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一文读懂双眼立体显示技术——眼见也不一定为实(一)

2019-08-14
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在人获得的外界信息中,视觉信息占80%以上。长期以来,表达可视信息的图片、视频等都是二维的。然而,现实世界是三维的,二维图像在采集和显示的过种中丢掉了实际事物大量、重要的第三维信息。这些二维图像无法满足人类大脑信息处理的习惯,人脑更需要获取与现实事物完全一致的“全部信息”,即三维信息。



自古以来,人们就一直存在对三维成像技术的追求。15世纪初的欧洲的文艺复兴时期,意大利建筑师Bruneselleschi对“绘画透视”进行了首次论证。达芬奇(Leonardo da Vinci)也曾在他的著作“Trattato della Pittura”中引用了“透视框”的概念作为他研究远景透视的依据。如艺术家需要将一张画纸夹在玻璃板上,再通过一个目镜观察画纸上场景的投影画面,然后在画纸上描绘下场景的轮廓,就可以得到一幅具有真实透视的草图。


绘画透视和雕塑艺术研究和实践表明: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。


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。


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。


人类的双眼是横向并排,之间大约有6~7厘米的间隔,因此左眼所看到的影像与右眼所看到的影像会有些微的差异,这个差异被称为“视差”,大脑会解读双眼的视差并藉以判断物体远近与产生立体视觉。这意味着假如你看着一个物体,两只眼睛是从左右两个视点分别观看的。左眼将看到物体的左侧,而右眼则会看到她的中间或右侧。当两眼看到的物体在视网膜上成像时,左右两面的印象合起来,就会得到最后的立体感觉。而这种获得立体感的效应就是“视觉位移”。



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,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,右眼也一样。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。

3D显示技术的总体分类


分色技术


分色技术的基本原理就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。



分光技术


常见的光源都会随机发出自然光和偏振光,分光技术就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。



分时技术


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。




光栅技术


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。



视差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进行定位。

四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。

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,而且在显示彩色画面时,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,所以存在和分光技术一样的问题;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。至于另外两种技术,分色技术存在很大的问题,因为双眼在观看时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。分时技术必须配合阴极射线管(CRT - Cathode Ray Tube)这类低响应时间的显示器才能使用,而CRT的一个显著特点是瞬间发光,必须以非常高的频率重复扫描,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对视力造成损害,刷新频应达到85赫兹。虽然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。但是显示器的性能有限,很多显示器即使在最低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,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。

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本文转载自:传感器技术(作者:毛富利

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