1 引言

隨著三維立體顯示電影阿凡達(dá)等的出現(xiàn),，三維立體顯示得到廣泛的關(guān)注，自由立體" title="自由立體">自由立體顯示系統(tǒng)" title="顯示系統(tǒng)">顯示系統(tǒng)作為最好實(shí)現(xiàn)真三維立體顯示的技術(shù),，對(duì)自由立體顯示的研究具有重要的作用,，本文通過對(duì)自由立體顯示系統(tǒng)中人的因素分析以及自由立體顯示圖像制作分析，為了使人得到很好的三維立體感覺,，進(jìn)行了綜合的人機(jī)交互" title="人機(jī)交互">人機(jī)交互分析,。觀察者不需要佩戴任何觀察設(shè)備就可以直接看見3D立體圖像。即自由立體顯示技術(shù),。自由立體顯示主要有全息立體技術(shù),、平板顯示、體立體與立體投影技術(shù)等等,。其中全息立體技術(shù)是研究歷史最長,，最成熟的立體技術(shù)，但是由于全息圖像的色散問題使得難以做出一幅全彩色的立體圖像,，而平板顯示與自由立體顯示技術(shù)由于現(xiàn)有技術(shù)條件的限制,，很難實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示。立體投影的實(shí)現(xiàn)方式有全息投影,、菲涅爾透鏡投影和雙柱面光柵投影等等,。其中，雙柱面光柵投影立體投影系統(tǒng)利用了成熟的大屏幕投影技術(shù),，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)大幅面的全彩色立體圖像,，因而受到了廣泛重視。

2 自由立體顯示中人的視差感知因素分析

2.1 雙眼競爭 （Binocular rivalry）

所謂雙眼競爭是指在無法融合的雙眼刺激間產(chǎn)生的知覺更替,。其中,，在特定時(shí)間看到的刺激叫顯要刺激；在特定時(shí)間無法看到的刺激叫抑制刺激。當(dāng)兩個(gè)刺激很小時(shí),，會(huì)交替看到兩個(gè)完整的映像,，這是“全或無”優(yōu)勢(shì)；當(dāng)不同模式的不同部分在不同區(qū)域占優(yōu)勢(shì)時(shí),，即所謂的鑲嵌式優(yōu)勢(shì),。

圖1  雙眼競爭

如圖1示，仔細(xì)觀察就會(huì)了解到,，雙眼競爭引發(fā)的直接后果之一便是抑制刺激在受抑制過程中,，其特征幾乎完全從知覺意識(shí)中消失。這在系統(tǒng)顯示中是非常危險(xiǎn)的,，因此,，應(yīng)當(dāng)盡量避免給操作者雙眼的網(wǎng)膜對(duì)應(yīng)位置呈現(xiàn)不相稱的刺激，以阻止雙眼競爭現(xiàn)象的發(fā)生,。

2.2 Pulfrich 現(xiàn)象

德國物理學(xué)者Carl Pulfrich于1922年指出,，當(dāng)我們把中性密度的濾光片放在一只眼睛前（另一只眼睛前沒有）去觀察單擺（或鐘擺）的運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們會(huì)看到擺球似乎在沿平面橢圓形軌道運(yùn)動(dòng),，這就是Pulfrich現(xiàn)象（此單擺稱為普氏擺）,。擺球運(yùn)動(dòng)的方向取決于人的哪只眼睛戴濾光片，雙眼間亮度水平的差異在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下會(huì)造成深度錯(cuò)覺,。Gregory 采用視覺潛伏期假說對(duì)這種深度錯(cuò)覺現(xiàn)象做了解釋,。他認(rèn)為：被過濾眼中的刺激亮度衰減，使該眼的視覺反應(yīng)潛伏期延長,，因此有關(guān)物體位置的信號(hào)在傳輸?shù)揭暺訒r(shí)會(huì)產(chǎn)生雙眼間的時(shí)間偏差,，從而導(dǎo)致在深度上運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺。根據(jù)這種解釋,，只要有運(yùn)動(dòng)和雙眼間的亮度差異,，那么就有可能存在體視信息，這種信息會(huì)改變視覺顯示中已有視差的大小甚至是方向,，因此,，應(yīng)當(dāng)盡量避免雙眼間的深度差異，以免影響對(duì)三維立體視覺的探測(cè),。

3 自由立體顯示圖像制作的問題

任何立體顯示系統(tǒng),，都是軟硬件的有機(jī)結(jié)合。怎樣正確實(shí)現(xiàn)立體透視圖對(duì)的形成和顯示是軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù),，軟硬件能否協(xié)調(diào)一致,、取長補(bǔ)短是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，下面闡述幾個(gè)對(duì)正確構(gòu)建和顯示立體圖像對(duì)至關(guān)重要的因素,。

3.1 左右透視圖的計(jì)算

在立體視覺系統(tǒng)中,，要為左右眼各生成一個(gè)透視圖，需要兩個(gè)水平排列的投影中心。圖像分別投影到這兩個(gè)投影中心生成左右視圖,。標(biāo)準(zhǔn)的圖形學(xué)投影方式如圖2所示,，這里使用左手坐標(biāo)系統(tǒng)。通過這種有兩個(gè)投影中心的投影方式,，可獲得類似人眼的視野分布：中央的重疊區(qū)和兩個(gè)單視區(qū),，而獲得比單投影中心方式更寬的視野范圍，而且在重疊區(qū)由于左右透視圖的差異,，將會(huì)有更多的信息被存入左右透視圖對(duì)中,。

圖2 體視觀察空間

根據(jù)透視投影的變換矩陣可導(dǎo)出體視投影變換矩陣。以視點(diǎn)坐標(biāo)系（右手系）原點(diǎn)O（在體視學(xué)中叫做中央眼）為視點(diǎn)的透視變換矩陣為

（1）

式中d為視距,。如圖2所示,，設(shè)左視點(diǎn)為SL（-B/2，0,，0）,，右視點(diǎn)為SR（B/2，0,，0），SLSR稱為眼基線,，SLSR平行于畫面,， SLSR= B，B稱為目距,，約為65mm,。則左、右視點(diǎn)的體視變換矩陣分別為

（2）

（3）

設(shè)空間一點(diǎn)的坐標(biāo)為,，則其左,、右投影分別為

（4）

（5）

顯然，左,、右視點(diǎn)y和z坐標(biāo)分別相等,，所不同的只是x坐標(biāo)，而

（6）

其中稱為圖對(duì)間隔位似系數(shù),，如圖3所示,。上式說明，左,、右投影間距不是一個(gè)常數(shù),，而是與物體各頂點(diǎn)的z坐標(biāo)有關(guān)。由圖3還可以看出,，這時(shí)z坐標(biāo)應(yīng)小于0,。

圖3 物體的體視圖（左） 示意圖     （右） 根據(jù)透視原理畫出的體視圖

由此產(chǎn)生的三維立體顯示問題由顯示分辨率與投影算法之間的矛盾引起。雖然經(jīng)過幾何投影算法的計(jì)算可以得到遠(yuǎn)距離物體的投影尺寸，但由于投影介質(zhì)物理分辨率有限無法顯示出物體紋理的輪廓和細(xì)節(jié),，從而無法形成有效的三維立體視覺,。

3.2 兩種計(jì)算方法的比較

上面介紹的計(jì)算立體圖對(duì)的方法是將投影中心分別放在Z軸兩側(cè)，一般稱為離軸投影,。還有一種方法稱為軸上投影,。它使用標(biāo)準(zhǔn)投影中心，通過移動(dòng)數(shù)據(jù)獲得與離軸法相同的左右投影點(diǎn)集變換式可得到計(jì)算方程,。

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)投影變換式,，可以很容易地得到計(jì)算左視圖的算法：

（1）  給每一點(diǎn)的坐標(biāo)加并對(duì)它進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)投影變換；

（2）  再將每一投影點(diǎn)的坐標(biāo)減去,；

這兩種方法在數(shù)學(xué)上是一致的,，在實(shí)現(xiàn)效果上各有優(yōu)缺點(diǎn)軸上投影需在軸方向上進(jìn)行兩次平移變換，因而會(huì)丟失信息,，使視野縮小,。但因其采用的是標(biāo)準(zhǔn)投影，可由硬件實(shí)現(xiàn),，而離軸投影只能由軟件實(shí)現(xiàn),。因此從總體性能上說，軸上投影較好,。

4 自由立體顯示中的人機(jī)交互分析

人機(jī)交互技術(shù)（Human Computer InteractiON,，簡稱HCI）主要是研究人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，主要包括人到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)到人的信息交換兩部分,。人們通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)與其他事物的交互,，對(duì)自由立體顯示系統(tǒng)來說，可將其人機(jī)交互行為分為四類不同的感知過程：人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知,、計(jì)算機(jī)對(duì)外部世界的感知,、人對(duì)計(jì)算機(jī)的感知以及人通過計(jì)算機(jī)傳遞的視差感知信息。我們?cè)谝韵聝?nèi)容中著重從這幾個(gè)方面來進(jìn)行研究,。

4.1 自由立體顯示人-機(jī)因素分析

在自由立體圖像顯示方式,、自由立體圖像輸出方式和自由立體系統(tǒng)構(gòu)造模式等方面開展研究，都是通過完善交互性,、解決融入性,，并最終讓觀察者得到良好的沉浸性真實(shí)的三維立體感。

自由立體顯示的多用戶交互性問題,。早先的應(yīng)用為了實(shí)現(xiàn)良好的沉浸性,，采用了頭部顯示以及追蹤設(shè)備，但因?yàn)榱Ⅲw成像能力的限制帶來很多的問題,，使立體環(huán)境只能針對(duì)單個(gè)的用戶開放,，即只能是單一的操作者和受益者,，這給自由立體顯示的應(yīng)用帶來了很大的局限性。

為此,，可以采取的解決辦法稱之為“導(dǎo)游”方式,，典型的應(yīng)用是“參觀”項(xiàng)目。方法是將操作者觀察到的內(nèi)容用并行通道顯示到更大的屏幕上,，更多的參加者可以跟隨操作者進(jìn)行參觀游覽,。操作者就象旅行團(tuán)的“導(dǎo)游” 一樣。采用自由立體顯示技術(shù)后,，“觀察者”可以得到更強(qiáng)的沉浸感,。缺點(diǎn)是“觀察者”的視點(diǎn)與“導(dǎo)游”的視點(diǎn)不同，且相互間的視點(diǎn)各異,，不但“觀察者”不能與三維立體環(huán)境交流,，而且他們看到的圖像與感覺之間不能吻合，因而得到的三維立體沉浸感比較差,。

解決多用戶交互方案是利用互聯(lián)網(wǎng)建立起來的Web3D顯示系統(tǒng),。設(shè)想如果對(duì)一個(gè)參與者而言其他參與者都是環(huán)境中的一部分，那么基本的三維立體環(huán)境對(duì)所有的參與者而言,，都是公用的,，每個(gè)參與者都可以與環(huán)境有很好的交互性。這種交互性是互聯(lián)網(wǎng)固有的特性,。需要提高的是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行能力和圖像生成能力,。這兩個(gè)問題隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬的增大和終端運(yùn)行能力的提高可以得到很好解決。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多專用于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)編程語言,，例如Vrml.Java3D以及X3D等。

對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)者和觀察者來說,，來自于三維立體環(huán)境的反饋信息主要是通過視覺信息來搜索收集,。因而在圖形圖像的顯示方面的研究非常多。但在許多自由立體顯示的應(yīng)用中,，為了在三維立體顯示的應(yīng)用中提供給觀察者沉浸感,，交互感和想象感。就要提供三維立體圖像圖形效果評(píng)價(jià)方法,，通過這樣的信息,，來判斷我們當(dāng)前的技術(shù)是否能滿足觀察者挑剔的需求。

要實(shí)現(xiàn)自由立體顯示,，必須給觀察者提供真實(shí)的三維立體環(huán)境,。三維立體圖像是自由立體顯示系統(tǒng)人機(jī)交互中極為重要的視覺信息，在立體顯示的計(jì)算機(jī)成像方面仍然大量的問題需要研究,，結(jié)合自由立體顯示中人的因素和計(jì)算機(jī)的因素開展的人機(jī)交互研究,，構(gòu)建三維環(huán)境的三維逼真度,，直接影響著自由立體顯示的質(zhì)量效果，也直接影響了人們觀察的沉浸感,。人基于視差通過對(duì)深度距離和深度圖像的判斷,，對(duì)具體的目標(biāo)產(chǎn)生三維立體感，獲取三維立體效果,。

4.2 自由立體顯示人-機(jī)行為分析

自由立體顯示系統(tǒng)一個(gè)典型的特征就是觀察者與三維立體環(huán)境的交互性,。人在三維立體環(huán)境下與虛擬世界的交互行為，是與人在真實(shí)環(huán)境下與真實(shí)世界的交互行為完全對(duì)應(yīng)的,。自由立體顯示系統(tǒng)最終追求的效果是上述兩類交互行為在人的感受上的一致性,。如圖4人機(jī)行為分析，體現(xiàn)了人與計(jì)算機(jī)信息的雙向傳遞,，人通過左右兩眼觀看自由立體顯示器,，自由立體顯示器將三維顯示視覺信息反饋給觀察者。

圖4  人-機(jī)行為分析

人們?cè)谝曈X信息的獲取過程中,，視覺對(duì)運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)是一個(gè)非常奇特的現(xiàn)象：一方面人眼的視網(wǎng)膜具有視覺暫留的特性,，另一方面人眼又對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體極其敏感；同時(shí)頭部結(jié)構(gòu)又給人眼提供了一個(gè)非常穩(wěn)定的平臺(tái),，使人能夠在相當(dāng)顛簸的狀態(tài)也能獲得較穩(wěn)定的視覺,。概括來說就是，人們既能在物體靜止時(shí)獲得穩(wěn)定的視覺,，又能在物體移動(dòng)時(shí)獲得穩(wěn)定的視覺,。這種矛盾現(xiàn)象說明人的視覺信息獲取過程是一個(gè)非常穩(wěn)定而快捷的控制過程。對(duì)于自由立體顯示來說,，理想的獲取三維視覺信息就是,，在人們靜止時(shí)系統(tǒng)能提供穩(wěn)定的三維立體場(chǎng)景。

5 總結(jié)

我們根據(jù)人機(jī)交互分析,，需要保證以下三個(gè)方面：一要確保三維立體環(huán)境顯示的逼真性問題,，即立體顯示問題；二是由于算法和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換原因引起立體圖像顯示中實(shí)體位置的誤差問題,。三是由于自由立體顯示的應(yīng)用目的不同,、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)手段不同,，會(huì)涉及到不同領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),。

就三維立體圖像的生成本身而言，有三維立體圖像的生成算法,、自由立體顯示的軟硬件支持環(huán)境,、自由立體顯示方式等問題。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供視覺的真實(shí)性,，也就是提供三維立體環(huán)境以再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的能力,，影響著整個(gè)自由立體顯示系統(tǒng)的效果評(píng)價(jià),。人與三維立體環(huán)境之間的交互可以根據(jù)視差感知信息流動(dòng)的方式和渠道進(jìn)行歸納總結(jié)。在視差感知的幫助下,，可以將人一機(jī)交互過程的結(jié)果傳遞給人,，從而影響人的思想決策，研究人員通過對(duì)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析,、歸納,、總結(jié)。在以后的自由立體顯示的技術(shù)實(shí)現(xiàn)中,，充分考慮人機(jī)交互的因素,，最終達(dá)到人們完美獲取真實(shí)三維立體顯示的環(huán)境。