立体摄影首页〉立体摄影文章

立体摄影原理
立体摄影问答
立体光学成像原理及立体照相
RICOH XR-X3000(D)照相机

虚拟现实中立体视觉的研究
一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图片合成方法

立体电视
计算机立体视觉技术综述
全三维成像方法
激光全息照相

有关立体成像技术的释疑——答立体爱好者问

 

 

虚拟现实中立体视觉的研究


摘 要 本文研究了空间视觉中的立体线索,阐明了立体视觉深度的形成原理,并基于立体透视投影推导了有关的计算公式。介绍了借助于液晶光阀眼镜、利用二维立体图像对实现立体成像的简易方法。
关键词 立体线索,视差,立体图像对,立体透视投影,虚拟现实

  虚拟现实是一种新兴的,极有应用前景的计算机综合性技术。由于人类从客观世界获得的信息80%以上来自视觉,因而视觉沟通就成为多感知的虚拟现实系统中最重要的环节,立体视觉技术也就成为虚拟现实的一种极重要的支撑技术。早在虚拟现实技术研究的初期,计算机图形学的先驱Ivan Sutherland就在其SWORD OF DAMOCLES系统中,实现了三维立体显示,用人眼观察到了空中悬浮的框子,极为引人注意。现今流行的虚拟现实系统WTK,dVISE等都无一例外地支持立体眼镜或头盔。本文拟对立体成像技术进行研究。

1 立体图像对、双目视差及立体显示
  据研究,人的大脑能从四个方面获得深度(距离)线索。它们是:静态图像中的深度线索,由运动造成的深度线索,生理上的深度线索以及立体线索。下文仅就立体线索进行研究。
  当我们用双眼看同一景物时,由于左、右眼在空间所处位置不同,每只眼晴的视角会有所不同。即使对人体瞳距(约50mm)这样的小距离也是这样(如图1)。如果我们在两眼视场中放一投影面,如1-A中的P1,则两眼的视线在此投影面上会生成两个位置略有不同的图像(投影)。当其我们模仿产生这一对平面图像,并采取技术措施,使左眼只能看见右边的图像A1,而右眼只能看见左边的图像A2,那么,人类的视觉系统是否会溶合该二维空间中的一对稍有差别的图像,生成具有深度感受的图像来呢?简单滤光镜的实验证实了这一想法。我们把这能生成立体感受的二维图像对(A1,A2)称为“立体图像对”,立体图像对之间的水平距离A1A2称作“双目视差”。根据投影面、人眼以及观察对象之间的相对位置,可有负视差(如图1-A),正视差(如图1-B)之分。

t24-1.gif (1910 bytes)

图1 负视差及正视差图

2 立体透视投影的计算
  
从上面的讨论,立体图像对的产生是由于左、右眼观察物体的透视结果的不同。现在我们根据透视原理进行立体图像对的计算。
  设两眼距离为2×half-eye,物体离视点的距离是Odistance,投影平面距视点的距离为Pdistance。若将两眼之间的线段的中点定义为坐标系的原点,该线段位于X轴上,Z轴与投影平面垂直,使用右手系建立一个三维坐标系。两眼的坐标分别为(half-eye,0,0)、(-half-eye,0,0),设物体点坐标为(x3,y3,z3),从两眼分别看该物体点,在投影平面上该物体投影点的坐标分别为(x21,y21,z2)及(x22,y22,z2),z3=Odistance,z2=Pdistance。其空间位置如图2所示。其X-Z平面和Y-Z平面上的投影图如图3所示。

 

t25-1.gif (3154 bytes)

图2 立体透视投影图

t25-2.gif (3627 bytes)

图3 X-Z和Y-Z上的投影图

  为了方便地计算投影点的坐标,我们选用右眼的位置作坐标原点。则我们可以得到如图4所示的图。

  其中:X3=x3+half-eye。

t25-3.gif (2913 bytes)

图4 右眼为原点的X-Z和Y-Z图

  由三角形的相似性,我们可以很容易地得到下面的公式:

  X3/X21=Z3/Z2
  Y3/Y21=Z3/Z2

  由此可以得到:X21=X3×Z2/Z3 Y21=Y3×Z2/Z3
  将原坐标代入上式,并将Z3=Odistance,Z2=Pdistance代入得:
x21=[(-half-eye+x3)*Pdistance/Odistance]+ half-eye
y21=y3 *(Pdistance/Odistance)
  当计算左画面时,half-eye为正值;计算右画面时,half-eye为负值。
  为说明上述各关系式的作用,考虑观察中心点位于Z轴上、边长为10cm的一个立方体,若观察者距立方体中心点为85cm,投影面距观察者为40cm,且取观察者的瞳距为5cm。对立方体的每个顶点进行立体透视投影计算,现以顶点(5,5,80)为例进行计算如下:
因:half-eye=2.5cm Odistance=80cm Pdistance=40cm
得:x21=3.75cm, x22=1.25cm, y21=y22 =2.5cm
  对8个顶点分别加以计算后,连接相应的立体透视投影点,即可得该立方体的立体对。

3 立体图像的产生
  按透视计算产生出立体图像对以后,为了观察到有立体感受的图像,就需要做到:左眼只能看到右画面,右眼只能看到左画面(对负视差而言)。使用简单的滤光镜可以实现。其原理是:由于滤光片(常为红、蓝滤光片)吸收了其它的光线,只能让相同颜色的光线透过,因此左、右两眼各透过不同颜色的光。当使用滤光镜观察计算机屏幕上用镜片颜色按透视计算画出的立体图像对时,就会形成具有深度感受的图像。但是,由于滤光镜限制了色度,只能产生黑白的立体图像。为获得彩色的立体图像得用能透过全部可见光的电视机液晶光阀眼镜。

t25-4.gif (5412 bytes)

图5 立体成像流程图

  电视液晶光阀眼镜由两个控制快门(液晶片)、一个同步信号光电转换器和一个TV Driver组成。其中,光电转换器负责将CRT依次显示左、右画面的同步信号传递给液晶眼镜,以控制液晶眼镜左、右快门的开关。这个同步信号由CRT显示的画面上的一个小正方形提供。这个小正方形的颜色在左、右画面里是相反的,比如当它在左画面上显示为白色时,在右画面上它就显示为黑色。因此这种光的 变化就可以代表左、右画面的变化 。当它被转换为电信号后用以控制液晶快门的开关,从而实现了左眼看右图、右眼看左图,使人眼观察获得立体成像。
  我们利用液晶光阀眼镜进行了线框图和彩球的立体成象,得到了明显的立体视觉效果。由于我们向两眼提供的是具有负视差的立体视图像对,所以看到的物体都是漂浮于屏幕和眼睛之间的。其流程如图5所示。
  在研究过程中,我们发现液晶光阀眼镜的开关转换频率对图像的立体效果的形成起着关键性的作用。转换频率太低,则由于人眼所维持的图像已消失,不能得到三维图像的感受,而太高的转换频率,将会出现干扰现象,即一只眼睛可以看到两幅图像,原图像较为清晰,干扰图像较模糊。原因是:液晶光阀眼镜的开关机构切换光阀的动作太慢。当显示器的图像切换,同步信号被光电转换器送到开关机构,开关机构又切换光阀,从图像切换和光阀切换之间有一个较大的延迟,因而当右图像已经被切换为左图像时,右光阀仍没有来得及完全关闭,右眼就看到了左眼的图像,就这样,产生了图像的干扰,转换频率控制在40-60帧/秒为宜。

4 结论
  我们通过使用电视液晶光阀眼镜,根据双目视差的原理,得到了较好的立体感受。从研究结果可以得到:
  . 利用“双目视差”和立体图像对,可以通过二维图像使人类获得立体视觉的感受;
  . 立体图像对可以利用透视原理成功地进行计算;
  . 为了成功地得到立体感受,控制液晶眼镜的开关的转换频率是一个决定性的因素。