裸眼3D技术.docx

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裸眼3D技术

第7章3D显示技术

7．1概述

当前电视技术领域内最引人瞩目的是3D立体显示，也是当前国际广播电视领域的热点研究课题。

随着3D显示开发出越来越多的应用，对3D显示技术的研究也逐渐系统化。

3D显示表现出良好的发展前景，但也应该看到3D显示在技术上还处于实验阶段。

7．1．1立体视觉机理

人感知立体信息的主要机理有双眼视差、辐辏、焦点调节、运动视差等。

1．双眼视差

双眼视差是形成立体视觉的重要因素，人类双眼大约相距65mm，左、右眼是从不同角度来观看物体的，物体在左、右眼视网膜上的图像并不相同，这种不同称为双眼视差。

图7—1是双眼视差示意图，当人眼注视距离为D处某个物体时，由于对视作用，所注视的对象，在左、右眼的中央凹处成像；如在D+AD处还有一个物体，它分别在左眼与右眼视网膜上不同位置成像。

两物点对左眼的转角为0，，对右眼的转角为如，双眼视差A0=0。

一0：

。

在视觉系统的信息处理中会把A0变换为反映纵深方向的位置信息，就可以检测出所观察物体的前后关系。

这种视差的检测能力具有与最小分辨能力同样的精度，即1—1．5’。

图7—1双眼视差示意图

2．辐辏

当用双眼观察物体时，为了使注视点在双眼的中央佃处形成像，双眼向内侧回转，眼球做旋转运动，这在生理学上称为辐辏。

辐辏时的眼部肌肉张力感觉便成为立体视觉信息。

两眼视线所形成的夹角o／称为辐辏角，如图7—2所示。

a随眼睛到对象物的距离而变，产生深度感觉。

利用Ot可检测的距离信息约为20m左右，因为距离远时，a随距离变化的变化量较小。

以上是利用双眼观察物体的信息构成的立体视觉。

I訇7—2两眼的辐辏角

3．焦点调节

人眼在观看距离不同的物体时，为了使物体能够在视网膜上成像，通过改变睫状肌的张弛程度来改变眼睛晶状体的曲率，从而使晶状体凸透镜的焦距产生变化，使固定的视网膜适应不同距离的注视目标，以便使被观看的远近不同的物体在视网膜上清晰成像，人眼的睫状肌张弛状态的变化称为焦点调节。

焦点调节是一种生理过程，由单眼生理调节因素单独起作用时，距离在5m内有效。

4．运动视差

当观看者运动或者被观看的对象运动时，由于视线方向的连续变化，单眼的视网膜成像也在不断地发生变化，借助时间顺序的比较便会形成立体视觉感受。

这种虽用单眼观看，但当对象运动较快时，利用观看者与对象的相对运动使空间物体的相对位置产生变化，从而判断出物体前后关系的效果接近于同时地从不同方向连续地观看物体，即与双眼观看物体相似，像双眼视差效应那样产生出深度感，称为单眼运动视差。

7．1．23D显示系统组成

图7—3是3D显示系统组成方框图，系统由三维内容获取、编码、传输、解码／合成和显示5部分组成。

其中，由内容获取子系统摄取三维场景，由编码子系统将获取的视频信号去除冗余信息后编码成便于传输的视频流，经网络传输后送入解码／合成器，按照显示端的要求重建视频信号后分别送至不同类型的显示器以显示双目立体图像、多视立体图像或二维平面图像。

图7—3中包含了两个不同类型的三维系统。

1．基于双目的3D电视（3DTV）系统

图7—3的最上端是传统的双目立体视频系统，其3D场景的获取是通过光轴中心相距65ram的相互平行的相同型号的摄像机得到。

左、右两路视频经立体视频编码压缩成视频流，其中的一路采用目前压缩效率最高的H．264编码，另一路利用两路视频之间的视（每一路视频简称为一个视）间相关性或运动与视间的联合预测编码，可使两路视频编码后的总比特率约是单路视频的1．25倍。

目前，双目立体视频编码已达到实时应用阶段。

视频流经传输后解码复原成两路视频，再在显示器中构成与人的双眼视觉对应的稍有不同的两幅图，最后由大脑合成有立体感的图像。

2．基于多视的3DTV系统一

图7—3下部的多视3DTV系统由Ⅳ个（N>3）摄像机阵列获取三维场景。

尽管Ⅳ个摄像机型号相同，但其内外参数难以完全一致，且Ⅳ个摄像机在空间的位置不同，各自的光照也略有差异，因此需进行摄像机几何参数校正和亮度／色度补偿等预处理，然后再将双目摄像机多视摄像阵列┏━┳━━━━━━┳━━━┳━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃┃’圈l┃┃H磊冲┃┣━╋━━━━━━┫┃┣━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┃┃┃I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一┃┃┃┃┃悃┃┃一I双目立体l┃┃┃┃┃┣━┫┃┃┃┃┃┃┃J视频解码广┃┃┃┃┃┃┃怪┃┃┃叫预处理卜┃坦j┃┃┃┃┃┃┃┃┣━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┃┃┃┗━┻━━━━━━┻━━━┻━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛编码解码／合成显示

图7—33D显不系统组成方框图多路视频信号经多视视频编码后压缩成视频流。

多视视频编码，随着视数Ⅳ的增加（目前用得较多的是N=8—16），对高效压缩的要求远比双目立体视频编码高，离实际的应用，尤其是实时应用尚有较大距离。

由于解码后重构的Ⅳ个视不一定适合某个观众在显示屏前所在位置的观看要求，且为提高显示质量，故解码后需通过选择合适的一些视经绘制合成成为符合需要的两个视。

多视3DTV系统的优点是，在显示屏前能看到立体效果的视角（简称立体视角）远比双目3IYrV系统的大，且便于应用人眼跟踪技术使人在屏前移动时所观看到的立体图像也随人的移动而变化，提高了真实感和临场感。

无论是双目的还是多视的三维系统都必须与二维视频系统兼容。

目前所有的家庭几乎都已有了播放二维视频图像的电视机，若开播双目或多视立体视频后，应使现有的遍及每个家庭的电视机也能接收到三维立体节目（尽管看到的仍是二维视频图像）。

为实现此种后向兼容，在图7—3中，无论是在立体视频还是多视视频的编码中，基本视（双目视频或多视视频中作为参考视的1个视）应沿用二维视频的编码标准（如H．264），这样就可以由图7—3中标准的二维视频解码器重建双目或多视视频中的基本视，提供给标准的二维视频显示器。

7．1．33D显示分类．

由于双眼感知的立体视觉比单眼感知的立体视觉有立体分辨率精度高、立体感强等特点。

目前立体显示器都是依据双眼感知立体信息机理来获得立体视觉。

目前普及的立体显示器需要佩戴特定的眼镜才能进行观看，虽然可以获得立体视觉，但是佩戴眼镜阻碍了人的自然视觉感受。

近年来，无辅助工具观看的裸眼技术三维立体显示器取得多元化发展。

在军事、医疗、数据可视化、工程、娱乐、虚拟商务贸易、教育、广告媒体等方面有很好的应用前景。

与二维显示器相比，3D显示器能显示深度信息，用户能更全面地认识事物的外形和运动状态，用户能够获得身临其境的感受。

1．3D显示在军事领域中的应用

3D显示技术最早应用在军事领域。

早在20世纪90年代，美国军方就开展自由立体显示技术的研究，并最早应用于军事装备中。

根据美国国家航空航天局（NationalAero—nauticsandSpaceAdministration，NASA）朗雷（LangLey）研究中心飞行管理部的报告显示：

立体显示器可以大大提高飞行员对本机和敌机空间位置的判断能力，使飞行员的应急反应速度提高将近一倍。

因此，3D显示技术可以应用在国防军事飞行模拟、军事演习方面，也可以应用在武器操控、宇航探测、太空训练等方面。

美国的DTI（DimensionTechnologiesInc．）公司与荷兰的飞利浦（Philips）公司率先生产出自由立体显示器，并很快成为市场上的主流立体显示产品。

其中，DTI在军事领域的研究尤为出色：

1993年，DTI为美国Wright—Patterson空军基地设计并制造了主要用于飞行员模拟训练的驾驶舱自由立体显示器；1994年，为NASA设计并制造了全动态全息3D显示器；1995年，DTI立体显示器被用于遥控机器人设备，这些设备是用于处理辐射性废料、深层采掘等危险领域；1998年，NASA将DTI公司的2018XL型18英寸3D显示器采纳为虚拟诊断系统的显示设备；1999年—2000年，DTI赢得了为美国海军开发高清晰度自由立体投影系统的合同，主要用于模拟飞行。

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2．3D显示在医疗领域中的应用

3D显示技术可以被广泛地应用在医学领域中，如内窥镜图像显示，体内成像．体内造影，外科手术模拟及训练，蛋白质、DNA及分子模型的显示，立体显微镜，器官模拟成像和医学教学等。

众所周知，眼科手术显微镜以及其他各种类型的显微镜等，本质上都是采用体视显微镜作为辅助。

由于平面显示器显示的对象没有纵深感，使得医生对病变体的形状不能很好地把握，因此迫切需要立体显示的技术，其应用在医疗领域，作为诊断设备必将使诊断结果具有更高的精度，以及作为现场教学设备必将使教学更直观。

3．3D显示在建筑设计领域中的应用

建筑设计师们往往需要在设计出作品的平面图形后再制作模型，以确定设计的准确性。

将3D显示技术应用到建筑设计领域后，设计师在做城市规划、楼板展示、景观美化、内部装修时，可以直接在3D显示器上展示他们的作品，而不必花费时间制造昂贵的模型，这样大大降低了设计成本。

4．3D显示在广告媒体领域中的应用

尽管人们对客观世界的感觉方式有多种，但通过视觉所获得的信息量远远超过了通过其他方式所能获取的信息量，因此，如何将丰富、真实、有效的产品信息通过视觉方式快速传递给广大观众，一直是传媒行业关注的热点问题。

传统的平面显示系统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，因而是不完整的，无法带给观众更加深刻的印象。

市场的需求决定了需要一种能提供符合立体视觉感受的媒介，近代电子及液晶技术的逐渐发展成熟则为立体显示技术提供了理论及技术支撑。

利用3D显示技术，将其用于广告及景硐展示，包括广告媒体网络、新产品发布会、展览展示等，将需要展示的内容真实、直观、清晰、自由地展现在观众面前，逼真的立体效果可以大大加深观众对展示内容的印象。

5．3D显示在教育文化领域中的应用

立体显示技术可用于抽象概念模拟，动画制作强化等。

其在教学中应用可用于提高学习效率。

例如在帮助学生理解空间概念和物理现象等原理时，利用立体图像要比利用二维图像的认知程度高，理解程度深。

以外，利用自由立体显示系统，就能让很多人很方便通过立体显示器看到具有立体感的艺术品，而不用将这些艺术品展出，这样不仅节省了展出艺术品的高昂管理费用，也使某些贵重艺术品得到安全保障。

7．2眼镜式3D显示

眼镜式3D主要应用在家用消费领域。

眼镜式3D有色差式、主动快门式和偏光式三种主要的类型，也称为色分法、时分法和光分法。

7．2．1色差式3D技术

1．基本原理

色差式（anaglyph）3D使用两种互补色滤色片组成的眼镜，可以是红一蓝、红一绿或红一青滤色3D眼镜，以红、蓝滤色眼镜为例，内容获取端用两部镜头前端加装红、蓝滤光镜的摄像机去拍摄同一场景图像，得到一路红图像信号和一路蓝图像信号，再把两路信号叠加成一路信号送到接收端显示器显示红蓝图像。

立体眼镜的左、右眼镜片分别是红色或蓝色滤光片，它使得戴红色滤光片的左眼只能看到红色图像，戴蓝色滤光片的右眼只能看到蓝色图像，经大脑融合形成立体视觉。

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看电视图像，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．ColorCode3D

丹麦ColorCode3D公司的产品ColorCode3D的原理是：

人眼的水晶体相当于一块单片凸透镜，其对于蓝光的焦距总要比对于红光和绿光的焦距短一些。

这种现象通常称为色差。

ColorCode系统与这种现象相适应，主要利用红色和绿色影像来抓住景物的细节。

采用ColorCode3D时，左眼看到一个含有景物细部的红、绿图像，右眼看到从合成影像中分离出带有深度信息线索的蓝色图像（由于右眼几乎看不到红、绿图像，因而可使蓝色图像对焦更精确）。

从本质上看，色彩信息通过琥珀色（红+绿）滤光片传递，而视差信息则通过蓝色滤光片传递。

当不戴任何滤光片，用裸眼观看ColorCode3D影像时，所看到的影像实质上与普通彩色影像相近，只是其反差略高，并且在远方及边缘明显的物体周边有模糊的金色及青色水平晕边出现。

一戴上ColorCode眼镜则晕边自然消失，色彩平衡重新建立，所见影像立即变为彩色3D影像。

．符合ColorCode3D技术要求的节目可以用多种方法获得：

可以用专用摄像装置拍摄；可以用普通摄像机拍摄后再进行处理；也可以把已有的左、右视图像数字化后再进行Col—orCode编码处理。

图7—5是专用摄像装置拍摄示意图。

图7—6是ColorCode编码处理流程。

现象，采用具有相反旋转方向的圆偏振光。

将所有的像素分成奇数行及偶数行，奇数行显示左视图像，偶数行显示右视图像（行交替），这样垂直分辨力减半；在显示器外奇数行位置涂左旋圆偏振膜，偶数行位置涂右旋圆偏振膜；观看者戴左眼左旋圆偏振右眼右旋圆偏振的眼镜。

索尼LMD4251型3D监视器也采用圆偏振光和左、右视图像行交替的格式。

LGDisplay公司的不闪式（FPR，Film—typePatternedRetarder，图案隔离膜）技术也是采用偏振式3D技术。

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2．3D格式

普及眼镜式立体显示关键在于不改变现有的广播电视基础设施，快门式显示采用时间多路复用的方法传送左、右视图像，常用场交替和帧交替格式；偏光式显示采用空间多路复用的方法传送左、右视图像，常用的有左右并排（SidebySide，SbS）、上下相叠（TopandBottom，TaB）、行交替（LineByLine，LineInterleaved）、列交替（VerticalTripe）和棋盘格（CheckerBoard，Quincunx）等格式。

图7—7是常用3D格式示意图。

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（e）（f）（g）

图7—7常用3D格式示意图

（a）左视图像；（b）右视图像；（c）左右并排格式；（d）上下相叠格式；（e）行交替格式；（f）列交替格式；（g）棋盘格格式

7．3裸眼3D显示

裸眼3D显示也称为自动立体显示（Autostereoscopic），不使用眼镜，主要用于商务场合和笔记本电脑、手机等便携设备。

裸眼3D主要有视差照明、视差障栅和柱面透镜三种技术。

7．3．1视差照明技术

视差照明（ParallaxIllumination）技术也称为线光源照明法，是在立体显示器LCD的像素层后使用一系列并排的线状光源给像素提供背光照明，线光源宽度极小且与显示器的像素列平行。

背光照明使整个显示器的奇数列像素和偶数列像素传播路径分离，在可视区内保证观察者左眼接收到奇数列像素组成的图像，右眼接收到偶数列像素观察的图像。

图7—8是线光源照明法的示意图，H为照明层和像素层的距离，P为显示器像素间距，L为显示器到人眼距离，E为瞳孔距离，即65innl；p为视场分离角。

线光源、相邻2列像素和眼睛的位置构成了两个相似三角形，各参数有如下关系：

PH、E

—E2—H+—L，妒叫眦诅n玎丽图7—8线光源照明法示意图右眼

LCD显示屏像素间距P为一常数，可通过改变线光源间距、像素与线光源偏移量和L、H等参数调节立体效果，经验值一般取H=4P～lOP。

根据此方法立体显示原理可知，左视图像显示在显示器的奇数列像素，右视图像显示在显示器的偶数列像素。

因此，立体片源制作过程如图7—9所示：

先将左视图像和右视图像分别下转换处理，然后进行重新排列组合。

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视差照明技术是美国DTI（DimensionTechnologiesInc）公司的专利，它是自动立体显示技术中研究得最早的一种技术。

DTI公司从80年代中期进行视差照明立体显示技术的研究，1997年推出了第一款实用化的立体液晶显示器。

视差照明亮线的形成，即特制背光板的设计和加工是实现DTI的视差照明技术的关键。

到2002年为止，DTI的视差照明技术有以下实现方法：

运用多光源，再用透镜聚焦形成很细的亮线；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；运用微加工技术制作旋光性不同的狭缝实现很细的亮线；运用液晶光阀的旋光性和偏振片配合形成很细的亮线。

具有实现2D／3D显示模式转换的功能也是DTI视差照明技术的特点。

其中主要的实现方法有：

光源用导轨或铰链连接，通过光源位置的改变使光线进入不同的介质；背光板位置的改变使透镜会聚光或不会聚光；漫反射板在施加电压时呈漫射状态，而在无电压时是透明的。

这些方法中的一些只能实现整个显示面积的2D／3D转换，而另一些方法可以实现部分2D／3D的转换，即显示面积的任意部分用二维显示模式而其它部分是三维显示模式。

根据观看者位置的不同，显示不同视角的高分辨率图像，也是DTI显示技术的发展方向。

实现这项功能的方法有超声波定位、红外定位等。

此外，DTI技术中提到了使用多套亮线与液晶屏的显示配合，利用人眼的视觉暂留原理实现全分辨率显示和多视区显示。

这种方法要求液晶屏有很高的刷新频率和更加复杂的电路控制。

原理简单、视差显示效果不错、幻像少是DTI的视差照明技术的优点。

但要想用这项技术实现多个观察者同时观看、多维和移动视差效果存在技术难点。

DTI的视差照明技术作为当前最成熟的自动立体显示技术，已经很难在技术原理方面有所突破，关键的、能有所创新的是它的实现方法。

随着加工技术和材料技