視差自由立體顯示中的視差生成元件參數(shù)的設(shè)定

1視差自由立體顯示的莫爾條紋消除技術(shù)由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3d顯示技術(shù)在20世紀(jì)末成為世界照明技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，三維顯示技術(shù)主要有三種：三維體育圖技術(shù)、全局顯示技術(shù)和三維視差顯示技術(shù)[9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20]。其中體三維顯示技術(shù)和全息顯示技術(shù)受限于應(yīng)用和現(xiàn)有技術(shù)的限制,一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在20世紀(jì)90年代,數(shù)字設(shè)備的發(fā)展引發(fā)了基于液晶技術(shù)的屏板顯示的廣泛應(yīng)用,它成為了基于雙目視差的自由立體顯示迅速發(fā)展的催化劑。目前國(guó)內(nèi)外已有很多原理樣機(jī)及產(chǎn)品推出。視差自由立體顯示是現(xiàn)今技術(shù)最為成熟的三維顯示技術(shù),通常是由液晶顯示器(LCD)與一維或者二維分光元件(即視差生成光學(xué)元件)耦合而成的,應(yīng)用最為廣泛的視差自由立體顯示分光元件有視差障柵、柱透鏡陣列和二維微透鏡陣列。LCD的像素排列具有周期性,同時(shí)分光元件也具有周期性,因此二者耦合的視差自由立體顯示器會(huì)不可避免的產(chǎn)生莫爾條紋,這種現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)則會(huì)影響立體圖像像質(zhì)。因此,視差自由立體顯示的莫爾條紋消除是非常必要的,一般有2種途徑來(lái)消除莫爾條紋:避免莫爾條紋產(chǎn)生和莫爾條紋最小化。針對(duì)視差自由立體顯示中的莫爾條紋消除技術(shù),本文對(duì)于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及方法分別進(jìn)行闡述和討論。2視覺(jué)圖像的組成視差自由立體顯示是以一維或二維光柵作為分光元件,對(duì)原始圖像的光線傳播的路徑進(jìn)行一定方向的控制,使觀察者的左右眼觀看到不同的視差圖像,從而根據(jù)雙目視差原理產(chǎn)生立體圖像感知。根據(jù)視差類型又可分為橫向視差自由立體顯示和全視差自由立體顯示?，F(xiàn)今橫向視差自由立體顯示的分光元件主要是視差障柵和柱透鏡陣列,全視差自由立體顯示的分光元件主要是二維微透鏡陣列。下面介紹基于這3種分光元件的視差自由立體顯示原理。2.1d顯示的偶奇列像素視差障柵在2D顯示屏與觀察者之間,由于視差障柵不透光部分的遮擋,觀察者的左眼只能看到顯示屏的奇(偶)列像素,而右眼只能看到顯示屏的偶(奇)列像素,如果2D顯示屏的圖像源也經(jīng)過(guò)了相應(yīng)的奇偶像素處理,則此時(shí)觀察者雙眼接收到了視差立體圖像對(duì),由此產(chǎn)生了深度感知。原理圖如圖1所示。圖中:i為2D顯示屏像素大小,b為障柵狹縫間的距離,g為障柵和2D顯示屏之間的距離,z為人眼和LCD的距離,e模擬人眼約為65mm。由相似三角形得式如下:2.2基于柱透鏡陣列的多視線視差三維顯示技術(shù)柱透鏡陣列與視差障柵類似,同樣具有使奇偶視差圖像分別投射到左右眼視區(qū)的作用,對(duì)于基于柱透鏡陣列的多視點(diǎn)視差三維顯示技術(shù),如圖2所示。圖中:i為2D顯示屏亞像素大小,f為柱透鏡焦距,l為柱透鏡陣列節(jié)距大小,z為人眼到2D顯示屏的最佳觀察距離,e為模擬人眼視窗,約為65mm,Nv為觀察視點(diǎn)數(shù),由三角關(guān)系可得:2.3圖1:美國(guó)專家系統(tǒng)中國(guó)下的使用全視差自由立體顯示利用微透鏡陣列對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行記錄和再現(xiàn)。它包含記錄和再現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程,其基本原理如圖3所示。記錄過(guò)程就是通過(guò)記錄微透鏡陣列對(duì)物空間場(chǎng)景成像,從而獲得空間場(chǎng)景多方位視角的視差圖像,而再現(xiàn)過(guò)程是把記錄的全視差圖像放在具有同樣參數(shù)的微透鏡陣列的相同位置處,根據(jù)光路可逆原理可知,再現(xiàn)微透鏡陣列把全視差圖像透射出來(lái)的光線聚集還原,則在有限的視角內(nèi)從任意方向可以觀看到這個(gè)重建像。2.4多層光柵疊加算法為了消除打印技術(shù)中的莫爾條紋,瑞士科學(xué)家IsaacAmidror提出了莫爾條紋的最小化概念(moiréminimization)。打印技術(shù)是依靠多層顏色依次打印疊加完成彩色打印的,由此彩色打印術(shù)可以看成多層光柵的疊加,因此在打印過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)預(yù)料之外的莫爾條紋影響打印質(zhì)量。根據(jù)傅里葉分析可知,一個(gè)非余弦光柵的傅里葉展開存在無(wú)窮項(xiàng),所以多層光柵疊加會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮項(xiàng)傅里葉頻譜項(xiàng),然而在打印術(shù)中占有主導(dǎo)地位的只有有限的幾個(gè)組項(xiàng)。通過(guò)調(diào)節(jié)光柵的傾角和周期,保證占有主導(dǎo)地位的傅里葉頻譜項(xiàng)對(duì)應(yīng)的莫爾條紋不能被人眼看到(即在頻域內(nèi),這幾組頻率在可見范圍圓之外),這樣就消除了彩色打印術(shù)中的莫爾條紋,實(shí)現(xiàn)了莫爾條紋的最小化。IsaacAmidror建立多層光柵疊加的數(shù)學(xué)模型,由于傅里葉級(jí)數(shù)會(huì)隨著階數(shù)而迅速減小,因此只考慮3階以內(nèi)的傅里葉級(jí)數(shù),并用編程方法在頻域找到落在人眼可視范圍圓(visibilitycircle)的組項(xiàng),再找到各個(gè)條紋的平衡點(diǎn)。具體步驟如下:(1)從無(wú)窮個(gè)頻率項(xiàng)中篩選出一些有可能成為可見莫爾條紋的頻率(危險(xiǎn)頻率dangerousfre-quency)。(2)對(duì)于多層光柵疊加,遍歷這個(gè)多維空間,使得危險(xiǎn)頻率落在可見范圍圓(visibilitycircle)之外。(3)對(duì)比步驟2找到的一些頻率,找到最好的光柵參數(shù)狀態(tài),并通過(guò)仿真保證沒(méi)有高頻莫爾條紋存在。(4)最終確定最優(yōu)的光柵參數(shù)。莫爾條紋最小化分析的算法原理是,找到一個(gè)點(diǎn)使得人眼不能看到所有的危險(xiǎn)頻率的條紋,而且在這個(gè)點(diǎn)上,所有的危險(xiǎn)頻率處于一個(gè)平衡點(diǎn),即對(duì)于人眼觀看具有相同的主導(dǎo)地位。3莫爾條紋的消除當(dāng)周期或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋,莫爾技術(shù)在應(yīng)力分析、莫爾計(jì)量術(shù)和莫爾輪廓術(shù)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。然而在圖像成像領(lǐng)域,我們不希望莫爾條紋出現(xiàn)。現(xiàn)今流行的視差自由立體顯示器由LCD和具有周期結(jié)構(gòu)的分光元件組成,LCD像素排列通常為縱橫規(guī)則排列,如圖4所示,彩色顏色矩陣和黑矩陣交錯(cuò)縱橫周期排列,因此三維顯示中也會(huì)出現(xiàn)莫爾條紋,這會(huì)降低三維顯示圖像的質(zhì)量。通常有3種途徑來(lái)消除莫爾條紋:避免莫爾條紋產(chǎn)生、莫爾條紋最小化和圖像處理去除莫爾條紋。視差自由立體顯示消除莫爾條紋采用前2種途徑。下面對(duì)這兩種莫爾條紋消除技術(shù)在視差自由立體顯示中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。3.1基于吸收法的視差自由立體閱讀器避免莫爾條紋是視差自由立體顯示技術(shù)初期采用的一種途徑,這種方法主要通過(guò)改變LCD的周期性排列屬性,使其與視差分光元件的結(jié)構(gòu)相似性降低。kazukiTaira等人針對(duì)橫向視差自由立體顯示,在LCD加上一個(gè)馬賽克式的彩色濾波裝置(mosaiccolorfilterarrangement),從而降低其像素周期性排列特性,使得LCD和視差分光元件的結(jié)構(gòu)相似性降低,如圖5所示。這種方法有很好的顯示效果,但由于要對(duì)LCD進(jìn)行亞像素級(jí)操作,難度較大,難以商業(yè)化,因此這種成本較高的方法僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。MakotoOkui等人針對(duì)基于柱透鏡陣列和二維微透鏡陣列的視差自由立體顯示器,采用2種低通光學(xué)濾波器:散射和離焦。散射低通光學(xué)濾波如圖6,離焦則是通過(guò)調(diào)整透鏡與二維顯示屏的距離實(shí)現(xiàn)。通過(guò)散射和離焦,使得莫爾條紋變得模糊,從而使得條紋對(duì)比度降低。然而這種方法在模糊莫爾條紋的同時(shí),也使得立體圖像質(zhì)量下降。另外,為了消除視差自由立體現(xiàn)實(shí)中的由RGB彩色矩陣產(chǎn)生的彩色莫爾條紋,R.Borner把LCD旋轉(zhuǎn)90°消除彩色莫爾條紋,但這同時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)由于黑矩陣而產(chǎn)生的黑白莫爾條紋。3.2莫爾條紋的同化分析為了消除打印技術(shù)中的莫爾條紋,瑞士科學(xué)家IsaacAmidror提出了莫爾條紋的最小化(moiréminimization)分析概念。對(duì)于多層光柵疊加,通過(guò)莫爾條紋最小化分析可以找到合適的光柵參數(shù),使得占主導(dǎo)的莫爾條紋細(xì)到人眼不可辨的程度。3.2.1柱透鏡陣列和東南角現(xiàn)在的視差自由立體顯示器多通過(guò)調(diào)整分光元件的節(jié)距和相對(duì)LCD的傾角,使條紋變細(xì)到人眼不能感知。首先提出并應(yīng)用的是Philips研究實(shí)驗(yàn)室的CeesvanBerkel,針對(duì)基于柱透鏡陣列的視差自由立體顯示,通過(guò)柱透鏡陣列和LCD形成一定的角度,如圖7所示。這種方法削弱了左右視區(qū)交界的黑條紋對(duì)比度,使得交界黑線不明顯。此外,這種像素排列方法,使得水平和豎直方向的像素均降低,圖像比例變形問(wèn)題減弱。通過(guò)實(shí)驗(yàn),CeesvanBerkel得出莫爾條紋最小時(shí)對(duì)應(yīng)的視點(diǎn)數(shù),如圖8所示?？芍?視點(diǎn)數(shù)為4和9時(shí),莫爾條紋最小;視點(diǎn)數(shù)為3和6時(shí),莫爾條紋最大。CeesvanBerkel給出了符合實(shí)際工程需求的莫爾條紋最小化結(jié)果,但并未給出相應(yīng)的理論計(jì)算和證明。3.2.2實(shí)驗(yàn)分析與理論研究進(jìn)展2009年,YunheeKim等人針對(duì)三維集成成像進(jìn)行了彩色莫爾條紋仿真,通過(guò)建立相應(yīng)的多層光柵疊加模型,得出二維微透鏡陣列傾斜不同角度的莫爾條紋仿真圖,如圖9所示。YunheeKim通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行傅里葉頻譜分析,得出一定條件的莫爾條紋最小化結(jié)果,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真和分析的有效性。同時(shí),天馬微電子股份有限公司的朱燕林等人對(duì)光柵式自由立體顯示器中莫爾條紋的形成規(guī)律進(jìn)行研究,建立了一套簡(jiǎn)化的分析模型,深入研究了BM(BlackMatrix)的節(jié)距、觀察距離、光柵傾斜角度對(duì)莫爾條紋的走向及其節(jié)距的影響,并進(jìn)行了理論推導(dǎo)與試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,該理論能有效地揭示莫爾條紋的形成機(jī)理與形成規(guī)律。上述方法主要還是以光柵疊加仿真為主,再根據(jù)仿真莫爾條紋變化趨勢(shì),找出莫爾條紋最小變化時(shí),分光元件的參數(shù)變化趨勢(shì)。3.2.3不同視差自由立體顯示的特性VladimirV.Saveljev針對(duì)基于二維微透鏡陣列的視差自由立體顯示系統(tǒng),通過(guò)假設(shè)和近似,把上述系統(tǒng)看做4層黑白光柵的疊加,進(jìn)一步可以簡(jiǎn)化為4層余弦光柵的疊加,其中LCD簡(jiǎn)化為兩個(gè)相互垂直且同頻的余弦光柵疊加,同樣,二維微透鏡陣列簡(jiǎn)化為兩個(gè)相互垂直且同頻的余弦光柵的疊加,4層余弦光柵疊加的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:其中前兩項(xiàng)因子代表LCD等效光柵,后兩項(xiàng)代表二維微透鏡陣列等效光柵。把式(3)利用積化和差展開成41項(xiàng)波數(shù),因?yàn)椴〝?shù)和莫爾條紋的周期成反比,經(jīng)分析最小項(xiàng)為:通過(guò)分析可得,當(dāng)二維微透鏡陣列傾角為26.261°時(shí),人眼觀察莫爾條紋最不明顯。VladimirV.Saveljev對(duì)全視差自由立體顯示建立了簡(jiǎn)化的四層余弦光柵疊加模型,并通過(guò)分析計(jì)算,給出了莫爾條紋不明顯的解析條件。通過(guò)序數(shù)方程方法和傅里葉分析方法的一致性分析,長(zhǎng)春光機(jī)所課題組分別對(duì)橫向視差自由立體顯示和全視差自由立體顯示進(jìn)行分析,并在圖像域,直觀的給出分光元件參數(shù)變化的物理意義。首先對(duì)于基于視差障柵的橫向視差自由立體顯示系統(tǒng),它可以看成三層黑白光柵疊加,根據(jù)傅里葉頻譜理論可知,3個(gè)黑白光柵的透過(guò)率函數(shù)的傅里葉分析如下:則三層光柵疊加后的透過(guò)率函數(shù)為:可知T(x,y)包括無(wú)窮多項(xiàng),直接分析比較困難,這里我們引入一種特定輻射光柵模型來(lái)等效周期和傾角逐漸變化的視差障柵,其與LCD等效黑白光柵的疊加圖如圖10所示,通過(guò)圖10的條紋趨勢(shì)分析,并利用傅里葉理論和序數(shù)方程方法的一致性,計(jì)算出3種疊加狀態(tài):異常莫爾狀態(tài)(singularmoiréstate)、過(guò)渡狀態(tài)(transitionstate)和穩(wěn)定莫爾自由狀態(tài)(stablemoiréfree-state)。對(duì)于全視差自由立體顯示系統(tǒng),它可以看成四層黑白光柵疊加,這里我們引入一種特定輻射網(wǎng)格光柵模型來(lái)等效周期和傾角逐漸變化的二維分光元件,如圖11。其與LCD等效黑白光柵的疊加圖如圖12所示。通過(guò)類似的分析計(jì)算,可得出3種疊加狀態(tài),其中穩(wěn)定莫爾自由狀態(tài)和VladimirV.Saveljev工作的26.57°相一致。4圖像分析模型。主要有自液晶顯示屏技術(shù)迅速發(fā)展以來(lái),視差自由立體顯示逐漸成為研究熱點(diǎn),現(xiàn)在已有多種基于視差自由立體顯示理論的原理樣機(jī)或產(chǎn)品。然而通過(guò)以上介紹可知,現(xiàn)在關(guān)于視差自由立體顯示中莫爾條紋消除的研究很少,我們認(rèn)為有3個(gè)原因:(1)避免莫爾條紋產(chǎn)生的方法成本太高,且影響三維圖像質(zhì)量,不符合市場(chǎng)規(guī)律;(2)莫爾條紋最小化是現(xiàn)今最常用的方法,然而分光元件只有節(jié)距和傾角兩個(gè)變量,研究者可以通過(guò)遍歷這兩個(gè)參數(shù)的變化,找出莫爾條紋最不明顯的參數(shù)區(qū)間,正如Philips實(shí)驗(yàn)室前期的工作,雖然未給出解析解,但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果已滿足使用需求;(3)視差自由立體顯示是當(dāng)今市場(chǎng)熱點(diǎn),出于保密和商業(yè)利益的考慮,相關(guān)研究成果未發(fā)布?，F(xiàn)今視差自由立體顯示的分光元件主要為一維和二維光柵,VladimirV.Saveljev和我們的研究對(duì)其給出了詳細(xì)的研究,并給出了不產(chǎn)生影響圖像的莫爾條紋的條件,這一結(jié)論對(duì)Philips實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了直觀地理論解釋。根據(jù)視差自由立體顯示原理可知,分光元件必定是具有周期性的,視差自由立體顯示的一個(gè)發(fā)展方向即為分光元件的變化,比如正六邊形周期排列的蠅眼透鏡陣列,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)新的莫爾條紋情況,其分析過(guò)程同樣可以依據(jù)IsaacAmidror莫爾最