第1章3D感知心理學1.1雙目視覺或人類立體視覺2D圖像

內(nèi)容提要1.1雙目視覺或人類立體視覺1.2調(diào)節(jié)和視差的失配及焦深、景深1.3視差的距離定標1.4兩眼間的串擾1.5深度感知的心理學效應1.6高級感知因子3D圖像左眼視圖右眼視圖深度感(DepthPerception)

觀察2D圖像時獲得的心理上的立體感的視覺效果。嘗試采用cross-eye技術觀看side-by-side立體圖像、立體視頻。

視頻1：練習。

視頻2：體驗。

下載地址：/watch?v=zBa-bCxsZDk&noredirect=1雙眼單視界圓M視差：物點在視網(wǎng)膜上的像點與中央凹的距離，用角度表示定量立體視覺比雙眼單視界圓更近的點則具有交叉視差

比雙眼單視界圓更遠的點則具有非交叉視差

在視覺生理中，人類雙眼單視的基礎理論是：(1)視界圓上的物體，由于刺激作用到雙眼視網(wǎng)膜的對應點上，則產(chǎn)生單一的視覺。(2)當注視視界圓周內(nèi)外物體時，雖然沒有落在雙眼視網(wǎng)膜的對應點上，但兩個視網(wǎng)膜上的像仍落在雙眼融合的范圍，視網(wǎng)膜對應點附近的這個很小的范圍叫作Pamum融合區(qū)。即只要是落在Pamum融合區(qū)內(nèi)的物體，不論是在雙眼視網(wǎng)膜對應點上還是在非對應點上均能產(chǎn)生雙眼單視。Pamum融合區(qū)當物體從雙眼單視界圓向眼睛靠近時，在距離眼睛大約2

m或者更近處，最終失去定量立體視覺。圖像融合不再有效，出現(xiàn)了兩幅圖像，稱為“復視”。由于視差過大，眼睛試圖調(diào)節(jié)，并分別感知物體及其背景。大腦無法成功地抑制背景信息。另一方面，物體距離雙眼單視界圓越遠，視差越?。灰驗檠矍蚓w的軸更接近于平行。最后，在超出10m左右的距離處，無法分辨微小視差之間的差異，深度信息丟失。這與我們無法估計太遠處物體的深度差異的現(xiàn)象是一致的。

視差過大（復視）及視差過?。ㄉ疃刃畔G失）空間頻率每度視角內(nèi)圖象或刺激圖形的亮暗作正弦調(diào)制的柵條周數(shù)，單位是周/度。人眼視覺系統(tǒng)特性對于空間頻率2～20周/度（cycles/degree）的感知，視差的總范圍大約為80弧分（arcmin）；對于約0.1周/度的低空間頻率的感知，大約為8弧度（arcdegree）。這意味著低的空間頻率比更高的空間頻率提供的視差較大。因此，低的空間頻率與較高的空間頻率相比，視差的敏感度更高。同樣的事實也適用于圖像中亮度的時間頻率，頻率越低，視差敏感度越高。例如：電影的幀頻一般為24fps，人眼對于超過24Hz的亮度變化無法感知。立體視銳度Dmin：最小仍然可辨認的視差在2～20周/度的空間頻率范圍內(nèi)為20弧秒（arcsec）。最大可感知視差Dmax：對于低空間頻率為40弧分。立體感異常(Stereoanomaly)雙眼競爭(binocularrivalry)

是指進入左眼和右眼中的圖像在我們感覺中交替呈現(xiàn)的一種視覺現(xiàn)象。在同一時刻，給兩只眼睛呈現(xiàn)差異很大的兩幅圖像，就會發(fā)現(xiàn)我們感覺到的并不是這兩幅圖像的合成，而是一會呈現(xiàn)一只眼睛的圖像，一會又呈現(xiàn)另外一只眼睛的圖像，這種感覺不停的交替呈現(xiàn)。雙眼競爭(binocularrivalry)一個人觀看具有較大視差或者具有雙眼未配準或失真的立體顯示時，發(fā)生了兩個眼睛的圖像沒有融合的情況。一只眼睛抑制了另一只眼睛的視覺活動。不是兩個圖像融合成一個結合的意識的知覺，而是一個形象主導意識的感性交替，而其他被抑制;兩個圖像，通常每隔幾秒鐘交替感知。這感性的現(xiàn)象被稱為雙眼競爭。

Pulfrich現(xiàn)象

1922年，德國物理學家CarlPulfrich發(fā)現(xiàn)了人眼的一個奇異生理現(xiàn)象，即當一個用繩子懸吊的重擺在一個平面內(nèi)作往復擺動時，如果用一塊茶色鏡遮住一個眼睛，我們看到的這個運動擺的軌跡就會從單擺軌跡變?yōu)闄E圓形軌跡，如果右眼戴濾光片，擺球的運動看起來是逆時針的，如果左眼戴濾光片，則是逆時針的。一只眼睛被濾光片遮蓋，使圖像變暗，暗圖像的處理相對于亮圖像存在延遲。當觀察者與物體存在相對移動時，導致視差誤差。但是，它也可以用來提供一個深度線索。1.2調(diào)節(jié)和視差的失配及焦深、景深調(diào)節(jié)(accomodation)

眼睛為了使不在焦平面上的物體能夠在視網(wǎng)膜上也能清晰成像，眼球根據(jù)所觀察物體的位置通過改變晶狀體的曲率調(diào)整屈光力。1.2調(diào)節(jié)和視差的失配及焦深、景深輻輳(Vergence)，聚合(Convergence)，發(fā)散(Divergence)

物體較近，眼球向內(nèi)翻轉；物體較遠，眼球會向外，與視差相關。調(diào)節(jié)（位置）和輻輳（視差）的失配

眼睛采用與視差相關的輻輳來適應這兩幅圖像，視差刺激大腦中的深度知覺。另一方面，屏幕上點的位置也傳達深度信息，即為眼睛到屏幕不變的距離。這兩個深度的細節(jié)是矛盾的，并且被稱為調(diào)節(jié)與輻輳或視差的失配。這可能會導致觀眾不舒適，表現(xiàn)為眼睛疲勞、視力模糊或有輕微頭痛。調(diào)節(jié)（位置）和輻輳（視差）的失配焦深和景深

景深F是一般指相機對焦點前后相對清晰的成像范圍，這里是指眼睛可以清晰成像的范圍。焦深T（屈光度，diopter）為保持被攝物體的影像相對清晰，允許成像器件向某個方向的縱深調(diào)節(jié)的離焦量，稱為焦深。用透鏡成像公式考慮焦深的物理意義焦深和景深的詳細說明20/25Snellen視力符號表圖案離焦程度與視覺分辨率之間的關系影響3D觀看的因素正確視覺分辨率越高，焦深寬度越小。對于50%的正確視覺分辨率，焦深具有0.66屈光度的寬度；而對于99%的正確視覺分辨率，寬度縮小到0.38屈光度。近端模糊增加10%的視覺分辨率，焦深大約縮小0.06屈光度。在99%水平線處的焦深是離焦模糊的一個重要的值，在此處的視覺分辨率開始降低。亮度越大，瞳孔的直徑越小。在0.03cd/m2時，直徑為6mm；在30cd/m2時，直徑為3

mm；在300

cd/m2時，直徑僅為2

mm。瞳孔的直徑線性下降與亮度的對數(shù)增加有關。直徑減少1

mm，焦深增加0.12屈光度。物體增大0.25弧分，焦深增加0.35屈光度。2弧分的物體大小，其焦深達到2屈光度。1.3視差的距離定標立體顯示將提供深度間隔d0

在分母中的“+”號適用于交叉視差，“

”號適用于非交叉視差。D為觀眾與物體之間的常規(guī)距離，S為左視圖和右視圖之間的間隔，b為瞳距。1.4兩眼間的串擾(InterocularCrostalk)

視圖信息從一只眼睛泄露到另一只眼睛稱為串擾，串擾常常嚴重地損傷感知圖像的質(zhì)量，而且影響兩幅圖像的融合。對于空間復用方法，如柱狀透鏡陣列或者視差障柵。柱狀透鏡具有彩色像差，而由于圖像內(nèi)容泄漏到錯誤的眼睛，視差障柵將產(chǎn)生衍射。補救方法是將像差和衍射限制到最小。對于時間復用方法，串擾的發(fā)生是由于顯示殘留，其中一只眼睛視圖的圖像內(nèi)容在下一幀眼睛接觸到新的視圖時仍然可以看得見。補救方法是選擇高的幀速率，使視覺系統(tǒng)將這些在神經(jīng)末梢區(qū)域的間歇信息整合起來。1.4兩眼間的串擾(InterocularCrostalk)

運動圖像的邊緣模糊引起的串擾。模糊在液晶顯示器（LCD）和有機發(fā)光二極管顯示器（OLED顯示器）中都可以發(fā)生。為了減小以至于避免在3D顯示器中的串擾，必須減少模糊的寬度n。減小模糊邊緣寬度（BEW）的方法。顯示的亮度衰減特性可以表示為LCD的保持性質(zhì)的分段近似提高幀頻可以減小模糊寬度，從而減小兩眼間的串擾，這一結果可以應用到實際系統(tǒng)中。1.5深度感知的心理學效應單眼深度線索（monoculardepthcues）1.6高級感知因子雙目視差信息可能提供了幾英寸的深度感知，而線性深度知覺和紋理視覺感知信息能傳遞與足球場一致的幾十碼的深度。觀眾長時間受到這種沖突會抱怨不舒適。心理學家對此進行解釋，假設人類的推理基于兩種操作模式：在分析系統(tǒng)和直覺系統(tǒng)中的活動。分析系統(tǒng)允許有意識地基于規(guī)則的推理，而直覺系統(tǒng)是基于情景模式的識別。

物體的運動引起的深度知覺。注視點為F，當觀眾向右運動時，注視點F后面的靜止物體被感知為向右運動，而在F前面的靜止物體被感知為向左運動，從而產(chǎn)生深度信息。運動視差與雙眼視差的沖突在單視場的立體顯示器和自由立體顯示器中沒有全運動視差，這一事實是造成觀眾大腦混亂引起不適的原因。在多視場立體顯示器和自由立體顯示器中，從幾個特定的觀看位置，可以檢測到一定的運動視差，這種不舒適感就消失了。結束第2章立體3D顯示器主講教師：余宏生教授目錄2.1立體顯示器與區(qū)域復用2.2聯(lián)合區(qū)域分割復用和時間分割復用的3D顯示器2.3時序立體顯示器2.4立體顯示的特殊方法2.5立體投影儀2.6AMOLED和AMLCD的隔行尋址、同時尋址及逐行尋址2.7相位差膜和分束器的光導校準重點區(qū)域分割復用方法時間分割復用方法線偏振圓偏振偏振眼鏡快門眼鏡2.1立體顯示器與區(qū)域復用2.1.1產(chǎn)生偏振的相位差片采用正交線偏振與圖形化相位差片的立體顯示器行方向的不同圖像按行交替，右眼表示為R，左眼表示為L。行具有常規(guī)TV圖像的全分辨率，所以，在行中可實現(xiàn)高清晰度（HD）或全高清晰度（FHD），而列必須顯示兩個視圖，每一個視圖具有TV圖像分辨率的一半。微相位差膜使偏振方向對于右眼旋轉

/2，它與

/2的延遲對應，其中

是波長，左眼圖像沒有旋轉。現(xiàn)在，這兩幅圖像具有交叉偏振。因此，線偏振的兩個平面是正交的，并被觀眾同樣的正交偏振眼鏡所接收。假如偏振平面不完全正交，那么在錯誤的眼睛里會存在引起串擾的部分亮度。如果觀眾的頭部向側面傾斜，由顯示發(fā)出的偏振軸與眼鏡的偏振軸不再重合，這也導致雙眼串擾，這種效應限制了頭部的靈活性。

利用理論推導說明：光進入相位差片之后，其電場強度分量Ex(t,z)和Ey(t,z)在z方向上傳播時，如何得到分別傳播左右視圖的兩個正交的偏振光。（1）如何確定相位差片的厚度？（2）入射光的入射角選擇為多少？推導過程采用有Ex和Ey對所有時間t的總和位于一條直線上；光是線偏振，并只在這條線振蕩。這種情況出現(xiàn)于則有或者當Ax

=

Ay時，兩個偏振平面之間的夾角為

/2

相位差片的厚度相位差片的厚度由Ax

=

Ay可知，線偏振光的入射角為

=

/4。左旋和右旋圓偏振光的3D眼鏡對相位差片的要求：對于兩個

值，偏振片的厚度z0，及相位差表示右旋圓偏振。，及相位差表示左旋圓偏振。相位差片的圓偏振的另一個條件是Ax=Ay，使得

=/4。使用圓偏振代替線偏振具有左旋和右旋圓偏振的立體顯示器

左眼視圖

=

/4

/23

/4

/43

/4

右眼視圖

=

/40

/4

/4

/4

/2線偏振光延遲偏振角延遲相位差相位差全

/4板左旋圓偏振光右旋圓偏振光圓偏振與線偏振的比較圓偏振對頭部傾斜不敏感，因為眼鏡在每個位置會遇到相同的圓偏振光。避免因顯示內(nèi)容本身不完善引起的正交偏振光的泄漏。圓偏振方法的視場角比線偏振的寬，因為圓偏振不會出現(xiàn)相位差隨視場角變化的現(xiàn)象。圓偏振需要三個相位差膜，而線偏振只需要一個。2.1.2處理第二幅視圖的線柵偏振器高導電率光柵組成的線柵偏振器（WGP）的結構如果導線是開路的，它們將光的輸入電場強度E平行于柵格的分量反射，而使垂直于柵格的分量通過。通過的線偏振光的偏振方向垂直于導線。如果導線是短路的，當電流流過時，與導線平行的E分量會被清除；同時，只保留垂直的分量。對基板的邊緣傾斜的WGP的SEM圖像通過的線偏振光的偏振方向垂直于導線。柵格不必平行于基板的邊緣，那么采用WGP可以獲得不同偏振度的偏振光。采用4片WGP的立體顯示器左、右眼行陣列由非偏振背光提供照明。奇數(shù)行具有45°角的WGP1，而偶數(shù)行具有135°角的WGP2。這種交叉線偏振光通過常規(guī)LCD以及作為接收端的偏振器的TNcell（扭曲向列相液晶單元）或VAcell（垂直對齊單元）之后，對每個行旋轉90°；奇數(shù)行具有135°角的WGP3，偶數(shù)行具有45°角的WGP4，所以，每對行表示正交偏光片的一個TN單元。線偏振方案頭部傾斜導致成直角的偏振光與鏡片的交叉偏振不匹配缺點：圓偏振方案非偏振的背光通過常規(guī)的45°偏光片進入兩個視圖的行陣列，通過LCD后，它穿過135°WGP。輸出WGP的光與180°夾角為45°，滿足光進入相位差片的45°要求，以變換為右旋和左旋圓偏振光，如式（2.20a，b）所述。從相位差為

/4的相位差片，我們獲得右旋圓偏振光，相位差為3

/4時，得到左旋圓偏振光。光被觀眾的左旋和右旋圓偏振眼鏡所接收。2.1.3具有兩個LCD顯示器的立體顯示雙層立體LCD兩個LCD表面彼此緊貼放置，其中每個像素被雙重使用，同時傳輸右眼和左眼視場的亮度和顏色。這樣左眼、右眼都可以獲得全分辨率。背面一個LCD通過非偏振的背光采光。需要準確地將偏振定位于平行于一只眼鏡的偏振方向，這就要求所有逐個像素的偏振方向的旋轉都要精確。這是不容易實現(xiàn)的，需要精確的像素電壓。采用交叉偏振眼鏡的動態(tài)偏振由LC面板1處理的所有圖像是45°偏振。LC面板2將具有黑色插入的左眼圖像改變到135°偏振，它被左眼鏡同樣的偏振接收。右圖像45°偏振通過LC面板2毫無改變，并被右眼鏡45°偏振所接收。緊挨著兩幅圖像的黑色插入在圖2.18的兩個面板中，限制了串擾，因為沒有光從黑色插入滲漏。采用交叉偏振眼鏡的動態(tài)偏振流程圖采用快門眼鏡的動態(tài)偏振使用快門眼鏡替代偏振光眼鏡。整個處理過程中，偏振保持45°。當左眼應該感知圖像時，左眼鏡呈現(xiàn)45°偏振；否則，它們轉換以阻擋光線。對于右眼，其工作原理相反。采用快門眼鏡的動態(tài)偏振流程圖2.2聯(lián)合區(qū)域分割復用和時間分割復用的3D顯示器兩個視圖由電視屏幕的左、右一半組成，所以，兩個圖像的水平分辨率是只有FHDTV的一半，而在垂直方向上，與以前的方案相反，得到全TV分辨率。這兩個圖像不同時顯示，但按照時序顯示，佩戴按時序工作的眼鏡進行觀看?？捎贸潆姇r間與幀速率首先將聯(lián)合區(qū)域分割和時間分割方法要解決的問題進行概括：（1）采用目前的TFT非晶硅技術，電容器在一行中以Tr=3.79ms充電是不可能的。因此除了要獲得180°可視角度之外，有必要開發(fā)一種并行處理快速充電方案。（2）視頻攝像機在60Hz的一幀里提供兩個半幅圖像。對于圖2.21的240Hz幀，必須得到60Hz圖像的三個插值。兩個半幅圖像之間的接口必須由運動矢量控制。（3）兩個圖像都必須按時序顯示。（4）圖2.22的快門眼鏡必須也按時序接收圖像，通過切換鏡頭，觀看右圖時右眼透明，而左鏡頭被阻斷；對于左圖像，反之亦然。（1）快速充電方案：CS-SPVA方法CS代表電荷共享，SPVA代表超級陣列垂直排列液晶單元一個像素被細分成兩個子像素，具有區(qū)域A和B及不同電壓VA和VB。子像素擁有

曲線和總的近似亮度It≈AVA+BVB，它應該等于ILCreq

亞像素電壓VA和VB的尋址電路及像素矩陣1.柵極電壓激活TFT1，TFT22.數(shù)據(jù)列為子像素A和B充電至電壓VA3.CSn激活TFT3，使亞像素B的電容向Cdown部分放電，VB<VA每一列具有兩根數(shù)據(jù)線，在每個時間間隔內(nèi)，兩個電壓以并行信號處理方式工作門電壓Gn和Gn+1同時工作，通過緊鄰像素左側和右側的數(shù)據(jù)線，給最前面兩行的兩個像素的電容充電。這意味著，在門電壓的一個時間間隔給兩行充電，使充電時間加倍。（2）采用240Hz幀頻幀速率轉換器（FRC）產(chǎn)生240HzFHD插值流，兩幅圖像在中心線的痕跡必須被抑制。LVDS接口是LCDPanel通用的接口標準，LVDS接口又稱RS-644總線接口，一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術。LVDS即低電壓差分信號。時間控制器（TCON）以及高級板內(nèi)接口（AiPi）（3）兩個圖像都必須按時序顯示。

（4）快門眼鏡必須也按時序接收圖像

2.3時序立體顯示器2.3.1采用有源相位差膜的時序顯示如果開啟相位差膜上的電壓Von，那么它不會改變由顯示發(fā)出的圖像的偏振方向；但是如果電壓關閉，它將偏振方向改變90°。如果發(fā)出奇數(shù)幀圖像，且開啟相位差片上的電壓，圖像通過相位差片時不改變偏振方向，能夠通過右邊的眼鏡，但是不能通過左邊眼鏡。如果發(fā)送偶數(shù)幀，而且相位差膜上的電壓關閉，則偏振方向改變90°，只能通過左邊眼鏡。2.3.2采用OCBLCD的快速時序3D顯示器采用圖像OCB單元和快門眼鏡的時序3D的原理左、右眼圖像序列的顯示和快門眼鏡都使用快速的OCB單元。閃爍背光將圖像顯示的時間分割，并通過快門眼鏡觀看，所以泄漏到錯誤視場的光大大減小。寬屏擴展圖形陣列（WXGA）是一種分辨率為1280x768、縱橫比為15:9的XGA格式光學補償彎曲（OCB）液晶單元提供了2.3ms的短的MPRT(運動圖像響應時間)2.3.3采用黑色插入的時序3D顯示器黑色插入可減少串擾。為了得到足夠大的亮度和足夠小的串擾，就必須考慮亮度不能突然消失，通常是在大于一幀時間內(nèi)降至零，而且黑色完全顯現(xiàn)出來需要大于一幀的時間。黑色插入原理一種240Hz幀速率的時序3D顯示的閃爍背光在這個實例中，背光持續(xù)時間等于240Hz的幀時間為4.1ms，背光的頻率是120Hz。當顯示左邊圖像時，左邊快門打開，即是4.1

ms的幀時間的兩倍。時間長適合于接收圖像的全亮度，而且?guī)硎占龃蟠當_的雜散光的危險。背光控制提高3D圖像亮度按照掃描行的位置照明，其持續(xù)時間較小，但是光傳輸最大。在圖像和黑色的插入期間，快門打開，是幀時間的兩倍，以便收集所有的發(fā)射光。具有黑色插入的OLED為了達到想要的0.5%低水平的串擾，必須采用速度更快的顯示器OLED。在此基礎上，有源電壓控制同時發(fā)送（SEAV）是目前為止最快的解決方案。2.4立體顯示的特殊方法通過控制對比度增強深度感在顯示中使用算法抑制串擾通過波長復用產(chǎn)生3D要求的兩幅圖像通過控制對比度增強深度感在圖像中，目標與其背景的對比度越高，目標似乎越近，而對比度越小，目標的位置似乎越遠，這就是單眼心理效應。對比度控制可以用來引起3D感覺的增強。實驗驗證：一個用于左眼，一個用于右眼。一個顯示器顯示常規(guī)圖像，另一個顯示對比度控制圖像。交替顯示這些圖像讓觀眾檢測其差異，每幅圖像具有240Hz幀頻，左、右眼圖像以120Hz的頻率按順序呈現(xiàn)畫面，觀眾的快門眼鏡運行于60Hz。為了量化單眼深度線索，根據(jù)圖像中的空間頻率得到了深度知覺的近似值。其中，Ceff是有效對比度低于2周/幀的低空間頻率高于2周/幀的高空間頻率縱坐標：主觀等價點（PSE），即主觀深度橫坐標：有效對比度獲得主觀深度的圖像處理的框圖對比度亮度空間頻率深度估計實驗結果在顯示中使用算法抑制串擾利用數(shù)字圖像處理算法，可以降低串擾。對于兩個圖像系統(tǒng)，R為右眼、L為左眼，亮度值可以用來表示為其中，Ri和Li為由屏幕提供右眼和左眼所需的亮度，Ro和Lo為具有串擾的圖像亮度，串擾由系數(shù)a,b確定，值a,b∈[0,1]描述串擾的程度。引入新的輸入信號：那么，新的輸出信號為同理：。如果串擾對不同區(qū)域的影響不同，就可能需要幾個系數(shù)。通過波長復用產(chǎn)生3D要求的兩幅圖像在視網(wǎng)膜上R、G和B三原色感光體的靈敏度與波長的關系3D的波長復用所需的兩幅圖像的兩個三位元組

基于波長復用的3D投影儀使用兩種顏色的三位元組的投影儀包含兩盞燈作為光源，通過三個工作于高Q值窄通頻帶的光學干涉濾光片后發(fā)出三種顏色。窄帶彩色光束從攜帶左眼和右眼圖像的兩個顯示器反射，該反射像素被電壓逐個控制。顯示器具有圖像源的全分辨率，然而，它需要兩個顯示器；相反，一個顯示器只有分辨率的一半。觀眾的眼鏡與燈一樣具有干涉濾波器，左眼、右眼各有一個。對于觀眾，兩幅圖像的顏色被彼此相鄰放置。特點：立體視銳度隨著空間頻率的下降而降低。雙目串擾??；亮度降低，但是具有較好的亮度均勻性。2.5立體投影儀偏振分束器（PBS）及線柵偏振器（WGP）線柵偏振器圖2.55PBS簡單鏡頭立體投影儀MacNeillePBS是具有光速c1和c2透明材料1和2的立方體。偏振光進入平行于立方體表面的一個平面，它由完全垂直于光傳播方向的兩個正交部分組成，一部分光被反射，其他部分通過兩種材料的分界面。反射和透射光束為正交偏振。簡單立體投影儀工作原理立體投影的核心部件，包括一個投影儀、一個MacNeillePBS、兩個LCOS（硅基液晶）設備和單個透鏡。圖2.55(a)左側傳入的偏振光包括垂直偏振的p波和正交偏振的s波。s波被反射到LCOS1，p波被傳遞給LCOS2。在兩個LCOS設備中，其亮度由常規(guī)的反射式LCD調(diào)制。當LCD的像素加載屬于所需灰度的電壓時，LCD如同QW板使偏振方向旋轉

/2。因此，p波成為s波，s波成為p波。離開LCOS1的p波通過PBS，而離開LCOS2的s波被反射，然后離開平行于p波的PBS。因此兩波將再次結合，并可以通過投影儀出口處的一個透鏡，投影儀在圖2.55(a)中未顯示。這個鏡頭將小的LCOS設備的圖像放大到所需大小。如果圖2.55(b)中加載在LCOS像素上的電壓關閉，LCOS設備不再是QW板，只是反射輸入波，不改變其偏振方向。這使得光反射回到光源，圖像輸出是所要求的黑色。兩種彩色系統(tǒng)的立體投影儀對于RGB輸入，PBS1和PBS2之間以及PBS1和PBS3之間的QW板相位差片都關閉。對于C輸入，QW板相位差片打開，并產(chǎn)生π/2的偏振相移。這導致偏振旋轉π/2，將s波轉化成p波，p波轉換成s波。優(yōu)點：色域增強；光輸出均勻；串擾減??；光輸出吞吐量高，效率高；對比度提高。RGB及C的彩色顯示的四重PBS，采用兩種彩色輸入，輸出端一個鏡頭寬帶相位差片（BBR）為了使相位差片在400～700

nm范圍的可見光波長能正常工作，利用瓊斯向量導出相位差片的厚度與波長之間的關系。線偏振光的電場強度E的Ex和Ey分量分別為只有

決定偏振性質(zhì)，設，則有將Ex和Ey轉換成復數(shù)形式產(chǎn)生瓊斯向量Jx和Jy

則瓊斯向量Jp為

快、慢瓊斯向量慢瓊斯向量快瓊斯向量討論（1）當

=0，

時，可得線偏振光。相關的瓊斯向量為

其中，

=

為“

”號，

=0

為“+”號。相位

=

/4時，可得（2）當

=±/2時，可得圓偏振光，“+”號為左旋，“

”號為右旋。瓊斯向量為

當

=

/4時，可得若液晶分子的Js和Jf軸位于xy坐標軸上，可得描述輸入-輸出關系的矩陣方程由瓊斯向量其中，傳輸矩陣為，輸入偏振光的瓊斯向量為若液晶分子的Js和Jf軸不在xy坐標軸上，則矩陣方程為為旋轉矩陣。在文獻[42]中，采用亮度L作為約束提出了BBR的設計在

相對寬的范圍內(nèi)，相位差與

具有相關性。它近似為其中，d為相位差膜層的厚度，A0=0.8646，B0=3.7018·104nm2及C0=1.2·109nm4。一系列相位差膜被放在偏振器在輸入端的起偏器和輸出端的解偏器之間其中，Ju是的J實部，Jv是J的虛部。2.6AMOLED和AMLCD的隔行尋址、同時尋址及逐行尋址隔行尋址操作將圖像劃分為具有像素E的第一幅圖像和具有像素O的第二個圖像。AMOLED（Active-matrixOrganicLED，有源矩陣有機發(fā)光二極管）AMLCD（Active-matrixLCD，有源矩陣液晶顯示器）隔行尋址隔行尋址每幅圖像具有一半數(shù)目的行，因此分辨率是原始圖像的一半。當O塊發(fā)送圖2.68的左眼圖像LO的一半時，左眼圖像的另一半被掃描。采用120Hz進行掃描和發(fā)送，即在8.33ms內(nèi)。在下一個120

Hz，一樣適用于右眼圖像的一半RO和RE。因此兩個一半的時間是2

8.33=16.66ms，與圖像源提供的圖像60Hz幀相對應。一半的行數(shù)意味著增加一倍的掃描時間/行。根據(jù)圖2.68，分配給隔行操作的掃描時間是1/240s=4.16ms，使得1080行的掃描時間為4.16/540=7.7ms，而不是原始圖像的3.85ms。第3章自由立體顯示器主講教師：余宏生教授內(nèi)容3.1采用柱狀透鏡的空間復用多視圖自由立體顯示器3.2空間復用多視圖立體顯示技術與可切換柱狀透鏡3.3采用固定和可切換視差障柵的自由立體顯示器3.4時序自由立體顯示器和定向背光3.5深度融合的3D顯示器3.6采用光導的單視圖和多視圖3D顯示器

自由立體顯示器不需要特殊的眼鏡觀看3D感知所需的兩幅圖像，允許觀察者自由轉動頭部，甚至四處走動；并可以根據(jù)觀看方向提供不同的3D圖像。3.1采用柱狀透鏡的空間復用多視圖自由立體顯示器柱狀透鏡陣列及兩眼視區(qū)柱狀透鏡的圓柱列在每個透鏡后面，一幅圖像被確定為左眼或右眼圖像。這些圖像可能只包括一個或幾個像素。因此，區(qū)域復用表示一系列的局部左、右眼圖像在透鏡后面的圖像投影到圖像平面P以及左、右眼圖像的視區(qū)L0和R0圖像平面左眼視區(qū)右眼視區(qū)兩個不同透鏡對FPD屏幕上的再現(xiàn)圖像的貢獻右眼和左眼的圖像部分按正確的順序形成一個序列，再現(xiàn)整個圖像。很明顯，LC屏幕上顯示的R和L圖像序列在圖像平面P上被上下反轉。在平面P上的再現(xiàn)視圖是不同的，因為在每個再現(xiàn)視圖中，在平板屏幕上投影到P上相應視圖的區(qū)域是不同的。這表明一種可能性：從側面觀看物體時，在圖像平面的不同視圖中可以顯示觀察者感知的物體信息。柱狀透鏡的設計規(guī)則圖中顯示了陣列中的一個透鏡和距離透鏡為z的圖像平面P，透鏡的焦距為f，左、右眼部分顯示，屏幕上物體的光學距離為g/n，n為該距離g的折射率。透鏡方程為可得出光學放大倍數(shù)m

選擇圖中的透鏡陣列的節(jié)距pl使之比兩圖像的間距p略小，即pl<p。抑制黑色矩陣可見性的方法假設滿足則透鏡陣列的設計過程由給定的瞳距b，平均為65

mm，以及給定的兩幅圖像的間距p，求放大倍數(shù)mp還產(chǎn)生透鏡間距pl，略小于p。g/n由FPD設計給出，最好是盡可能小?，F(xiàn)在可以確定z和f。問題補救方法在距離透鏡陣列z處，會得到聚焦且清晰的圖像，但觀察者只有在圖像平面上才能看見。從z向前到近端模糊點以及從z向后到遠端模糊點，存在一個可接受的深度知覺的距離，這可以緩解對圖像平面的約束。如果觀察者向旁邊移動，但仍然圖像平面上，眼睛會經(jīng)過黑色矩陣，黑色矩陣有所減弱但仍然明顯。像素傾斜虛線表示不同的水平視角或觀察者的不同位置假設圖中一個像素塊（1～4）產(chǎn)生3D所需的兩幅圖像之一，而相鄰的4個像素產(chǎn)生兩幅圖像中的另一幅。抑制黑色矩陣。當俯視A線時，觀眾看到只有像素數(shù)字“2”的像素與一系列黑色斑紋，但沒有一條黑線，而是由分布式的黑色斑紋形成的灰色背景。對于所有垂直向下觀看的單目視圖也是這樣。因此，像素的傾斜排列是掩蓋甚至抑制黑色矩陣的有力手段。避免圖像翻轉。從圖中的像素“2”向旁邊移動時，“2”的圖像逐漸消逝而像素“3”的圖像出現(xiàn)。如果像素垂直放置，一般是這樣做的，從“2”到“3”的變化會突然翻轉成一個新的圖像。這種效果很不舒服，通過傾斜的像素可加以避免。原像素變淡，同時新像素立即出現(xiàn)，使觀眾在過渡階段看到更多的像素，感知的分辨率增加。柱狀透鏡是傾斜的，像素是垂直的，也具有相同的效果。虛線表示投影到圖像平面上同一視圖的點。這引起像素重新排列，這樣在與透鏡的長軸平行的條帶中，所有像素都被放入屬于該視區(qū)的圖像信息。舉例說明，在虛線A和虛線C之間我們僅看見與視區(qū)3有關的像素，或與視區(qū)2相鄰透鏡的相似虛線上的像素。當觀察者移動穿過不同的視區(qū)，并以這種方式體驗不同的角度的視圖時，就增強了自然的深度感。采用柱狀透鏡的3D方法引入真實深度感和自然3D體驗的感覺，具有巨大的吸引力。如果連續(xù)的圖像內(nèi)容超過一個視區(qū)條帶的寬度，相鄰像素被投影到不同視區(qū)。解決方法只將代表R的像素3留在該條帶，而代表G的像素5和代表B的像素7的都必須與第一個透鏡以同一角度?放置在一個相鄰的透鏡下面，這種類型的排列如圖所示。六角孔徑光闌代替傾斜柱狀透鏡其本質(zhì)是兩個相鄰的視區(qū)并不是突然結束，而是呈梯形重疊的，可避免圖像翻轉并抑制黑色矩陣。柱狀透鏡不必對像素傾斜。移動應用的多視圖3D顯示器使用如圖所示的柱狀透鏡陣列，是首個大量生產(chǎn)的3D產(chǎn)品。

透鏡陣列角度

傾斜，并提供30幅視圖，由圖中的30部相機提供，以相等的角距離排列。瞳距為b的3個相鄰視區(qū)的光強百分比與在圖像平面的距離之間的關系。每個視圖內(nèi)有5%的恒定串擾。在兩幅或三幅圖像重疊的區(qū)域是無法觀察到3D效果的。使用柱狀透鏡的顯示器的最佳視區(qū)以及一些具有圖像重疊的無用區(qū)域在采用垂直柱狀透鏡陣列的顯示器上，視圖位于垂直方向上；對于觀察者來說，高度只能體現(xiàn)相同的水平角度信息。如果要求在垂直方向上可以從不同的角度觀看，必須使用柱體的軸線在水平方向上的柱狀透鏡陣列。最好使用一個矩陣。文獻[8]中研究了這樣一個系統(tǒng)，由圖中的4×5模塊組成，其中每個方形模塊對角線長度為0.7

in。該模塊包含采用LCOS技術的微型顯示器，正方形像素大小的111

mm，像素間隙為8mm。微型顯示器的視圖以及頂部的傾斜柱狀透鏡，透鏡間距為0.44

mm，傾斜角為arctan2/6，對應角度為18.4°。兩個透鏡下面出現(xiàn)4個相同像素塊，不僅提高了不同視角的物體視圖的精度，而且通過將顯示區(qū)域的空間全部用光，提高了圖像的分辨率。

[y1]注：原著為“降低”，應該為“提高”視區(qū)11和視區(qū)12部分重疊使視圖亮度分布不再顯示像素圖案明顯的形狀，也使得兩個相鄰視圖之間的交叉串擾達到60%。補救方法：將平行四邊形的像素掩膜被放在傾斜柱狀透鏡下面。串擾降低到33%3.2空間復用多視圖立體顯示技術與可切換柱狀透鏡

從2D到3D性能切換LC控制透鏡的基本方案當沒有提供電壓時，圖(a)中的柱狀透鏡充滿液晶分子，指向矢垂直于繪圖平面。LC分子被固定于PI摩擦層之間。LCD的出射光的偏振方向垂直于繪圖平面，并且透鏡中LC分子呈現(xiàn)高折射率。光到達復膜界面遇到更小的折射率，因此光朝著透鏡軸向折射，這是3D顯示所需的透鏡準直效應。如果給透鏡施加電壓，指向矢沿電場方向對齊，如圖b所示。在復膜界面的液晶分子的折射率與復膜的折射率相當，這意味著透鏡的光學性能沒有激活，似乎根本不存在，這是2D顯示常見的光學裝置。如果LC屏幕顯示沒有左、右眼部分的2D圖像，則接收到2D圖像。缺點:開關時間相對較長，需要將較大體積的液晶分子旋轉90°。偏振激活微透鏡結構。偏振激活微透鏡和偏振開關偏振激活微透鏡的結構偏振激活微透鏡和偏振開關由LCD發(fā)出的線偏振光沿平行或正交于微透鏡的液晶分子指向矢的方向振蕩。這樣，透鏡成為一種各向同性材料。如果它與覆蓋它的另一種各向同性材料的折射率匹配，光就毫無影響地通過偏振激活透鏡;然后，光通過偏振開關，其偏振方向旋轉90°，這樣可以通過輸出端的解偏器。這是2D模式。LCD在垂直于2D模式下光線傳播方向的平面上發(fā)出線偏振光。在這個平面上，當光線進入透鏡時，以一定的角度照射到LC分子，透鏡為雙折射。為主要分量，則光向透鏡的中心折射。然后，光通過已經(jīng)加載電壓的旋轉或偏振開關，這樣光可以沒有旋轉地通過輸出解偏器。這是3D模式。。

多電極驅動LC結構（MeD-LC）孔徑近場一個透鏡的菲涅耳近似

n是半徑為r的透鏡邊緣與中心的折射率差異，f為焦距，d為近似透鏡的常規(guī)LCD的單元間隙。雙電極LC單元的理想拋物線近似透鏡多電極驅動LC結構（MeD-LC）在頂部電極之間的單元間隙為d，狹縫為ws的LC單元模擬一個透鏡的電極驅動液晶的結構

多電極驅動LC結構（MeD-LC）LC單元的指向矢區(qū)域圖3.32指向矢區(qū)域的透鏡狀輪廓及該形狀的掃描性能將不同的電壓應用于電極序列，通過實驗可以優(yōu)化到一定程度，即

n(r)曲線與理想的曲線匹配，沒有明顯的偏差。因此，指向矢區(qū)域產(chǎn)生的圖3.32所示的近似透鏡的形狀。電壓的設置也向旁邊轉移，在頂層玻璃下面的透鏡形狀具有隨運動變化的效果。多電極透鏡的聚焦能力將透鏡結構進一步優(yōu)化，成為圖3.34中的透鏡單元，其下部和上部的多電極被放到單元內(nèi)以降低尋址電壓。如果沒有提供電壓，液晶分子的指向矢是垂直對齊的。LC單元的任務是要實現(xiàn)一個菲涅耳透鏡，如圖3.35所示。將透鏡切割成透鏡片，將一系列的透鏡片的高度減小，每一片仍保持透鏡上部的輪廓，這樣產(chǎn)生菲涅爾透鏡。優(yōu)化的菲涅爾透鏡單元內(nèi)的具有電極的LC單元作為近似菲涅耳透鏡近似菲涅耳透鏡菲涅爾透鏡聚焦特性強度的左峰屬于近似菲涅耳透鏡。半極值全寬（FWHM）為59μm，與其他可切換透鏡的80mm相比非常好。相鄰的菲涅耳透鏡強度峰值向右相距188mm，菲涅耳透鏡的焦距為1mm。切換時間電場驅動LC透鏡或梯度折射率LC透鏡（GRIN-LC透鏡）圖(a)顯示了如果沒有提供電壓，LCD的LC分子沿垂直方向對齊。光的偏振方向平行于指向矢，折射率只是。因此，沒有雙折射或者沒有透鏡效果，這為2D所需。在圖(b)中，如果提供電壓，顯示器兩個邊緣的電場比中心的電場更強。因此，在邊緣的LC分子比中心的旋轉成更垂直的位置，這使得折射率的變化從中心的。向邊緣接近GRIN-LC透鏡尋址電壓與串擾及3D亮度的關系制造成本低GRIN透鏡的開關速度仍為幾秒串擾在8

V時達到12.5%的最小值，還是明顯；3.3采用固定和可切換視差障柵的自由立體顯示器

具有右眼和左眼圖像的FPD上的視差障柵在FPD前面距離r處，一序列光阻障柵和光傳輸狹縫引導左、右眼圖像的光線進入觀察者的左、右眼。左眼圖像的發(fā)射光的扇區(qū)向下傾斜，變窄至位于觀察者左眼位置的一點，而左眼圖像向上傾斜的扇區(qū)，在它能夠到達觀察者的右眼之前被障柵阻擋。由障柵阻擋光會導致光的損耗，光的亮度大約只有在2D模式下的一半。提供更好的亮度均勻性。左、右眼視圖的分辨率與2D圖像相比被減半。采用LC技術實現(xiàn)可切換障柵射出FPD的偏振光進入LC可切換障柵。如果沒有加載電壓，入射的偏振光旋轉90°，因此可以在輸出端通過正交偏光片。因此，光通過時沒有障柵，這是2D模式，此時FPD顯示兩只眼睛的常規(guī)圖像。如果在LC障柵扇區(qū)上施加電壓，LC分子取向平行于電場方向，在TN單元中不會旋轉90°。光在輸出端不再通過偏光片，障柵阻斷特定扇區(qū)的光線，這是3D模式。一個TN單元以電子方式調(diào)整障柵和狹縫寬度如果相鄰視圖部分重疊或來自一個視圖的雜散光在相鄰視圖中可以看見，就會發(fā)生串擾，這與在柱狀透鏡中發(fā)生時的效果是一樣的。串擾的另外一個原因只在障柵中發(fā)現(xiàn)，光在障柵的邊緣處產(chǎn)生衍射。靈活調(diào)整LC控制障柵的大小和位置可以用來降低串擾。在圖上部的淺灰色區(qū)域表示右眼視圖，暗區(qū)表示左眼視圖，黑色區(qū)域表示串擾。由條帶組成的障柵各自能以電子方式移動，為了阻止導致串擾的光，將條帶移動到串擾區(qū)域。另一項調(diào)整包括通過移動障柵條帶來移動圖像位置，以消除左、右眼圖像的任何重疊。這些移動的結果如圖下半部分所示，消除了由串擾和重疊引起的干擾。在文獻[22]中提議在每個像素區(qū)域不同地摩擦和錨定液晶分子，使得光的透射率對于像素的不同視角為最大值，這樣的角透射率輪廓如圖所示。這些優(yōu)化后的輪廓將光線聚焦至它所需要的角度，從而減少串擾，而且也增強了遠離中心的視區(qū)的總亮度。像素優(yōu)化前后的6個視區(qū)的亮度采用兩個視差障柵的3D投影儀圖中的自由立體投影儀解決了光束的準直，抑制了障柵1出射光的像差，也產(chǎn)生了一序列視區(qū)，減小了障柵2處的串擾。4個投影儀的光通過透明LCD投射到投影屏幕上。兩個相鄰的投影儀提供左、右眼視圖，所以每幅圖像呈現(xiàn)LCD的全分辨率。兩對投影儀之一發(fā)送適合投影儀角位置的圖像。由于這些投影的圖像在屏幕的邊緣出現(xiàn)畸變，以及像素大小與障柵節(jié)距不完全匹配，光首先通過障柵1進行準直并與柵欄2的周期性匹配。然后，柵欄2可以基于投影屏幕上相當于LCD像素的精確像素陣列產(chǎn)生視區(qū)序列。同時具有相同的2D和3D的分辨率，亮度為250cd/m2時，分辨率為1024×768像素。投影屏幕與觀察者的距離是1.55m，屏幕和投影儀之間的距離是1.62m。分辨率損失e作為在傾斜角度為arctan1/6的3D顯示器中視區(qū)數(shù)量的函數(shù)比值e=z/r代表分辨率的有效損失分辨率損失e與視區(qū)數(shù)量之間的關系非常有趣的結果是分辨率e的損失對于4、9、15、22、28視圖最小，這些數(shù)字的平方根正好約等于相關的分辨率損失。亮度均勻性對于輸入V1(

)，輸出V2(

)的方程為其中，h(

)是系統(tǒng)對Dirac脈沖的響應，也稱為輸入端的

脈沖[沖激響應h(

)

]。中一個透鏡和狹縫的輸入為矩形脈沖r(

)，對于所有的透鏡和狹縫為圖3.50(d)的矩形脈沖的梳狀函數(shù)

iri(

)。一個透鏡或者狹縫的輸出是卷積(*)對于梳狀函數(shù)圖3.50柱狀透鏡和障柵在各種情況下強度的角分布：(a)一個理想的透鏡的沖

激響應—

脈沖；(b)柱狀透鏡的沖激響應—

脈沖的梳狀函數(shù)；(c)矩

形脈沖為離焦透鏡對

脈沖的響應；(d)矩形脈沖序列為離焦透鏡對

脈沖序列的響應；(e)亮度的梯形輪廓為傾斜柱狀透鏡對

脈沖的響應

對于非傾斜情況，瞳距等于視區(qū)之間的距離，圖像平面的亮度不均勻。對于w<b，在視圖之間有黑條紋，對于w>b，存在視圖的重疊使得串擾從一個視圖進入相鄰視圖。僅僅對于w=b，亮度是均勻的，這意味著對于

脈沖為沖激響應的理想透鏡，亮度不均勻。它可通過離焦透鏡使其均勻，這樣在非傾斜情況下，它的沖激響應呈現(xiàn)為寬度w=b的矩形波束。如果透鏡的沖激響應不再是在焦平面上的一條線、一個

脈沖，而是一個條帶，這樣就可以實現(xiàn)。在傾斜情況下，條紋寬度由以下討論給出。在這種情況下，第2個卷積有必要將矩形擴大到梯形脈沖，

非均勻性的測量串擾C由下式給出其中，V1(

)和V2(

)為兩個相鄰視圖中光強的角度歸一化分布，式（3.18）分子中V1(

)和V2(

)沒有重疊，對串擾沒有貢獻；僅在它們重疊處才有貢獻。式（3.18）的分母表示兩個像素的整體亮度。（3.18）具有像差的非理想透鏡的串擾和方差光強輪廓的方差及串擾與理想透鏡半徑之間的關系3.4時序自由立體顯示器和定向背光3.4.1采用特殊反射鏡或3D薄膜的時序顯示器兩個光源和凸透鏡給視圖提供照明并發(fā)送到眼睛，嘗試將具有最小重疊的兩幅視圖分別傳導到兩只眼睛。邊緣畸變橢圓形反射鏡右眼的光源和右眼本身都放在橢圓的焦點上，所以，當光通過LCD的整個區(qū)域后，光聚焦到眼鏡所在的位置并被眼鏡接收。兩只眼睛所需的兩個光源均略微地偏離焦點f

LCD，這可以通過形成不同的反射鏡區(qū)域大致進行糾正，反射鏡以不同的橢圓鏡面反射兩個光源的光，采用光源作為焦點，兩只眼睛作為兩個對應的焦點。LCD背后的各向異性擴散板、3D薄膜在垂直方向上使入射光產(chǎn)生漫射，從而消除在一個橢圓中不同焦點的不一致，并允許觀察者看到整個LCD屏幕。漫射可能造成串擾，通過將光聚焦于左眼的左側和右眼的右側上可以減小串擾。具有導光板與柱狀透鏡陣列的棱鏡片兩個快速響應LED光源，每個用于一只眼睛，位于具有淺層棱鏡結構聚合物PMMA光導的端口，厚0.5mm，它通過在172°角范圍內(nèi)的內(nèi)部反射導光。下面的反光膜收集在底部傳輸?shù)碾s散光。沿著光導角度的光輸出集中在發(fā)射角度為垂直方向±70°到±10°范圍內(nèi)。光從左側進入光導。它總是射到棱鏡的表面C而被折射，并經(jīng)過全部內(nèi)部反射（TIR）后，光束E最后射出頂部的漫射泵浦，向觀察者右眼的左側傾斜。描述了當只有一個光源開啟時，從圖3.58的棱鏡片輸出的測量的亮度分布，幾乎沒有光滲透到第2光源區(qū)。3D薄膜的掃描電鏡顯微圖像頂部的柱狀透鏡和底部的棱鏡在制造過程中按照各自的外形配準以納米級公差校直，這就消除了薄膜與LCD的像素或光導的外形對齊的必要。3.4.2采用定向切換背光的時序顯示器FPD屏幕的整個區(qū)域交替顯示左眼和右眼圖像。在分塊安排的左、右眼視圖前面，在圖中障柵的狹縫（障柵A）允許在一幀內(nèi)通過左眼圖像的光只達到左眼，而右眼只感知來自右眼圖像的光。在下一幀中，LC可切換狹縫變成障柵，障柵B擔當狹縫的角色。同時，新的左右眼圖像被寫入FPD；然而，在這種序列中，左眼塊接收右眼圖像，右眼塊接收左眼圖像。這兩項措施影響障柵和圖像內(nèi)容的結果，現(xiàn)在右眼感知被指定為左眼的圖像塊，左眼感知右眼的圖像塊。所以，兩只眼睛在傳統(tǒng)的2D顯示區(qū)域接收整幅圖像且不損失分辨率。為此付出的代價也一樣，若始終采用時序的方法，尋址電路需要采用兩倍于2D圖像的速度。LCD的兩個尋址步驟以及切換柵欄A和柵欄B的時間表為了避免響應時間長，必須使用更快速切換的AMOLED。然而，切換狹縫仍然是緩慢的，因為它們受LC控制。為了提供更多的時間切換狹縫，它們早于幀同步被打開，從而增加了亮度。同時它們也被更早地關閉，再次降低亮度，但也減小了串擾。由于所有障柵亮度比柱狀透鏡要小，而且距離圖像平面被定位的視圖中心越遠，亮度越小。補救的方法是視差障柵與時序切換定向背光的組合。四方向LED背光源組成部分提供兩個方向的LED背光源的兩個微棱鏡兩個LED背光燈和柱面透鏡的幾何形狀在不同的視區(qū)之間亮度的角度差異距離D和透鏡半徑R與平均串擾的關系亮度的平均串擾和均勻性與發(fā)散角

的關系3.5深度融合的3D顯示器深度融合的第一個版本是基于具有相同的圖像內(nèi)容，但在不同距離（深度）呈現(xiàn)給眼睛的兩個2D顯示器。由于在前平面上的圖像可能不是完全透明的，圖3.71中采用具有相同的光學效果的半反射鏡結構圖3.71用于深度融合的3D顯示器在不同深度處的兩個2D顯示大小相同的兩臺顯示器放在眼前，當從鼻子看過去，它們完全重疊。假設靠近眼睛出現(xiàn)的圖像內(nèi)容被分配較大的亮度，而更遠處出現(xiàn)的內(nèi)容獲得較低的亮度。這與2.5節(jié)中研究的方法具有一個類似的生理效果，如果在目標及其背景之間有較大灰度級差異，這使目標看起來更近。圖3.73圖3.72中的圖像出現(xiàn)在視網(wǎng)膜上的模糊圖像圖3.72從鼻子看到的被照亮的圖像完全重疊時的左、右眼示意圖在實驗中，前面的圖像亮度從100%改變到0%，而背面的圖像亮度從0%增加到100%[37]。通過將圖3.74中的參考平面移動到他們能感知兩個混合圖像的深度，4個測試者必須簡單陳述他們在顯示的前部和后部顯示器之間的深度知覺。情形A和情形B描述了在兩個顯示器的目標出現(xiàn)于前平面之前的情況，而情形C和情形D描述目標出現(xiàn)于后平面背后的情況。在情形A和情形C中，當目標完全重疊時，觀測到的目標亮度比背景的亮度更亮。在B和D情形下，觀察到的目標亮度比背景暗。所有情形的共同特點是，前面目標的亮度超過周圍的環(huán)境，后方的目標較暗，反之亦然。在圖中，較暗的用減號表示。感知深度的位置還可以延伸到比前平面更接近于觀察者的區(qū)域及在后平面之后的區(qū)域，這將產(chǎn)生3D圖像從前平面突出或進入后平面后面的區(qū)域的知覺。用于檢測前平面之前的突出目標的參考平面感知突出率與目標在前平面和后平面的亮度通過半反射鏡將兩個兩視圖的立體顯示器進行組合。該立體圖像對于左、右眼發(fā)出不同的偏振光，觀察者的兩只眼睛可以在圖3.80的位置A、B或C上。在位置A，兩只眼睛通過內(nèi)置偏光片替換眼鏡觀看左眼圖像。由于兩只眼睛看到的只有左眼圖像，它們沒有感知到3D畫面，而是傳統(tǒng)的2D畫面。如果兩只眼睛都在位置C，情況是一樣的。它們只接受具有不同偏振的右眼圖像。在位置B，左眼看見左眼圖像，而右眼看到右眼圖像，因此感知到3D圖片，所以產(chǎn)生了兩個視區(qū)。圖3.80兩個立體顯示器深度融合的觀看條件兩個顯示器堆疊的垂直視圖被替換為圖3.81(a)和圖3.81(b)中的交叉角為

的兩個側視圖。圖3.81觀察者從交叉角

到經(jīng)過重新排列的兩個立體顯示器的視圖圖3.82兩個2D顯示的感知深度作為觀察角度

和參數(shù)為亮度比

的函數(shù)針對具有交叉角

=

0的兩種傳統(tǒng)的（非立體的）顯示器進行計算的結果。立體顯示器的交叉角為

=7°，視角以交叉角

作為原始值測量

立體顯示器的交叉角為

=10°描述了交叉角

=5°的計算感知深度

3.6采用光導的單視圖和多視圖3D顯示器單視圖、近眼、自由立體顯示，它從微型顯示器中按時序操作接收左、右眼圖像。當它們被耦合到高度傾斜非對稱障柵之前，透鏡使圖像放大。高度傾斜使得兩幅圖像分開，從而降低串擾，傾斜還增強了立體視覺。圖3.86時序自由立體顯示器的兩光源光導第一步，光源1將光饋送至光導底部的三角形處形成反射，以便光束覆蓋LCD上左眼圖像的整個區(qū)域。這幅圖像具有LCD的全分辨率。圖3.873個觀察者的倒梯形3D薄膜的結構圖3.88與左邊觀察者眼睛的角度為?1和

?2的多觀察者波導第4章3D顯示質(zhì)量評價主講教師：余宏生教授內(nèi)容4.1引言與綜述4.2從給定圖像中恢復質(zhì)量數(shù)據(jù)4.3基于客觀測量提供視差圖或深度圖的算法

4.4基于主觀測量的算法4.5KLT特征跟蹤算法4.62D到3D轉換的特殊方法4.7根據(jù)單視圖2D或3D原始圖像從視差圖重建3D圖像4.1引言與綜述質(zhì)量評價分為主觀評價和客觀評價；主觀評價與HVS有關，而客觀評價與HVS無關。客觀質(zhì)量評價可以根據(jù)視差、深度、亮度、對比度、灰度以及彩色分量的值；3D圖像深度或視差的確定基于左、右眼圖像之間的差異。深度或視差圖以灰度級編碼，通?；叶仍搅?，深度越小，視差越大。視差與深度的關系視差右眼圖像的中心像素位于x=er，而左眼圖像的中心像素被置于x=e1。對于LCD或者CCD，在er和e1之間的中心距離em很重要：當它位于從Q到每一邊具有b/2的鏡頭中心的直線上時，正好位于中心。從em到er和e1的距離由x0表示。4.2從給定圖像中提取質(zhì)量數(shù)據(jù)兩個輸入信號ej和ek，其中j和k為像素的序號。圖4.2圖像質(zhì)量評價的信號處理低通濾波器模擬HVS的點擴散函數(shù)（PSF）將圖像裁剪成人眼所感知的窗體。PSF是人眼的脈沖響應，其傅里葉變換為眼睛的光學傳遞函數(shù)（OTF），它是低通的。對比度敏感度函數(shù)（CSF）的方框描述在視覺刺激中出現(xiàn)的HVS對不同時空頻率的敏感性。歸一化通過空間變化的可見性閾值衡量信號，這種歸一化試圖將差異ejk轉換成剛辨差（JND）的單位數(shù)。誤差匯聚這是Minkowski形式。對于

=2，得到L2范數(shù)，即均方差（MSD）。ejk在空間上不同的權可由空間圖提供。4.3基于客觀測量提供視差圖或深度圖的算法4.3.1基于絕對誤差和的算法在左眼（L）和右眼（R）圖像中，現(xiàn)在將研究匹配像素上的視差。視差差異表示眼睛注視點深度的倒數(shù)。視差差異越大，點越近。誤差被解釋為與圍繞一個中心點窗口的兩幅圖像中的有關相同像素的總和。絕對強度誤差和（SAD）：其中，x和y是圖像的空間坐標，d表示視差，也用做右眼圖像的搜索參數(shù)，而winx和winy是在x方向和y方向的搜索窗口的擴展。匹配的一致性檢測將角度轉化成式（4.4）中xy平面上相應的距離和

視差圖濾波椒鹽噪聲：中值濾波高斯噪聲：高斯濾波圖4.7(a)“Tsukuba”大學測試圖像。(a)Tsukuba測試圖像的視差圖；

(b)沒有使用中值濾波的情況(b)；(c)使用中值濾波的情況4.3.2圖像平滑和邊緣檢測坐標x,y,d的空間稱為視差空間，而在連續(xù)或離散的視差空間x,y,d定義的圖像或函數(shù)是視差空間圖像（DSI）。舉例說明，SAD(x,y,d)是一幅DSI。如果算法作用于一個窗口內(nèi)，稱為局部算法，如SSD或SAD。如果它作用于整幅圖像，則稱為全局算法。增強的代價函數(shù)或者能量函數(shù)為平滑度函數(shù)定義為其最簡形式Edata測量兩幅圖像的數(shù)據(jù)匹配，我們已經(jīng)從式（4.4）的DSISAD(x,y,d)可知。其中，

是隨著d增加的單調(diào)函數(shù)，如同正線性或d的二次函數(shù)。如果Esmooth與強度I(x,y)的差異有聯(lián)系，函數(shù)

是其中，雙條的符號是Minkowski范數(shù)，PI是常數(shù)或空間變化的權重因子。處理不連續(xù)性的進一步方法是PI的選擇其中，

I是在x,y處強度的梯度，而

控制對梯度的依賴性。能量函數(shù)最小化使得計算量很大。最小化方法包括模擬退火、最大流/圖分割、贏者通吃和動態(tài)規(guī)劃。建立視差圖之后，需要進行有效性檢查，它包括與所謂真實數(shù)據(jù)的相同圖像已知正確的深度圖逐像素的比較。真實數(shù)據(jù)的誤差由下式表示。RMS誤差為其中，N為像素x,y的總數(shù)。誤差百分比基于

為誤差限制，若大于

將發(fā)生錯誤的匹配；所以，P表示被丟棄的匹配數(shù)量。為了使丟棄匹配的數(shù)量最小，應用最小值濾波器。由代價函數(shù)最小化提供的結果在圖4.9(a)和圖4.9(b)的圖形中顯示。圖4.8(a)和圖4.8(b)中具有中心像素為1的3×3窗口對其功能進行解釋。圖4.9(a)顯示圖4.7(a)中的“Tsukuba”測試圖像的視差圖，它采用MF由SAD得到，區(qū)域越亮，目標越近。圖4.9(b)和圖4.9(c)的圖形描述了被丟棄點的百分比與搜索窗口大小的關系，其中數(shù)字7意味著7×7窗口。重點放在無紋理、遮擋或呈現(xiàn)邊緣和不連續(xù)性的區(qū)域。圖4.9(b)證明采用17×17窗口的MF的SAD算法丟棄點的百分比最低。圖4.9(c)闡述了采用MF的SAD算法時，其錯誤匹配或誤差與被研究的圖像區(qū)域類型之間的關系。它表明，在不連續(xù)處附近，誤差的數(shù)量隨著窗口大小的增大而增加。對所述無紋理區(qū)域處理的一種替代方法是檢測該區(qū)域到四周邊緣的距離。圖4.9(a)采用MF的SAD計算的圖4.7(a)的Tsukuba視差圖；(b)、(c)分別為采用和不采用MF的SSD和SAD算法時，拒絕點百分比與Tsukuba(b)的搜索窗口大小之間的關系，以及不連續(xù)處附近和無紋理區(qū)域的SAD和MFEsmooth變形為下列形式DL和DR是圖4.11(a)和圖4.11(b)中所指示的在不同方向V上到左眼和右眼圖像邊緣的距離。SED這個詞是基于絕對邊沿誤差和（SED），而式（4.8）是基于x和y方向上的距離差異。圖4.11搜索無紋理區(qū)域到邊緣的距離為了計算式（4.7）中的Edata，采用SAD算法。原始圖像下面SAD的視差圖單獨在圖4.12(a)中描述，而圖4.12(b)顯示了由SAD和SED得到的圖。單獨SAD導致錯誤的映射，可以通過使用具有SED的SAD加以避免。4.4基于主觀測量的算法SSIM算法(StructureSIMilarity)在此方法中，通過人類視覺系統(tǒng)（HVS）感知的結構信息的變化估計圖像退化。提供此信息圖像的參數(shù)是單個像素的亮度，由像素的亮度產(chǎn)生的對比度和結構信息的比較。假設圖像劃分成空間上的圖像塊。一個圖像塊在像素i處的亮度為xi，第二個子圖像的亮度為yi。具有N個像素的第x個圖像塊的平均亮度為標準差

同理可得兩個圖像塊x和y的差異的比較函數(shù)S(x,y)記為合并三個比較函數(shù)稱為最后的SSIM指標：當及時

對于C1=C2=0，SSIM先前被稱為全局質(zhì)量分數(shù)（UQI）。通過在整幅圖像中移動兩個窗口，產(chǎn)生了覆蓋待評價的整幅圖像的第M個窗口在所有實例中，權函數(shù)w={wi},i=1,2,

…,N，對于窗口中的N個像素，被用于獲得一個局部各向同性的質(zhì)量圖。那么MSSIM的評價結果可以反映出失真圖像的失真程度，與MSE相比，與主觀質(zhì)量的一致性更好。圖4.13六幅圖MSE=210都相同，但是具有不同的主觀圖像質(zhì)量：(a)每個像素8位的原始圖像；(b)對比度拉伸圖像MSSIM=0.9168；(c)均值改變圖像MSSIM=0.99；(d)JPEG壓縮圖像MSSIM=0.6949；(e)模糊圖像MSSIM=0.7052；(f)噪聲污染圖像MSSIM=0.7748一組測試觀眾為圖像的感知質(zhì)量提供平均意見分數(shù)（MOS）。它還表明，主觀測量MSSIM接近觀眾的主觀判斷。這不是圖4.16(a)的情況，其中的點在擬合曲線附近散布較大的區(qū)域。原因是觀眾的主觀判斷與PSNR客觀測量的相關性不好。多尺度SSIM目前，觀眾從一個固定的位置評價圖像的質(zhì)量。由于質(zhì)量受視角的影響，在某種程度上也受觀眾到顯示屏幕的距離的影響，有必要將SSIM測量擴展到幾個觀察位置，也稱為尺度。這個擴展被命名為多尺度SSIM。為了確定不同尺度的相對重要性，圖4.17所示描述了進行合成和分析的過程。第一行顯示為5種不同尺度的原始圖像，每幅圖像在每列中按照向下的方向通過增加MSE進行失真，失真通過添加高斯白噪聲產(chǎn)生。不同尺度的失真對于圖像質(zhì)量的感知具有不同的重要性，同一行中的圖像具有相同的MSE。圖4.17從五個不同觀察方向（尺度）看見的圖像，MSE沿列向下不斷增加4.5KLT特征跟蹤算法基于圖像的空間坐標x和y的時間t的強度I(x,y,t)。該強度特征的性質(zhì)為該式是指在時間的特征與在時間t的特征，在x方向上平移且在y方向上平移后相同。運動矢量為首先考慮一維情況，在跟蹤開始時的特征為G(x)，平移后的特征為F(x)。對于一個很小的平移，平移后的特征近似為

在G(x)和之間的差異

逐幀重復，給出迭代對于多維的擴展，考慮x為一個具有x1到xn分量的行向量令推廣到任意的線性變換，如旋轉、縮放和剪切。這種變換可以用一種新的、更一般的位移表示如果兩幅圖像G(x)和F(x)的強度和對比度因不同的視點而不同，可以通過假設G(x)為更新形式對此進行說明。為了選擇合適的跟蹤特征，人們可以關注包含空間高頻的角點、紋理豐富區(qū)域，或者具有足夠高的二階導數(shù)區(qū)域。一種更具有分析性的方法要求下面的項包含所選擇特征的梯度足夠大，超過噪聲水平。這保證的2×2矩陣的特征值和超過給定標準，是指實驗示例演示了跟蹤的特征選擇和性質(zhì)。圖4.19(a)顯示在跟蹤過程開始的一組特征，而圖4.19(b)描述了在總的平移約100像素之后跟蹤結束時殘存的特征，每幀一個像素。跟蹤開始時，梯度矩陣的特征值如圖4.20(a)所示，其中在亮區(qū)意味著更大的特征值。圖4.19(a)在跟蹤開始時圖像中的特征和(b)跟蹤末尾在100幀之后總位移為100像素的殘存特征圖4.20(a)跟蹤開始時的特征值圖，越亮的區(qū)域表示特征值更大；(b)100幀后跟蹤末尾的特征值圖跟蹤算法在3D技術中有著重要的應用。從運動向量d以及從取自運動物體在不同的時間的兩幅相關圖像，根據(jù)Pulfrich現(xiàn)象導出3D的效果。在這種效應中，一只眼睛被黑濾波器覆蓋，眼睛和大腦需要額外的時間來處理暗的圖像。因此，相對于另一只眼睛收到的明亮圖像的感知，暗圖像的感知被延遲，這種延遲產(chǎn)生深度感覺。4.62D到3D轉換的特殊方法4.1節(jié)到4.5節(jié)中的算法主要處理提取視差或者來自3D顯示給出的右眼、左眼視圖的深度。如果只想處理單視場2D顯示，則需要不同的方法。這種方法基于2D顯示中生理和物理深度線索，如亮度、對比度、銳度、色度、水平運動和運動視差的深度（DMP）。4.6.1基于運動視差2D到3D圖像的轉換在2D運動圖像序列中，選擇不同時隙的視頻幀分別作為左眼和右眼圖像，產(chǎn)生3D感知。MTD過程的信號處理圖4.21從2D目標向右移動確定左、右眼圖像圖4.22從2D目標向左移動測定的左、右眼圖像4.6.2基于靜止圖片的深度線索從2D到3D轉換MTD方法僅適用于移動目標。對于靜止圖像必須包括基于對比度、清晰度和色度的視差提取。對比度和清晰度都與亮度相關，銳度與空間頻率的高頻相關，而對比度與空間頻率的中頻有關，色度與色調(diào)和顏色的色彩有關?；谶@些特征的方法稱為計算圖像深度（CID）方法。近目標比位置遠的目標表現(xiàn)出更高的對比度和清晰度。所以，對比度和清晰度都與深度成反比。相鄰區(qū)域呈現(xiàn)相近的色度值，從而表明它們具有相同的深度。色度是綜合2D圖像的一種方法。對比度、清晰度和色度等特征允許深度分類為遠、中和近，如圖4.24所示。圖4.24基于對比度、清晰度和合成深度分類為遠、中、近的決定過程如果分類為“近”，通過向右平移被研究的圖像創(chuàng)建左眼圖像，向左平移圖像創(chuàng)建右眼圖像，與交叉視差對應。如果分類是“遠”，通過以“近”的情況下相反的方向平移圖像，以創(chuàng)建左眼和右眼圖像，與非交叉視差對應，如圖4.24的輸出所示。4.6.3基于灰度和亮度設置從2D到3D轉換一種彩色圖像簡單地轉換成一個具有灰度級強度值I其中，右邊包含彩色強度。圖4.26以及在圖4.27中的框圖，稱為灰度級變換?；叶燃壨ㄟ^式（4.43）被擴展到，具有8位字長，范圍為0～255。這就是所謂的動態(tài)對比度增強，緊接著將灰度級變窄下降為范圍0～63