼的立体视觉就没有立体显示。所以在本章首先使用一定的篇幅来介绍人眼立体视觉的一些基本概念，主要包括双眼视野、双眼视差、中央眼、深度线索等“。1f1丌LCD是技术成熟的新型平板显示技术“”，它的技术原理有别于CRT等传统的显示技术。课题研究的裸眼立体显示器使用了1rI可LeD作为图像显示器件，为了以后行文的方便，在本章中对液晶显示器的原理和结构也进行了简单的介绍。21双眼视野世界一切可见事物都是立体的或三维的，人在接受外界的形象信息时，几乎全部是由光作为载体进入双眼后
42、，由大脑的神经中枢进行处理，形成视觉影像。所有的动物在头部两侧都各有一只眼睛，这一结构对人来说尤其重要，因为人所需要的信息比其他动物有更多更高的要求，人类双眼基本上是为形成视觉信息的立体化而生成的。人类眼睛的视觉功能是多样而又统一的，具有光觉、形觉、色觉、体视觉和运动觉，这些功能都受中枢神经的自觉或不自觉的控制，图21是人的视觉器官眼睛的结构。图21眼球结构眼球中的晶状体是个成像透镜，外界的光线进入瞳孔后通过晶状体在视网膜上成像，视网膜相当于CCD，它产生的生物电信号由视神经输送到大脑，完成图像的转换和认知。当人眼向前平直注视时所能看到的空间范围称为视野，视野也就是整个视网膜1l第二章立体视觉
43、基础知识及相关理论对外界的感光范围。立体显示时图像信息也要满足在合理的视野范围内才能完成三维视觉。眼保持平直注视方向，此时所感受的视野成为绝对视野。在眼和头都保持不动的情况下，视野受到眼附近组织的影响，此条件下的视野称为相对视野，如图22。180。270图22左右眼球的相对视野270当双眼注视于一点，双眼所能看到的全部范围称为双眼视野(图23)。双眼视野区分成三个部分，中间部分为左右眼视野的重叠区，约为120。此区域因双眼视线均可到达，是两眼的共同视野，与三维空间辨认有密切的关系，也时称为立体视野。立体视野外侧是月牙形的单眼视野。单眼视野约为30。40。，每侧只有一只眼的视线可以到达，不能形成
44、立体视图对，因而不能产生立体视觉效果。22视差3图23双眼视野视觉的数据是由点、线、轮廓、阴影和线与线之问的位置关系组成的，这些数据到达眼睛后形成视网膜图像，人的两只眼睛与许多其他物种的眼睛有所不同，可以郦寸朝着同一方向观看，并可互相协调，使双眼见到的两个图像和谐一致。但是，双眼的中心仍有65ram左右的间隔，因此不能完全瞄准在一条直线上空间视觉是视觉的基本机能第一二章立体视觉基础知识及相关理论之一，它需要两只眼睛同时参与，协同完成。图24是单只眼睛无法体现空间视觉的例子。从不同方向(八B)来的光，落在视网膜的不同区域(ab)上，因此可以加以辨别：但是由于在同一方向上的所有各点(A1，A2，A
45、3)投射于视网膜的同一区域，则无法确定哪一点更远或哪一点近，因此视网膜点只能表明客体的方向不能表明它的距离。3图24眼球成像人在立体视觉中依靠很多客观条件和双眼内部条件来判断物体的空间位置，这些条件统称为深度线索。如一些外界的物理条件、单眼和双眼视觉的生理机制以及个体的经验因素，在空间知觉中都起到重要作用。人在知觉对象的空间关系时，并不完全意识到这些客观条件的作用，只是通过大脑的整合活动才能形成物体的空间关系的知觉。正常的人都是用双眼来辨认三维空间的物体的，在观看空阃某个对象时，人的双眼就从左右两边稍有差别的角度进行观察，因此被观察的物体在人的左右眼视网膜上所形成的像有存在略微的差异，这种差异
46、就是双眼视差。视差的产生是由于人的左右眼之间有一定的距离，成年人大约为65ram，这个距离使观察角度相对固定。视差的产生对立体视觉的形成起着非常重要的作用。b图25书脊成像 图26保龄球成像可以用简单的试验来证明视差的形成。把一本书放在眼睛正前方大约25厘米的地方，使书脊朝向人脸并向下倾斜45。角，这时左眼就能看到书的封底，而右眼能看到书的封面。当左右眼视网膜产生的影像同时传向视觉中枢时，人就能感到眼前的这本书有立体感(图25)。当把书逐渐离开观察者时，书上的每一点相对左右眼所形成的视角就逐渐减小，所形成的视差也就逐渐变小，到达一定距离时，视差消失。物体距离眼睛太远时，就不会产生有深度感的视觉
47、了。所以，物体越近，视差越明显，人眼就是由此获得深度信息的。一凸丌”。一第二章立体视觉基础知识及相关理论图26显示的是观看正前方保龄球时视差的产生。双眼的视野从稍有差别略显不同的角度覆盖了保龄球，左右眼看到的是不同的侧面，这两幅图像的同名点差异就是视差的大小。23立体视觉机制人借助视觉信息进行三维辨认时，需要感知各种信息作为线索，如物体的距离(视距)，物体之间的前后位置(视深)，视觉对象的方向等。空间辨认的精度主要取决于距离和方向的检测精度和稳定性，因此研究后一类线索以至立体视觉形成过程是很重要的。在只有单眼信息的情况下，作为感知距离和方向成分的线索虽然很多，但与人的正常立体视觉机制有关的只有
48、两个：调节和单眼运动视差。调节是为了使观察的物体在视网膜上成像，因此与该物体离眼睛的距离有关，它对于立体视觉过程的形成是不可缺少的。依靠调节来检测距离的能力与成像系统的焦深和调节的肌肉系统有关。焦深AD由下式决定：AD。LD (21)，式(21)中，为瞳孔直径，分辨率，D为屈光度。由此式可见，瞳孔直径越大，分辨率、屈光力越小，精度就越高。因此，若眼球大而视网膜细胞小精度也就高，满足这一条件的光学系统一定是望远系统，由单眼视所产生的单眼运动视差主要是由观察者移动身体以使空间物体的相互位置变化，从而判断物体间的前后位置。人是双眼的动物，双眼观察空间对于立体视觉的形成十分重要。观看物体时，在人的双眼
49、形成的像彼此略有差异。这一差异量(视差)与空间物体的位置有决定性的关系。双眼视觉通道加工和传递双眼上的视觉信息。双眼视觉是完成三维空间辨认的主体，单眼视觉只是其中的一个过程因为，在视皮层加工的最终结果，既不是左眼像，也不是右眼像。而是一个心理像。通过图像识别，以测定在双眼视觉的条件下单眼图像的识别能力，即使双眼视力很好的被试者也不能在双眼视物的条件下，确切地指出单眼图像的形态特征，如线段长度差别厶，厶；角度差别F”F，等。此时，双眼信息作为“噪声”完全掩盖了单眼的视觉图像。所以双眼视觉是视分析器得出的结果。双眼单视是高级脊椎动物和人类所独有的视觉特点，人的双眼相距约为65mm，几乎处于平行位置，两眼视野大部分重叠。而且，物体在两眼视网膜上单独成像。但是，这两个物像是同时产生的，大脑皮层能将这两个物像融合成一个物像，这就是双眼单视。双眼单视的条件是物像必须落在两眼视网膜的相对点上，皮层才能将其融合为与原来视网膜上的像一样的视觉像，形成单一的图像。如果物像落在两眼距中央凹不等的视网膜非相应点上，就
