【導(dǎo)讀】的關(guān)鍵技術(shù)，本文就此展開了深入、廣泛的研究。視，而且國外的一些機(jī)構(gòu)在這方面的研究也已經(jīng)取得了一些很重要的成果。技術(shù)是視景仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文先介紹了視景仿真技術(shù)的一些知識(shí)，然后又介。行選擇，從而實(shí)現(xiàn)了視景仿真技術(shù)中的立體顯示。

　　

【正文】 其它黑白廣告。它的缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生黑白圖像；會(huì)很快使眼睛疲勞；產(chǎn)生較暗的圖像；濾波器是暗的，因而當(dāng)觀察者不看人工三維場景后，不能用來 觀察周圍環(huán)境 :要求特別新的 TV產(chǎn)品設(shè)備和轉(zhuǎn)換硬件；垂直偏差使眼睛不舒適、疲勞和頭痛。 偏振編碼使用光的兩種偏振狀態(tài)來分別編碼左右圖像以產(chǎn)生三維感覺。并行偏振編碼技術(shù)可用來產(chǎn)生三維計(jì)算機(jī)顯示，但是這種方法通常要求兩個(gè) CRT顯示XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 21 器，通常有亮度損失。 串行類 這類技術(shù)又包括機(jī)械光閘和電氣光閘兩類。機(jī)械光閘的工作原理是 :所有光閘通過行頻與投影到屏幕上的圖像同步。當(dāng)左眼要看左邊的投影圖像時(shí)。左邊光閘打開而右邊光閘關(guān)閉，同時(shí)右眼通過打開的右邊光閘看右邊的投影圖像而左光閘關(guān)閉，立體效果就得到了。后來，這種技術(shù)很快就被 相對沒有那么復(fù)雜的紅 /綠立體彩色影片法所取代了。紅 /綠濾波眼鏡方法沒有機(jī)械光閘那么復(fù)雜和昂貴，但可以達(dá)到同樣的效果。電氣光閘僅用一個(gè) CRT，是對并行偏振編碼技術(shù)中要求兩個(gè) CRT顯示器的巨大改進(jìn)。 在前面所有的三維方法中，三維串行場方法被認(rèn)為是最好的方法，它能夠產(chǎn)生很好的三維立體圖像，是計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用中最成功的，它的安裝基礎(chǔ)正在不斷擴(kuò)大。但是它也有局限性 :不能用于硬拷貝技術(shù)中 :由于熒光粉的余暉導(dǎo)致左右圖像間的相互干擾所造成的重影嚴(yán)重影響了二維圖像質(zhì)量。除非使用特殊的 CRT熒光粉，但是這樣會(huì)使系統(tǒng)的費(fèi)用大大增加 :沒有大筆的投資，串行場方法不能適用于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)圖片結(jié)構(gòu) 。為避免閃爍，使幀速加倍則致使不能使用 LCD顯示器 :光閘眼鏡的維護(hù)，如換電池等，很不方便。 多模式立體成像技術(shù) (MRSI) uPol(微偏振器陣列 )技術(shù)是自從照相發(fā)明以來在立體成像中取得的最重大的突破。把它稱作“多模式”是因?yàn)樗腥N用戶可以使用的模式 :： (1)沒有眼鏡的自動(dòng)立體顯示模式； (2)雙目立體顯示模式； (3) 2D/3D 模式，允許用戶從2D 切換到 3D， MMSI 的最主要的特征是，它是唯一通用和可適于最廣泛應(yīng)用的三維技術(shù)。上面提到的 每一種其他己知的技術(shù)都有不同范圍的應(yīng)用和技術(shù)缺陷。MMSI 類的主要特征是：從自動(dòng)立體顯示 (沒有眼鏡 )到雙目立體顯示模式 (戴眼鏡 )的可切換性；有最廣泛的應(yīng)用和市場范圍；消除了先前技術(shù)的大多數(shù)缺陷；唯一沒有具體視錐限制而能產(chǎn)生三維彩色計(jì)算機(jī)硬拷貝輸出的技術(shù)；簡單，成本低；與 LCD 設(shè)備兼容；通用性強(qiáng)。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 22 立體顯示軟件算法 上面幾節(jié)介紹了立體顯示的各種硬件實(shí)現(xiàn)方法，下面將介紹它的軟件實(shí)現(xiàn)方法。主要介紹計(jì)算立體片對的左 /右眼視景的幾種算法。以下的算法都是相對于右手笛卡爾坐標(biāo)系提出的，其投影面位于離原點(diǎn)距離為 d處，井平行于 xy平面。所有的分析和結(jié)果都根據(jù)獨(dú)立于設(shè)備的屏幕坐標(biāo)系提出，其屏幕坐標(biāo)系是原點(diǎn)在屏幕中心的正方形顯示屏幕。它是從原點(diǎn)到屏幕的頂部、底部、左邊和右邊的單位長度。為把我們的結(jié)果用于特殊的 CRT屏幕，用戶應(yīng)將設(shè)備坐標(biāo)乘以一個(gè)比例因子 (有些軟件本身就提供這種坐標(biāo)系統(tǒng)，如 OpenGVS)。對投影，我們假設(shè)投影中心位于 xy平面 (z=0)，投影平面位于離原點(diǎn) d處并平行于 xy平面。所有計(jì)算均在右手坐標(biāo)系里進(jìn)行。 . 1 帶透視投影的旋轉(zhuǎn)法 它的原理是 :假設(shè)觀察者的兩眼聚集于三維場景中的一特定點(diǎn)。如圖 (a)所示，顯示了一矩形盒子的頂視景 (粗黑線標(biāo)出了盒子的前面 )。眼球向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而且視線以角度 Φ交于點(diǎn) P。為產(chǎn)生兩幅場景，我們把場景繞 P從右到左旋轉(zhuǎn) Φ/2為左眼視景，而繞 P從左到右旋轉(zhuǎn) Φ /2為右眼視景，如圖 (b)所示。 下面我們簡單計(jì)算一下左眼和右眼投影方程。我們將旋轉(zhuǎn)法建模如下 :右手坐標(biāo)系的投影中心在 (0,0, 0 )處，視平面平行于 xy平面并位于沿 z軸離透視投影中心d處。這里假設(shè)獨(dú)立于設(shè)備的屏幕坐標(biāo)的范圍是 1≤ x≤ 1和 1≤ y≤ (0,0, R ) 垂直于 y軸方向旋轉(zhuǎn) Φ/2來產(chǎn)生右眼視景，和繞點(diǎn) (0,0,R)垂直于 y軸方向旋轉(zhuǎn) Φ/2來產(chǎn)生左眼視景，如圖 。點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)分別XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 23 是 : (3_3) (3_4) 透視變換后可得 : (3_5) (3_6) (3_7) (3_8) 其中 ， 是點(diǎn) 相對于右眼的坐標(biāo)， 是點(diǎn) 相對于左眼的坐標(biāo)。 旋轉(zhuǎn)透視投影法導(dǎo)致左右眼的透視投影視景間產(chǎn)生垂直視差。這個(gè)垂直視差，將上面的式子帶入，可得 (3_9) 從這個(gè)表達(dá)式的分子我們可以看到， 或 等于零時(shí)，垂直視差等于零。而且， v是 的增函數(shù)和 的減函數(shù)。由此可以得到，在立體窗口附近 (Z=R )的點(diǎn)的垂直 視差最大。在 CRT屏幕的角上垂直視差最大，趨于屏幕中心時(shí)逐漸減小， Φ值越小，最大垂直視差值越小。且水平視差也隨之減小，這樣立體深度感就產(chǎn)生了。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 24 平行投影法 平行投影旋轉(zhuǎn)法 平行投影旋轉(zhuǎn)法是對旋轉(zhuǎn)透視投影法的改進(jìn)。其原理是 :用沿 z軸到投影平面的平行投影 (正交投影 )取代透視投影。其目的是平行投影沒有除法操作，這樣可以使計(jì)算速度加快。 如圖 所示， 點(diǎn) 的左眼和右眼投影為： () () 由于 ，因此沒有垂直視差。水平視差變?yōu)?: 令 H= 0， 此時(shí) =R，因此立體窗口位于 z=R處，即旋轉(zhuǎn)中心處。當(dāng) R時(shí)，有正的水平視差，而當(dāng) R時(shí)有負(fù)的水平視差。合適的觀察距離是 R與設(shè)備坐標(biāo)成比例。 由于視差隨無界的 z變化，因此 z坐標(biāo)應(yīng)被限制在一定范圍內(nèi)以使止視差和負(fù)視差不會(huì)超過眼間距。如果左眼和右眼視景中的相應(yīng)點(diǎn)超過了這個(gè)距離，觀察者被迫用左眼看左邊的視景，右眼看右邊的視景，導(dǎo)致觀察者必須眼睛間有隔板才能觀看。在圖像中缺少透視可能導(dǎo)致逆透視效果，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)當(dāng)物體遠(yuǎn)離觀察者時(shí)反而變大 . XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 25 平行投影剪切法 其原理是 :由于一般所用旋轉(zhuǎn)角度很小 ，通常為 ，因此, ≈ 1，將它們代入到平行投影旋轉(zhuǎn)法中的左右眼方程可得到旋轉(zhuǎn)法的近似值。這時(shí)，點(diǎn) 的左眼和右眼透視為 : (3_12) (3_13) 這種方法可被看作是 z剪切和 x坐標(biāo)平移。由于每個(gè) x坐標(biāo)平移相同的量，即都是 R(Φ/2)。通過把整個(gè)右眼視景移到右邊和把左眼視景移到左邊，就可完成這個(gè)操作了 .這樣把一點(diǎn)的左眼和右眼的透視簡化為 X坐標(biāo)的 z剪切 : ， (3_14) ， (3_15) 平行投影剪切法象平行投影法一樣，具有邊界視差和逆透視。然而，平行投影剪切法具有兩大優(yōu)點(diǎn) :一是它要求更少的運(yùn)算 :另一個(gè)是剪切運(yùn)算能夠正確地操縱 z剪切面。當(dāng)用旋轉(zhuǎn)法時(shí)，圖像的一部分被剪切給同一只眼的景象，而不是給另一只眼。在用剪切法時(shí) .每幅視景的 z坐標(biāo)不變。 平行投影小結(jié) 當(dāng)用平行投影時(shí)，旋轉(zhuǎn)和剪切法都沒有垂直視差和圖像扭曲。兩種方法都有無界的水平視差，這會(huì)給人一種逆透視感，特別在多觀察者立體圖像中尤為明顯。剪切法比旋轉(zhuǎn)法計(jì)算量小，更有優(yōu)點(diǎn)。 雙中心投影法 雙中心投影法在左、右眼間產(chǎn)生雙目視差的原理是 ： 給到視平面的透視投影選兩個(gè)中心 — 一個(gè)中心給右眼視景 (用 RCoP表示，投影右中心 )和一個(gè)中心給左眼視景 (用 LCoP表示，投影左中心 )， RCop和 LCoP在 x軸方向相差距離 e。如圖3. 14所示， 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 26 與前面的推導(dǎo)假設(shè)一樣，假設(shè)獨(dú)立于設(shè)備的屏幕坐標(biāo)的范圍是 1≤ x≤ 1和 1≤ y≤ 1，投影平面平行于 xy平面，并且位于沿 z坐標(biāo)軸的 d處， LCoP位于點(diǎn) (e/2,0, 0) , RCoP位于點(diǎn) (e/2,0, 0) 處。則，由此可得點(diǎn) (xo, yo,zo)和 LCoP的投影線的參數(shù)方程 : (316) 若視平面 z=d，則 。將 t值代入 x和 Y的參數(shù)方程可得投影點(diǎn)在立體窗口中的坐標(biāo) : ( 3 17 ) 類似地，點(diǎn) (xo,yo,zo)和 RCoP的直線在立體窗口中產(chǎn)生的投影點(diǎn)的坐標(biāo)是 : ( 3 18 ) 通過上面的左右眼景象方程可以看出這種方法不會(huì)產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)透視投影法中遇到的任何問題。它也同樣沒有垂直視差，這是因?yàn)?。水平視差。 當(dāng) 時(shí) ， ，這時(shí) H0且其極限值為 e，這樣避免了產(chǎn)生水 平視差無界的現(xiàn)象。當(dāng) 時(shí)， ，這時(shí) H0，水平視差為負(fù)。因此當(dāng) 時(shí)， ，這時(shí) H=0，立體窗口是平面，并且與視平面窗口重合。 下面討論 e的取值。只有投影到 CRT屏幕上的 e足夠小時(shí)，左眼和右眼視景才能融合成一幅 3D圖像。當(dāng)繪制圖像時(shí)，設(shè)備獨(dú)立的視平面窗口人小應(yīng)適應(yīng) CRT屏幕，所有點(diǎn)必須以水平視差 ，并與屏幕的相對寬度成比例而投影到實(shí)際的觀察屏幕上。例如，在 10英寸屏幕上的左右景象將比在 20英寸屏幕上繪制的同樣景象在絕對測量上更靠近些。要對一般觀察者能融合成圖像的相對視差，建議 e= XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 27 總結(jié) 本節(jié)分析了在 CRT上計(jì)算顯示立體對的左眼和右眼視景的各種算法。旋轉(zhuǎn)透視投影法導(dǎo)致左右透視視景的垂直視差。由于它產(chǎn)生一個(gè)中心大約在 (0} 0. R/2)和半徑為 R/2的半圓柱立體窗口，因而，在這個(gè)半圓柱立體窗口被映射到 CRT的“平面”窗口上時(shí)，深度關(guān)系發(fā)生扭曲，這種扭曲在 CRT顯示器上是不可接受的，這也就注定這種算法不能用于 CRT顯示上。 平行投影法中，無論是旋轉(zhuǎn)法還是剪切法都消除了垂直視差和圖像扭曲現(xiàn)象，但是產(chǎn)生了無界的水平視差，但是由于缺少透視會(huì)給觀察者一種逆透視的感覺。其中剪切計(jì)算比較有效。 利用兩個(gè) 投影中心計(jì)算立體景象不會(huì)產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)法中產(chǎn)生的那些現(xiàn)象。它沒有垂直視差，立體窗口是共面的，不會(huì)發(fā)生扭曲，而且最大正水平視差是有界的。此外，利用變換，這種方法也可用一個(gè)固定中心的投影得到，利用硬件平移、投影或移動(dòng)鏡頭都能夠?qū)崿F(xiàn)。 基于 PC 機(jī)的兩個(gè)立體顯示系統(tǒng) 目前，用來將左、右眼影像表現(xiàn)在屏幕上的硬件格式有四種 :交錯(cuò)式(Interlacing)、畫面交換 (Page Flipping)、同步倍頻 (Sync Doubling)、線遮蔽 (line blanking)，理論上以上四種格式都可以應(yīng)用在場景的 3D立體顯示，但實(shí)際上僅有畫面交換與同步倍頻被廣泛應(yīng)用。 畫面交換 (PageF lipping):畫面交換系由一特殊程序改變顯示卡工作原理，使新的工作原理可以用來表現(xiàn)立體 3D圖像，因?yàn)槊恳伙@示卜芯片有其自己獨(dú)特的 1:作原理，所以若要使用畫面交換，那么必須針對各個(gè)顯示芯片發(fā)展獨(dú)特的立體驅(qū)動(dòng)程序以驅(qū)動(dòng) 3D硬件線路，因此畫面交換僅限于某些特定顯示卡芯片 (以目前而言，多用于 nVidia VGA chip). 同步倍頻 (SyncDoubling):同步倍頻與畫面交換不同，它是用硬件線路而非軟件去產(chǎn)生立體訊號(hào)，所以無需 任何驅(qū)動(dòng)程序來驅(qū)動(dòng) 3D硬件線路，因此任一 3D加速顯示卡芯片皆可支持。如果要讓 3D顯示卡提供立體顯示，則必須有兩方面的技術(shù) — 立體驅(qū)動(dòng)和 3D液晶快門。其中，立體驅(qū)動(dòng)為顯示驅(qū)動(dòng)部份，能將 Direct 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 28 3D(或 OpenGL)相容的應(yīng)用軟件，由平面顯示即時(shí)轉(zhuǎn)化為立體顯示，從表面上我們所看到的現(xiàn)象，就是普通顯示變成了雙影顯示，這樣雙影顯示就包含了左右眼各自的圖像顯示與顯示器上 。3D液晶快門則是一種高速的電子液晶快門，可根據(jù)顯示立體驅(qū)動(dòng)發(fā)出的信號(hào)同步調(diào)整開關(guān)，達(dá)到分離顯示器上顯示的左右眼圖像，即時(shí)的送給左右眼睛，這樣， 我們所看到的顯示器的雙影顯示就會(huì)變成立體顯示。當(dāng)然，這雙影圖像必須在一定的角度上有偏差，而角度通過預(yù)設(shè)值來調(diào)整。 目前，頭盔和立體眼鏡是 PC機(jī)環(huán)境下常用的立體顯示硬件設(shè)備。下面就分別介紹一下兩種設(shè)備。 基于頭盔的立體顯示系統(tǒng) 頭盔顯示器 (HelmetMounted Displays,HMD)由 1968年哈佛大學(xué)的 Ivan Sutherland首先提出 ,并設(shè)計(jì)出應(yīng)用 CRT的名為達(dá)摩克里斯之劍的頭盔顯示器。經(jīng)過 30年的發(fā)展 ,頭盔顯示器取得了巨大的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn) 實(shí)（ VR）、袖珍計(jì)算機(jī)、可視移動(dòng)電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊(duì)的裝備中的逐漸普及 ,使得頭盔顯示器在這些領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。 無論是要求在現(xiàn)實(shí)世界的視場上同時(shí)看到需要的數(shù)據(jù)，還是要體驗(yàn)視覺圖像變化時(shí)全身心投入的臨場感，模擬訓(xùn)練、 3D游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)