? ? ? ?人眼的雙目立體視覺成像人類最神秘最完美的身體構造之一，了解人眼的基本構造和視覺成像處理過程，對于 3D 顯示技術具有極大的啟發。本文主要對人眼的基本構造、視覺成像系統進行簡單介紹，并對基于此立體視覺原理的偏光式 3D 顯示系統的結構和工作原理進行分析和介紹。

1.人眼的構造與成像原理

人類在觀看外界事物時先是通過雙眼接收由光所搭載的物體信息，信息傳遞到大腦后再經神經中樞處理形成最終的視覺效果。人類的視覺成像系統包括眼睛和視覺神經，其中光覺、形覺、色覺、運動覺和體視覺等功能又受中樞神經系統控制，人眼結構如圖所示。
人眼底部視網膜正中的黃斑區對光學信號敏感度最高，對物體的成像也最清晰。光信號會在視網膜上進行變換、濾波、編碼，以神經信號的方式傳輸給視覺神經系統和中樞神經系統。人眼的雙目視覺指的是觀察一個外界物體時，其影像分別在兩眼視網膜的黃斑區內成像并轉變為神經信號沿視覺神經系統傳輸到大腦，大腦的高級中樞神經系統會把雙眼所接收的視覺信號進行比對和分析，最后融合成一幅完整且富有立體感的畫面，人眼的這個成像過程稱為雙眼單視。雙眼單視中又包含一項獨立的高級視覺成像功能，稱為立體覺，就是感知三維立體空間的直覺，這是人眼成像系統中一項必不可少的功能。人的眼睛好像一架照相機，其中晶狀體就等同于照相機鏡頭，外界的光線從瞳孔進入，通過晶狀體以后在視網膜上成像，視網膜的作用類似于 CCD（圖像傳感器），它將光信號轉換為生物電信號并通過視神經系統傳輸到大腦，最終在大腦的中樞神經系統完成圖像的綜合分析和認知。?

2.雙目立體視覺

人類習慣使用雙眼來觀察所處的這個三維立體的現實世界，不僅能夠感知到物體的大小、顏色、形狀，還能察覺出物體與自己相隔的距離，產生遠近的感覺。像這樣對距離的感知就稱為深度感知，也就是空間深度感，空間深度感是形成 3D立體視覺最關鍵的因素。?

2.1雙眼視差

上個世紀初期，“視差創造立體”原理被提出。“視差”就是指當人的雙眼分別從不同角度來觀察外界世界時，右眼和左眼看到的同一物體之間微小的差別。在雙眼觀察同一物體時，左眼看到的物像左邊的部分會多一些，右眼看到的物像右邊的部分會多一些。這是因為成年人的瞳孔間距在 53mm-73mm 范圍內，平均間距在 65mm 左右所以，當雙眼觀察同一物體時是具有細微的差別的，這就是“雙眼視差”。人的大腦在接收到雙眼獲得的這些細微差別后，經過中樞神經系統的分析處理，加工融合，可以得到物體的空間位置等信息，最終形成立體視覺。?
有一個簡單的書脊成像實驗可以展示雙眼視差的形成，如圖 下圖所示。將一本書放在正前方距雙眼大約 25cm 的位置，把書脊朝向人臉的方向并向下傾斜大約45°，這個時候輪流閉上一只眼睛，用另一只眼睛觀察書本，右眼恰好可以看到書的封底，而左眼正好看到封面。當雙眼視網膜所成的像傳到視覺神經中樞時，人就可以感覺到眼前這本書具有立體感。

保齡球成像實驗更直觀地展示了雙眼視差的效果。在觀察放在人正前方的保齡球時，左右眼的視野稍有差別，左眼和右眼看到的是保齡球列不同的側面，最后通過大腦的分析和融合才得到了正前方的保齡球視圖。
像這樣具有微小視差的一對平面圖像我們稱之為立體圖像對。

2.2人眼的深度感知

當人們觀察物體上的某一點時，由該點發射的光就會聚于雙眼視網膜中心的中央凹，我們在兩眼的視網膜上為兩個中央凹給出了一對可以進行比較的對應位置，以此作為依據來確定雙眼的會聚，同時，來自關注點以外的光并不一定會會聚在兩眼視網膜上給出的對應位置。這里可以通過全息圓（如圖 所示）來說明這個過程，并通過推導獲得雙眼視差所產生深度感知的定量數值。?我們設雙眼晶狀體的中心點分別為 O1和 O2，當雙眼注視圖中的 M 點時，模擬光線傳輸將 O1、O2和 M 點用兩條直線連接起來，ml和 m2是這兩條直線的延伸線與視網膜的交點。接下來，我們在圖中的兩眼視網膜上分別確定兩個點Pl和 P2，這兩個點也是在視網膜上成像的空間中的點，當∠P1O1m1= ∠ P2O2m2時它們恰好處于對應的位置。
當 P 點按以上描述在視網膜上成像為 Pl、P2時，它在視網膜上沒有雙眼視差。由幾何關系可知，將所有雙眼視差為零的 P 點連起來恰好構成了一個經過 O1和O2兩點的圓。這個根據雙眼視差所得出的圓就稱為全息圓。?如圖中 Q 點這樣不在全息圓上的點，它所發射的光線就無法會聚在兩眼視網膜上的對應位置，這樣視覺神經中樞通過感知和分析雙眼視差就可以識別空間各點之間的距離差別。?我們可以輕易地分析出雙眼視差和絕對距離的關系。當會聚角∠ β＜ ∠α時，Q 點到雙眼平面 O1O2的垂直距離大于 P 點到雙眼平面的垂直距離，大腦就會產生Q 點比 P 點遠的深度感。?
對于雙眼視差和相對距離的關系我們可以定量的方式來推導計算：?
設 P 點的會聚角與 Q 點會聚角相差：?η = α -β?
設 M 點和 Q 點到雙眼平面 O1O2的垂直距離分別是ML 和QL ，令?QM-QL = δ，當δ<<M?L時，得：?
人眼的雙眼視差對η 的感覺靈敏度閾值為10′′，它被稱為立體銳視度。因此，M 點和 Q 點相對距離的最小值為：?
ML =?1米時，δmin= 0.8毫米 ? ML =?10米時，δmin?= 8厘米 ? ML?=?100米時，δmin= 8米； 針對人眼最常觀察的中等視距來說，雙眼視差所提供的信息就是人眼深度感知最重要的線索。?

2.3 3D顯示器的立體感

3D 顯示屏幕之所以能夠使觀眾產生立體視覺效果，就是因為它能夠使觀眾產生深度感，這種深度感既可以向前又可以向后，下圖說明了 3D 顯示屏幕是如何通過雙眼視差來使物體在屏幕上產生向前或者向后的深度感。

我們假設屏幕上顯示了 3 個點：A、B、C，并且每個點都同時具有左、右兩
個圖像對，分別為 Al和 Ar，Bl和 Br，Cl和 Cr，其中 Al、Bl和 Cl由左眼畫面顯示，而 Ar、Br和 Cr則由右眼畫面顯示。?當我們使用雙眼觀看屏幕時，可以分為三種情況。A 點的左眼圖像 Al和右眼圖像 Ar恰好在屏幕上重合，此時雙眼看到的正好是同一個圖像點，大腦會判斷點A 的位置處在與屏幕水平面重合的 A’處；B 點和 C 點的情況就不同了，B、C 兩點的左右眼圖像在屏幕上并不重合，這時如果對 3D 顯示器顯示畫面采用適當的處理手段，讓 B 點和 C 點的左眼圖像 Bl和 Cl只能被左眼看到，而右眼圖像 Br和 Cr只能被右眼看到，觀眾的大腦視覺神經系統就會分析融合兩眼圖像形成 B 點和 C點的空間圖像，并判斷 B 點的位置處在屏幕水平面后方的 B’處，C 點的位置處在屏幕水平面前方的 C’處。3D 顯示屏幕就是這樣利用人眼的雙眼視差使得 A、B、C 三點產生深度感，也就是立體感。 我們把顯示器屏幕上的一對圖像對之間的象素差稱為水平視差，如上圖中 B 點所示，當左眼看到的圖像 Bl位于屏幕左側，右眼看到的圖像 Br位于屏幕右側時，這一對圖像對之間的水平視差被稱為正視差；相反，如圖中 C 點所示，當左眼看到的圖像 Cl位于屏幕右側，而右眼看到的圖像 Cr位于屏幕左側時，這一對圖像對之間的水平視差就被稱為負視差；而如圖 3-5 中 A 點所示，當左眼看到的圖像 Al與右眼看到的圖像 Ar重合時，這一對圖像對之間的水平視差為 0，稱之為零視差。??

3.3D顯示的條件

普通的平面二維顯示器無法實現 3D 視覺效果是因為人們在看電視的時候，無論電視里的畫面內容如何改變，人的雙眼對屏幕畫面某一點所產生的會聚角始終沒有變化，水平視差一直處于零視差，所以看到的永遠只是一個平面而沒有立體深度感。產生這種現象的根本原因就在于左右眼看到了完全相同的畫面。所以，如果我們能設法向左右兩眼分別傳輸兩組拍攝角度稍有不同的畫面，并且讓左右兩眼都只能看到其對應的畫面，就可以通過調節這兩組畫面之間細微的不同來調節雙眼水平視差，使物體產生空間深度感，進而再現其空間定位以實現 3D 立體顯
示。?由以上理論分析可以知道，3D 顯示器要想使觀眾產生 3D 立體視覺效果，在屏幕上實現 3D 立體顯示，有三個條件是必須具備的：?
（1） 需要左眼和右眼兩路影像；?
（2） 兩路影像是不同的，并且具有正確的視差；?
（3） 左右眼的兩路影像要完全分離，左影像進左眼，右影像進右眼。

4.正交偏振 3D 顯示系統?

4.1正交偏振 3D 顯示系統的基本結構

可以知道顯示器前端出射的是搭載了視頻畫面信號的偏振光。配套的偏振眼鏡左右眼鏡片的偏振方向互相垂直成 90°夾角，并且分別與該配套液晶顯示器出射偏振光的偏振方向垂直和平行。而系統實現 3D顯示效果的 TN 副屏是一層功能獨立的液晶副屏，它貼附在液晶顯示器前端，也就是出射偏振圖像一側，TN 副屏在 3D 顯示系統中主要是作為開關面板工作。

4.2正交偏振 3D 顯示系統的工作原理?

正交偏振 3D 顯示系統實現 3D 效果的工作過程有兩個階段。我們先假設TFT-LCD 前端出射的偏振光初始偏振方向為 0°，配套偏振眼鏡的左眼鏡片偏振方向為 0°，右眼為 90°。?
在第一階段，不對 TN 副屏施加電壓。此時 TN 副屏內的液晶分子由于連續彈性體理論和液晶分子的粘滯性呈現自然扭轉 90°狀態。由于液晶的光波導效應，由 TFT-LCD 前端出射的搭載了圖像信息的偏振光在透過 TN 副屏時，其偏振方向會隨著液晶分子的連續扭轉而偏轉 90°，如圖所示。所以，當它透過 TN副屏后偏振方向從 0°變為了 90°，剛好與配套的偏振眼鏡右眼鏡片偏振方向平行，而與左眼垂直，因此只能透過右眼鏡片被右眼接收。?
在第二階段，對 TN 副屏施加驅動電壓，此時 TN 副屏內的液晶分子由于液晶的電光效應會沿電場方向排列，液晶的光波導效應消失，由TFT-LCD 前端出射的偏振光在透過 TN 副屏時，其偏振方向不會發生任何改變。所以，當它透過 TN 副屏后偏振方向依然為初始方向 0°，剛好與配套的偏振眼鏡左眼鏡片偏振方向平行，而與右眼垂直，因此只能透過左眼鏡片被右眼接收。?由于 TN 副屏的這種開關作用成功地分離出了兩路偏振方向互相垂直的偏振光，每一路偏振光恰好只能通過一只偏振眼鏡的鏡片被一只眼睛接收。這時，只需要準備稍有不同且具有正確雙眼視差的兩路影像片源，左眼圖面搭載于進入左眼的 0°偏振光，同時右眼畫面搭載于進入右眼的 90°偏振光。這樣，觀眾的右眼就只能觀察到右眼畫面而左眼只能觀察到左眼畫面，通過大腦皮層中樞神經系統的分析和融合作用，就能產生 3D 立體視覺效果。?

3.5立體圖像對?

有了 3D 顯示器件，同樣還需要 3D 片源才能觀看到 3D 影像。人們通常會制作符合雙眼視覺特征的兩幅立體圖像，稱之為“立體對”。3D 片源就是用這樣的立體圖像對制作而成的。立體圖像對通常是使用兩臺模擬人眼視覺機制的攝像機共同拍攝制作而成，或是使用計算機圖像生成技術按照要求制作而成。?使用立體攝像機拍攝 3D 片源時，兩臺相同的攝像機會保持固定的距離和夾角關系，兩個鏡頭的間距通常采用人眼平均間距 65mm，在拍攝過程中可以調整兩臺攝像機之間的距離和夾角來模擬人的雙眼。兩臺攝像機會分別拍攝對應于左眼和右眼的兩套影像，后續處理中再進行進一步的立體視圖匹配計算。而使用計算機圖像生成軟件制作的立體影像，通常會先建立一幅單眼視圖，如右眼視圖，然后根據平移、映射、旋轉等算法生成右眼視圖。?下圖一 是 3D 攝像拍攝制作的立體圖像對，（a）為左眼圖像，（b）為右眼圖像。從圖中可以看出左右眼圖像在舌頭伸出的角度，帽子右邊界與背后畫上的字符位置，人的身體與畫上人物腳的位置等這些細節方面有微小差異，這就是模擬人左右眼拍攝制作的立體圖像對所體現出的雙眼視差。?圖（c）就是把（a）和（b）的立體圖像對左右眼圖像合成后制作的 3D 片源，可以從畫面上看出左右眼圖像的細微差別。?


引用： 劉璞. (2012).?正交偏振3D顯示系統的研究. (Doctoral dissertation, 電子科技大學).

總結

以上是生活随笔為你收集整理的双目立体视觉及正交偏振 3D 显示的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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