立体显示技术的原理、体视因素和术语cited.pdf

2 0 1 0 年工程图学学报2 0 1 0第5 期J o U R N A Lo FE N G I N E E R I N GG R A P H I C SN o 5立体显示技术的原理、体视因素和术语王飞1，王晨升1，刘晓杰2(1 北京邮电大学自动化学院，北京1 0 0 8 7 6；2 长春大学机械工程学院，吉林长春1 3 0 0 2 2)摘要：阐述了立体显示技术的原理：解释并分析了实现立体视的视觉因素及其相互关系，给出了其解析式。针对国内立体显示技术所用术语不统一的状况，对立体显示技术的术语进行了讨论。在分析了目前国内相关文章中使用的术语的基础上，归纳并尝试给出更为规范、准确的称谓。关键词：工程图学；立体显示；原理；体视因素；术语中图分类号：T B2 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 0 1 5 8(2 0 1 0)0 5-0 0 6 9 0 5T h eP r i n c i p I e，S t e r e o s c o p i cF a c t o r sa n d1 e r m i n o l o g yo fT h r e e d i m e n s i o n a lD i s p l a yT e c h n o l o g yW A N GF e i l，W A N GC h e n s h e n 9 1，L I L Jx i a 0 j i e 2(1 s c h lo f A u“珊a t i，B 蜘h l gu n i V c 鸺时o f P 璐协孤dT c l c c o 舢m n i c a t i o 岫，B e 幻i n g1 0 0 8 7 6，C h h l a；2 c o l I e g eo f M 耐I a n i c a lE n g i n 吲佃g，C h 柚g c h 啪U n i V 哪畋c I l 如时mJ 1 m1 3 0 0 2 2，C h 妇)A b s t r a c t：T h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo ft h r e e-d i m e n s i o n a lt e c l l I l o l o g y，卸dd i s c u s s e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt l l ei m p l e m e n t a t i o no fs t e r e o s c o p i cd i s p l a y，t h e i ri n t e r a c t i o n s，锄dt h e i rm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n s T b w a r d sm ei n c o n s i s t e n c yo ft e r m i I l o l o g yu s a g ei nt h r e e-d i m e n s i o n a ld i s p l a yt e c l l l l o l o g ys t u d y，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eu S a g eo ft e 肌i n o l o g yi nr e l e V a n tf i e l d s B a s e do nt h e 仃a d i t i o no ft e mu s a g ei nr e l e V a n td o c u l n e n t s，t h i sp a p e rp r 叩o s e sas e to fr a t i o n“a n ds t a n d a r d i z e dt e r I I l i n o l o g i e sf o rt h eu s a g eo fs t e r e o s c o p i ct e c l l I l o l o g)rs t u d y K e yw o r d s：e n g i n e e r i n g 铲印h i c s；s t e r e o s c o p i cd i s p l a y；p r i n c i p l e；s t e r e o s c o p i cf a c t o r s；t e m l i n o l o g)r社会信息化对视觉图形图像的要求越来越高，如今普遍采用的二维图形图像(轴测图、透视图)已经不能满足某些领域的需要了。从上个世纪8 0 年代人们就开始了对具有深度信息的体视图像的表示(显示)和观察方式等相关技术的研究。经过2 0 多年的不懈努力，取得了许多新的成果，开发了许多新技术，这些技术已经广泛应用于虚拟现实、广播电视、通信、机械、医学收稿日期：2 0 0 8 一1 2 一1 5基金项目：国家“8 6 3”资助项目(2 0 0 7 从O l Z 3 2 9)作者简介：王飞(1 9 5 3 一)，男，辽宁海城人，教授，主要研究方向为工程图学、计算机图形学、立体显示技术和先进制造技术万方数据工程图学学报2 0 10 年等领域。按其表示方法，立体显示可分为两眼式、多眼式、超多眼式、空中像、空间像、光波面再现式等。其中，两眼式是最为成熟的立体显示方式，常见的有眼镜式和裸眼两种方式。因我国还没有关于立体显示技术的相关标准，使得立体显示的用语很不统一。本文将在讨论两眼视差、辐辏、焦点调节和单眼运动视差等主要生理因素的基础上，分析目前相关文献中使用的术语，并试图依照其学科来源和形成机理给出更为准确的称谓。1 体视投影的原理如图l 所示，以人的两眼瞳为视点，其中&为左视点，风为右视点，分别以左右视点对同一物体在画面P 上形成的透视投影对称为体视投影，或称为体视图形(像)。乳淼称为眼基线，眼基线一般平行于画面，B 称为目距，约为6 5 m m。对应于左视点S 的透视投影称为左投影，对应于右视点舔的透视投影称为右投影。如果左右投影存在一定差异，在观察画面时，让左眼只能看到左投影，右眼只能看到右投影，那么经过视觉信息处理，观察到的左右眼投影就会在观察者的头脑中融合成一个立体映像，跳出画面形成立体视。无论是眼镜方式还是裸眼方式，都需要满足上述必要条件才能形成立体视。图l 体视原理对观察者来说，当物体在画面前面，则形成的体视映像伸出屏幕，如物体在画面后面，则形成的体视映像在屏幕后方。前者称为交叉视，后者称为同侧视，如图2 所示。(a)交叉视(b)同侧视图2 交叉视和同侧视2 体视因素人类感知三维空间维度形成立体视的因素可分为心理因素(也称为感性因素)和生理因素两类，其中心理因素包括线性透视、视网膜像的大小、阴影、明暗、浓淡、色相、遮挡等；生理因素主要有两眼视差、辐辏、焦点调节和运动视差等。在这些因素中焦点调节、运动视差是依靠单眼感知空间维度的因素，而生理因素中的两眼视差和辐辏是依靠双眼感知空间维度的因素。这里只讨论生理因素，它们是立体显示技术研究中最重要的因素。辐辏(C o n v e r g e n c e)两眼同时注视同一物体时，两眼视线向同一注视点彳汇聚，称为辐辏，两视线问的夹角口称为辐辏角，它也随着眼基线到注视点的距离D 的变化而变化，如图3 所示。若礼辑=丑，则两眼辐辏角口=a。=曰D(r a d)=5 7 3。上i D(d e g)(1)由图2 看出，交叉视的辐辏角大，同侧视的辐辏角小。人眼的辐辏能力是有限的，一般不能超过3 6 0。因此，当观察小于1 0 3 n l I T l 以内的目标时，辐辏角超过3 6。，眼睛会感到异常紧张或疲劳，甚至不能合像。相反，如果距离Dj 时，口一0。实验证明，距离D 过大(超过2 0 m)，辐辏几乎就发挥不了作用了。由图3 看出，观察岛、风和注视点彳确定的圆周上的注视点彳时，因口=诉，故该圆周上的点没有视差，观察圆周外的点(如点C)时将产生视差，这个圆周为e t h M u l l e 理论的H o r o p t a r 圆。万方数据第5 期王飞等：立体显示技术的原理，体视因素年口术语7 1 图3 辐辏两眼视差(B i n o c u l a rP a f a l l a x)用两眼观看同一对象物体时，因有目距的存在，映入左眼网膜的物体映像和映入右眼网膜的物体映像存在有少量的差异，这种差异称为两眼视差，它随着眼睛到物体距离的变化而变化。正是由于左右眼视差而产生了深度感。目距的存在也使得左右眼投影略有不同，形成水平视差。由于水平视差的存在，在观看体视图像时，如能确保上述必要条件就能看到融合的空间像。任意两点分别与左、右视点&、最连线所构成的夹角称为视差角，如图4 所示，彳、C 两点的视差角分别为研和晚，则角视差矽=统一岔=口。一诉=BBDB(2)DD+DD(D+D)当D D 时秒竺兰(3)D。角视差的大小与辐辏距离D 的平方成反比，当距离变大时，角视差会急剧减小。图2(a)所形成的两眼视差称为交叉视两眼视差，图2(b)称为同侧视的两眼视差。两眼的水平视差为1 4 昧一4 玩I=l _ 小口c 去一吉)l“，I-一口I式中乃和分别是点爿和点曰的z 坐标(参见图4)。J p(画面)图4 两眼视差焦点调节(A c c o m m o d a t i o n)在观察不同距离的物体时，睫状肌会相应的用力或放松，以调节水晶体厚度(近厚远薄)，使物体成像映在视网膜上。眼睛这种本能地改变光焦度以看清不同距离的物体的过程称为焦点调节或水晶体调节。辐辏和焦点调节不是各自独立的，而是密切相关、相互影响的。观察实物时，两眼视差、辐辏和焦点调节因素有机地结合在一起，使观察者能得到自然的实物视。而观察表示在平面上的体视图像时，因焦点调节是一定的，所以只需要调整两眼视差和辐辏即可形成立体视。但由于辐辏和焦点调节不一致，在生理上会造成一种不自然的状态，长时间观察就会引起视觉疲爿。这也引导人们研究出了能减少或消除视觉疲劳的其它显示方式，如超多眼式和光波面再生方式等。单眼运动视差似o n o c u l a rM o V e n l e 玎tP a m l l a)【)运动视差是再现空间自然状态的重要因素，分为两种情况：一种是由于画面上图形和视点移动(从动)引起的视差；另一种是观察者在观察画面时移动(主动)视点而引起的图形变化所产生的视差。前者由平面表示机构产生，而后者为了实现与观看实物相同的效果，需要更高效的信号处理系统。一个有趣的现象是虽然在观察物体时般是用两眼，但仅单眼也可以得到立体感。单眼运动视差是从物体的各个方向观察物体的差异。由于体视因素调节和心理因素的作用，观察者能够判断从眼睛到对象物的绝对距离的变化，而运动视差也能够得到观察者或画面图形移动时距离万方数据7 2 工程图学学报2 0 1o 年的变化。如图5 所示，假定D 为观察者单眼的位置，当观察者以速度1，从点D 向点F 移动时，为了分辨出对象物体彳、B 距离的不同，必要的运动视差国口：鼠一只：兰一j!一：垒L w 1DD+DD+D)A D_ WD。国：螋：竺v 竺v(5)国=-二=一V=-1，L，JmD(D+D、D z观察两眼式的体视图像时，当观察者水平移动，立体映像也会随着移动，形成不正确的立体感，这就是由于在体视图像中没有考虑运动视差造成的。对此，多眼式有所改善。多眼式从多个方向提示视差信息，即使观察者移动，再现运动视差也是可能的。|习纠。刘。图5 运动视差3 术语的讨论(1)体视图像立体图像随着立体显示技术的飞速发展，一些新的名词术语也不断出现，使得国内目前关于立体显示技术领域的称谓很不统一。例如，有的将体视图像称为立体图像【2】有的称为三维图象。严格地说，称为立体图像不够准确，这样称呼一是容易与轴测图和透视图这样的伪“立体图像”混淆，二是因为当表示面为平面时，图像是二维的，并不是立体的。笔者认为应该将左右眼图像统称为体视图像【3 l，即体视图像只有在观看时才能形成立体视，因此是比较准确的。一般来说，三维C A D 软件是在三维空间表达三维物体的，其表达三维物体时所用的图形图像常被称为三维图形或三维图像。将表达在平面上的体视图像也称为三维图像显然是不准确的，因它们并没有占据三维空间。(2)立体映像和三维映像立体图像观看体视图像时在观察者头脑中融合成的空间像与表示在平面上的体视图像也应该有所区别，而国内文献一般也称之为立体图像睇J。笔者认为，称为立体映像比较准确。根据辞海的定义，映像：客观事物在人脑中以感觉、观念或思想的形式再现。因此将观看时在脑中形成的空间像叫做立体映像或三维映像是准确的。文献 4】把根据两眼视差信息表现深度前后关系的映像，称为立体映像(S t e r o s c o p i ci r I l a g e)，移动视点能提示运动视差信息的映像称为三维映像(T h r e e d i m e n s i o n a l i m a g e)。(3)裸眼方式自由立体显示国内文献一般将不需要戴特殊眼镜的立体显示技术称为自由立体显示(A m o S t e r e o s c o p i cD i s p l y)p J，笔者认为也值得商榷。首先，自由立体显示与需要戴特殊眼镜或者头盔显示器的方式没有对应关系，也不够明确：其次，自由立体显示并不是完全自由的，它仅仅是摆脱了眼镜的束缚，但依然有辐辏和焦点调节不一致、其中的两眼式不能再现运动视差等与眼镜方式相同的问题。同时，与眼镜方式相比，它本身还有分辨率较低等缺点。笔者认为，称为“裸眼方式”比较合理，与眼镜方式对应，简单明了。4 结束语体视因素是人们获取立体视的重要因素。对于两眼式来说，无论是眼镜方式还是裸眼方式都有辐辏和焦点调节不一致的问题，长时间(3 0分钟以上)观察就会产生视觉疲劳。两眼式由于视差量少，所以不能提示运动视差；多眼式虽然有所改善，但依然有辐辏和焦点调节不一致的缺点，并且视域也变窄了。这些问题的存在也在一定程度上影响了立体显示技术的普及和应用。因此，有必要对这些课题进行研究，以开发出更加实用的、更适合人眼观察习惯的立体显示方式。在立体显示技术研究中，准确、简单明了的术语称谓对学术思想的交流至关重要。本文结合形成机理、科学来源等方面的考虑，对立体显示技术中有关常用术语进行了尝试性的辨析，以期万方数据第5 期王飞等：立体显示技术的原理、体视因素和术语7 3 能在立体显示技术术语规范化方面有所贡献。【3】董国耀透视和体视 M】北京：北京理工大学出版社。1 9 9 2 2 1 8 2 2 0 参考文献【l】矢野澄男，江本正喜，三橘哲雄立体画像o2。o 视觉疲券口)要因【J】画像多水，2 0 0 4，1 5(7)：2 0 2 3【2】杨瑁，王继成，刘然立体图像对的生成【J】计算机应用，2 0 0 7，2 7(9)：2 1 0 6 2 1 0 9【4】谷千柬高嗌埸感尹f 天歹卜fo 特贸E 技衍庵用勤向【J】映像情辗J 尹f 丁学会蒜，2 0 0 l，5 5(8 9)：1 0 6 4 1 0 6 6【5】刘文文，邓善熙，黄永刚自由立体显示器视差照明原理的仿真研究 J】合肥工业大学学报，2 0 0 5，2 8(1 2)：1 5 4 0-1 5 6 9 万方数据立体显示技术的原理、体视因素和术语立体显示技术的原理、体视因素和术语作者：王飞，王晨升，刘晓杰，WANG Fei，WANG Chen-sheng，LIU Xiao-jie作者单位：王飞,王晨升,WANG Fei,WANG Chen-sheng(北京邮电大学自动化学院,北京,100876)，刘晓杰,LIU Xiao-jie(长春大学机械工程学院,吉林,长春,130022)刊名：工程图学学报英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS年，卷(期)：2010,31(5)参考文献(5条)参考文献(5条)1.矢野澄男.江本正喜.三橋哲雄 立体画像2視覚疲労要因 2004(7)2.杨珺.王继成.刘然 立体图像对的生成 2007(9)3.董国耀 透视和体视 19924.谷千束 高臨場感特質技術?応用動向 2001(8/9)5.刘文文.邓善熙.黄永刚 自由立体显示器视差照明原理的仿真研究 2005(12)本文链接：http:/