基于旋转屏的一种裸眼立体显示新方法
2009-03-16
作者：吴 翔，田 丰，刘锦高
摘 要： 提出一种基于旋转屏的裸眼立体显示新方法，利用人眼的视觉暂留及旋转过程中双目可视的屏幕区域不同的原理，构成视差。给出了理论分析及部分实验结果，并指出本方法的一些问题和未来研究方向。
关键词： 立体显示；旋转屏；视差；视觉暂留
眼睛的一个重要特性是视觉惰性，即光像一旦在视网膜上形成，视觉将会对这个光像的感觉维持一个有限时间，这种生理现象叫做视觉暂留性[1]。对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间约为0.05s～0.2s，所以屏幕上的单个静态画面可以变成连续动作的影像。当电机带动屏幕旋转，运行到某一位置时，显示该位置对应的状态，到下一位置切换显示内容。观看者面前的虚拟屏幕由机械转动替换了扫描过程[2]。这种通过屏幕旋转产生的影像显示范围可达到360°，突破了传统屏幕限制。
由于人的两眼间有4cm～6cm的距离，所以实际上人们看物体时两只眼睛中的图像有差别。两幅不同的图像输送到大脑后，人们看到的是有景深的图像。传统屏幕很难在观众不带特殊眼镜的情况下，让左右眼接收到不同的图像[3-5]。在本文提到的显示方法中，旋转的显示器外围制作留有一个缝隙的挡光罩，由于左右眼透过缝隙能看到屏幕的位置不一样，从而实现了双目的视差。
1 旋转立体显示原理
1.1 旋转显示原理
显示器被固定于圆形桌子上，通过电机使显示器连同桌子一同旋转。传统的做法使显示器在不同的角度显示相应物体的投影画面，这可以产生全息图像[2-4]。这里不同于传统方法，在显示器外罩一层圆形挡光罩，挡光罩正对显示器处留出一条缝隙。实物如图1所示。
显然，人眼只有通过留出的竖直缝隙才可以观看到屏幕，并且同一时刻只能观看到屏幕的一个竖直区域。
使图1所示系统以600rpm速度高速旋转，透光缝隙将以很高的速度不停地在人眼前水平方向扫过，当竖直的缝隙以水平速度高速扫过，由于如前所述的人眼视觉暂留特性，将产生一个长方形显示区域。详细过程如图2。
当缝隙旋转至位置A时，眼睛能够看到屏幕左端的星形；旋转至B点可以看到屏幕中间的星形；旋转到位置C可以看到屏幕右边的星形。根据视觉暂留特性，人脑中会出现一个同时显示三颗星形的屏幕影像，并且，这与观测者的角度位置无关。事实上无论在何角度观看，总会出现相对的A点、B点和C点，从而实现了360°全角度观看节目。
1.2 立体视差的产生
虽然在人眼前呈现的是一个虚的平面，但一个时刻里，眼睛所能看到的屏幕区域只是很窄的一个竖条，这是由罩在屏幕外面的挡光罩上的细缝决定的。人的双目有4cm～6cm的距离，这使得双目透过细缝可视的屏幕区域不同。所以在屏幕的不同位置显示不同的左右眼图像，可以让双目产生视差[6]。
在图3中，右眼观测区域是EF，左眼观测区域为GH。根据旋转方向，显然左眼先观测到屏幕；之后左眼观测区GH朝屏幕右边移动，而原来的左眼观测区GH将成为右眼观测区EF；直到透光缝隙运动至C点后，左眼观测区GH将移出屏幕变成不可见，而右眼观测区EF仍然可见，直至最后完全移出。
综上，只要保证每个时刻在屏幕EF区域及其左面范围显示右眼图像，而在GH及其右面范围显示左眼图像，便可保证双目视差的产生。这里，FG的长度需要探讨，以保证双目可视区域能够完全分离，而不会产生重合的状态。FG和人眼离圆心的距离、透光缝隙的宽度等多个量有关，将在下一节的理论分析中详述。另外一个值得探讨的问题是在何位置切割显示屏显示左右两个画面。由于F和G点都是时刻在运动的，选好左右视差图显示的分界线，才能使得EF区域内是所需要的右眼图像。
2 理论分析
旋转屏的数学几何模型如图4所示。考虑左右眼可视区域的边界情况，即当左眼刚能看见屏幕边缘G点，此时右眼看到屏幕区域的最右边为F点。显然DHG和EHF是需要讨论的两条直线，它们与屏幕交于G、F点，能区分视差图像的条件即为FG>0。
屏幕OG。可见
为了让左眼和右眼的图像尽量不干扰，对应左右眼的图像的分界点应该取在FG的中点。始终保证该点左边是右眼应该看到的图像，右边是左眼的图像。这样在实际过程中即使有一些偏差，仍然有FG/2的容错量，不至于出现左眼看到右图像或右眼看到左图像。
当然还有实际测量尺寸不可避免的误差情况，以上是定量的分析。当屏幕尺寸和双目距离一定时，FG长度由观测者离屏幕距离及透光缝隙宽度决定。离屏幕越近、透光缝隙越窄，则FG越大，即区分效果越好。但是值得指出的是，这将使透光缝隙可视的那段圆弧变小，这样虚屏幕的亮度自然将降低很多。对于这种矛盾，可以根据实际情况取折中值。
3 实验结果
本实验采用电机带动桌面旋转,考虑到屏幕的承受能力和屏幕显示的处理速度，旋转速度取600rpm。
当人坐于观测位置时，透光缝隙运动方向为从左往右。标记下右眼刚能看见屏幕最左端时屏幕所处的旋转角度，继续转动屏幕标记下左眼刚能看见屏幕最左端时屏幕所处的旋转角度和此时右眼可见到的屏幕的位置，可计算出屏幕切换画面的时机。这个位置和不同的人及观看位置有关，这是需要改进的地方。图5是未加挡光罩时的实验效果。
和国外一些利用透镜和光栅的裸眼立体显示实验比较[7-9]，本文阐述的方法能够让左右图像对非对应的眼睛干扰非常小，纯净的图像能构造出更逼真的视差。目前已做成产品的利用光栅分离的液晶屏幕，需要以牺牲水平分辨率为代价，这对于产生高质量立体效果是不利的。而透镜的制作成本很高，也不利于推广。相关的还有巧妙利用点云技术的方法[10]，效果比较理想，但和本文方法完全不同。
本文利用人眼视觉暂留效应，通过旋转的方法产生虚拟屏幕，使得观看者可以在任意角度观看影像。进一步引出使用遮光罩的办法让双目产生视差，最终实现裸眼立体显示。旋转屏作为一种新颖的显示产品，可以便捷地实现3D显示，具有很大的市场前景[11-12]。而在日益崛起的虚拟现实技术中，本文所介绍的方法也是一种新的方向。
当然，本文所述的方法还有需要进一步研究的地方。首先，屏幕对于旋转产生的破坏力的承受能力有限，这限制了更高速的旋转，导致动态视频不顺畅。采用LED阵列可以解决这个问题，但提高分辨率需要更先进的芯片技术。其次，立体显示的质量和位置远近有很大关系，这也使得观众不能随意获得需要的效果。还有处理器的速度问题，因为屏幕要很快融合切换左右眼需要看到的图像，这对于DSP的处理速度要求很高。可以考虑使用两块屏幕背靠背，每块屏幕前都开一条缝，这样每旋转180°就完成一个周期，效率提高一倍。
参考文献
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