【正文】 特別是在微型液晶顯示器、虛擬現(xiàn) 實（ VR）、袖珍計算機、可視移動電話以及現(xiàn)代數(shù)字化部隊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。 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)計出應(yīng)用 CRT的名為達摩克里斯之劍的頭盔顯示器。 目前，頭盔和立體眼鏡是 PC機環(huán)境下常用的立體顯示硬件設(shè)備。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)動發(fā)出的信號同步調(diào)整開關(guān)，達到分離顯示器上顯示的左右眼圖像，即時的送給左右眼睛，這樣， 我們所看到的顯示器的雙影顯示就會變成立體顯示。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)動和 3D液晶快門。 基于 PC 機的兩個立體顯示系統(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，但實際上僅有畫面交換與同步倍頻被廣泛應(yīng)用。它沒有垂直視差，立體窗口是共面的，不會發(fā)生扭曲，而且最大正水平視差是有界的。其中剪切計算比較有效。由于它產(chǎn)生一個中心大約在 (0} 0. R/2)和半徑為 R/2的半圓柱立體窗口，因而，在這個半圓柱立體窗口被映射到 CRT的“平面”窗口上時，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。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上計算顯示立體對的左眼和右眼視景的各種算法。當(dāng)繪制圖像時，設(shè)備獨立的視平面窗口人小應(yīng)適應(yīng) CRT屏幕，所有點必須以水平視差 ，并與屏幕的相對寬度成比例而投影到實際的觀察屏幕上。 下面討論 e的取值。當(dāng) 時， ，這時 H0，水平視差為負(fù)。水平視差。將 t值代入 x和 Y的參數(shù)方程可得投影點在立體窗口中的坐標(biāo) : ( 3 17 ) 類似地，點 (xo,yo,zo)和 RCoP的直線在立體窗口中產(chǎn)生的投影點的坐標(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產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)透視投影法中遇到的任何問題。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 (e/2,0, 0) , RCoP位于點 (e/2,0, 0) 處。剪切法比旋轉(zhuǎn)法計算量小，更有優(yōu)點。 平行投影小結(jié) 當(dāng)用平行投影時，旋轉(zhuǎn)和剪切法都沒有垂直視差和圖像扭曲。當(dāng)用旋轉(zhuǎn)法時，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。通過把整個右眼視景移到右邊和把左眼視景移到左邊，就可完成這個操作了 .這樣把一點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。這時，點 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。如果左眼和右眼視景中的相應(yīng)點超過了這個距離，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。合適的觀察距離是 R與設(shè)備坐標(biāo)成比例。水平視差變?yōu)?: 令 H= 0， 此時 =R，因此立體窗口位于 z=R處，即旋轉(zhuǎn)中心處。其目的是平行投影沒有除法操作，這樣可以使計算速度加快。 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。在 CRT屏幕的角上垂直視差最大，趨于屏幕中心時逐漸減小， Φ值越小，最大垂直視差值越小。而且， v是 的增函數(shù)和 的減函數(shù)。 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。這里假設(shè)獨立于設(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 (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 。 下面我們簡單計算一下左眼和右眼投影方程。眼球向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而且視線以角度 Φ交于點 P。 . 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。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 d處并平行于 xy平面。它是從原點到屏幕的頂部、底部、左邊和右邊的單位長度。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距離為 d處，井平行于 xy平面。 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現(xiàn)方法，下面將介紹它的軟件實現(xiàn)方法。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。 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。除非使用特殊的 CRT熒光粉，但是這樣會使系統(tǒng)的費用大大增加 :沒有大筆的投資，串行場方法不能適用于傳統(tǒng)的運動圖片結(jié)構(gòu) 。 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，是計算機圖形應(yīng)用中最成功的，它的安裝基礎(chǔ)正在不斷擴大。紅 /綠濾波眼鏡方法沒有機械光閘那么復(fù)雜和昂貴，但可以達到同樣的效果。左邊光閘打開而右邊光閘關(guān)閉，同時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。機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。并行偏振編碼技術(shù)可用來產(chǎn)生三維計算機顯示，但是這種方法通常要求兩個 CRT顯示XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 21 器，通常有亮度損失。它的缺點：只能產(chǎn)生黑白圖像；會很快使眼睛疲勞；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。場景被投影到屏幕上，并用紅綠鏡觀察，該鏡把兩幅圖像合成為三維立體圖像。 彩色編碼也叫紅 /綠立體影片法，是 Ducos du Hauron在 1858年發(fā)明的，并于1922年用于三維電影，直到四十年代才被偏振編碼技術(shù)所取代。其次是，它要求正確地安裝立體 對，這個過程既是很難，又很枯燥。還有一種方法是用后光源觀察立體對幻燈片。 Brewster立體鏡是一種便攜設(shè)備，觀察立體對 (物體的左、右透視圖 )時，可以放在與觀察者眼鏡直接相接觸的地方。 并行類 這類技術(shù)分別或同時 (并行 )地記錄、轉(zhuǎn)換和顯示物體的左右透視圖。 雙目立體顯示技術(shù) 盡管這類三維技術(shù)要求使用眼鏡，但是它目前是最成功的立體顯示方法，己被廣泛用于三維電影、三維電視和三 維計算機顯示。由于這些限制，使之不能被廣泛應(yīng)用。雙目立體顯示技術(shù)又分為并行 fl!串行兩類，其中并行類包括Brewster立體眼鏡、彩色編碼 (ColorCoding),偏振編碼 (Polarization Coding)，串行類包括機械光閘 (MachanicalShutter)和電氣光閘 (Electronic Shutter).多模式立體顯示技術(shù)包括微偏光鏡 (MicroPolarizer)等技術(shù) . 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 20 . 1 自動立體顯示技術(shù) 自動立體顯示技術(shù)避免了使用眼鏡，這是它的可取之處。 立體顯示硬件技術(shù) 自從 1849年 Brewster立體鏡的發(fā)明以來，人們又發(fā)明和研制出了許多三維成像技術(shù)，這些技術(shù)通常被分為三類 :(1)自動立體顯示技術(shù) :(2)雙目立體顯示技術(shù) :(3)多模式立體顯示技術(shù)。假設(shè)三維空間中任一點 P( x,y, z) ，在左右像平面分別為 PI、 Pr，點 P 的視差 d 可用 |PrPl|計算， 則有 (x, y, z ) = L/d(x’， y’， f) (3_1) 其中 (x’ , y’ )是左像平面中 P1 的平面坐標(biāo)，所以視差 d 與 z 滿足 : d=L f/ z (3 2) 由上式可以看到 ： 當(dāng)物體距離眼睛越遠，即 z 越大時，視差 d 就越小。下面給出人眼的視覺模型 — 非會聚雙目成像模型，見圖 。水平視差容易融合，因此我們盡量使用水平視差來產(chǎn)生立體效果。由于垂直視差很難融合，因此在實現(xiàn)立體 顯示時，盡量避免垂直視差的產(chǎn)生。利用隨機點立體圖，F(xiàn)ender和 Julesz發(fā)現(xiàn)垂直視差為 6弧分時實驗物體可融合兩視景。垂直視差是相關(guān)點的垂直坐標(biāo)差。因此，在體視圖像對中，應(yīng)該避免出現(xiàn)發(fā)散視差。有了正視差，因為大腦能夠融合這兩幅圖像，所以就產(chǎn)生了三維物體的圖像，而且該圖像看上去就象位于監(jiān)視器平面后面的空間一樣，這時我們稱物體位于 CRT 空間內(nèi) (within CRT space). 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 18 3. 負(fù)視差 當(dāng)眼睛的視差交叉時，就會產(chǎn)生負(fù)視差，如圖 .在這種情形下，被觀察的物體看上去就象飄浮在眼睛和顯示器之間的空間里，這時我們稱物體位于觀察空間內(nèi) (within viewer space). 4. 發(fā)散視差 發(fā)散視差是視差取值大于兩眼的瞳距，如圖 。 2. 正視差 在監(jiān)視器上顯示具有正視差的體視圖像對時，就可以看到深度層次。如果在監(jiān)視器上顯示具有零視差的體視圖像對的立方體時 .就會發(fā)現(xiàn)該立方體似乎位于監(jiān)視器的平面上一樣，如圖 所示。 1. 零視差 當(dāng)體視圖像對具有零視差時。因為體視圖像對中視差的大小將決定它們在視網(wǎng)膜上成像時位差的大小，從而決定了體視感覺，因而視 差是一個很重要的因素。而視差則是投射到我們觀察的監(jiān)視器上，將在視網(wǎng)膜投射為位差的兩幅圖像的任意相應(yīng)兩點的水平距離。 3. 雙目視差 —— 三維立體成像的基礎(chǔ) 在觀察真實的世界時，我們看到的實際上是兩幅不同的圖像。雖然我們還不大清楚大腦是如何把兩幅不完全相同的圖像XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 17 融合起來而加以理解的，但 是我們可以從雙目視差中獲得立體信息。雙眼看同一景物時，由于左右眼的位置不同 (對于成人來說。以便使視線的焦點落在物體上，這種通過眼球轉(zhuǎn)動以聚合視線從而獲得深度信息的雙眼線索稱為輔合作用。典型的雙眼線索有如下兩種 : 雙眼輔合作用。 雙眼深度覺 (雙眼線索 ) 人們在觀察物體時，由兩只眼睛同時協(xié)調(diào)作用，從而獲得對深度的感 知，稱為雙眼線索。透視表示前景對象和背景對象之間的關(guān)系。 透視 (Perspective)是最重要的立體深度線索，這是因為它能夠改變立體深度線索。而眼睛的聚焦調(diào)節(jié)則是具有生理基礎(chǔ)的單眼線索 .通過調(diào)節(jié)水晶體的曲率變 化使得物體在視網(wǎng)膜上得到清晰的象。但觀察邊緣恰吻合的兩物體時，易產(chǎn)生錯覺。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 16 重疊與遮擋 (interposition)。一個 平面上各點的光強是與該點到光源的距離的平方成反比的。景物。 運動 (motion)。如果物體細節(jié)能看得很清楚，那么人離物體近些。這是由于近物比遠物的視角人在視網(wǎng)膜上的象也大，如圖 3. 1 所示。它利用投射到視網(wǎng)膜上的一個圖像的大小來表示深度信息。對于非常熟悉的物體，常利用能分辨此物體的細節(jié)程度來決定其遠近。但是，使用單眼觀察時，對物體的距離和大小的估計極為粗略 :對于近距離物體，是利用眼睛的調(diào)節(jié)來產(chǎn)生遠近感XX 大學(xué) 畢業(yè)論文 15 覺，當(dāng)物體位置較遠時，物體反射而 來的光線可被認(rèn)為是平行光，雖然在視網(wǎng)膜上均成清晰象，但是，由于人眼的調(diào)節(jié)能力有限，因此無法辨別其遠近。在雙眼觀察時，除了可以得到和單眼同樣的信息之外，還可以通過雙眼的彼此協(xié)調(diào)感知深度信息。 深度知覺既可以來自雙眼線索也可以來自單眼線索。在計算機視覺中關(guān)心的核心問題之一是空間知覺，也就是 深度知覺。色覺是人眼能分辨顏色的能力。形覺即人眼對外界物體各部分不同亮度的分辨能力。 立體視覺原理及視覺模型 眼睛的立體視覺 人類視覺模型是計算機視覺系統(tǒng)的原始模型。 為了生成立體圖像和使用戶看到高質(zhì)量的立體像，我們需要在立體顯示的硬件方法和軟件算法上進行深入研究。但就目前而言，要配置一個視景仿真系統(tǒng)往往需要一些昂貴的設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、頭盔顯示器及高檔圖形工作站等。 中北大學(xué)分校畢業(yè)論文 14 3 立體顯示技術(shù) 在視景仿真中，立體顯示技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，它是一個基本視景仿真系統(tǒng)的必要條件。視口是窗口中的矩形繪圖區(qū)，視口用窗口坐標(biāo)度量，它反映了屏幕上的像素的位置