偏振式立體投影系統(tǒng)性能參數(shù)研究與仿真

李 艷

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東梅州 514015)

0 引言

隨著3D(three－dimensional)產(chǎn)品的普及，人們對(duì)3D產(chǎn)品的立體再現(xiàn)質(zhì)量也提出了更高的要求.不同的3D產(chǎn)品采用的立體顯示方式不相同，影響立體投影質(zhì)量的性能參數(shù)也不一樣.目前國(guó)內(nèi)外并未出臺(tái)關(guān)于3D產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠商生產(chǎn)3D產(chǎn)品時(shí)，采用的標(biāo)準(zhǔn)也多為自定，各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)的要求并不統(tǒng)一，造成了當(dāng)前市場(chǎng)上3D產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊［1，2］.

Andrew Woods［3］針對(duì)各種不同的立體顯示器，探討了測(cè)量和表針性能參數(shù)的方法;Marja Salmimaa［4］等人采用三種不同方法對(duì)立體參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量及對(duì)比;Marcus Barkowsky［5］等人采用時(shí)序平均串?dāng)_和瞬時(shí)串?dāng)_兩種不同的方法對(duì)時(shí)序式立體顯示的串?dāng)_進(jìn)行了測(cè)量和比對(duì);潘冬冬［6］等人的研究結(jié)果表明，在偏振式立體投影系統(tǒng)中，串?dāng)_與偏振眼鏡鏡片偏振度呈反比例關(guān)系，與鏡片旋轉(zhuǎn)角度呈正比例關(guān)系;劉偉［7］對(duì)立體顯示器中存在的兩個(gè)主要問(wèn)題，即視疲勞和串?dāng)_進(jìn)行了研究，同時(shí)，詳細(xì)研究了立體顯示器的串?dāng)_，對(duì)其定義和計(jì)算方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，提出并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)主觀方法對(duì)串?dāng)_進(jìn)行測(cè)量.

偏振式立體投影系統(tǒng)［8］具有價(jià)格低廉，使用方便等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).本文對(duì)偏振式立體投影系統(tǒng)的主要性能參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出參數(shù)對(duì)立體投影質(zhì)量的影響，為偏振式立體投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與裝配提供有用數(shù)據(jù)，為質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供定性指導(dǎo).

1 立體性能參數(shù)研究

偏振式立體投影系統(tǒng)立體性能參數(shù)主要為不一致性及系統(tǒng)串?dāng)_，這兩個(gè)參數(shù)是影響其立體投影質(zhì)量最重要的參數(shù).

不一致性，包括兩路光路投影出來(lái)的圖像顏色的差異和兩幅圖像在屏幕上相對(duì)位置之間的偏差.這種位置偏差不僅包括水平、垂直方向上的平移，還包括繞光軸的旋轉(zhuǎn)等.

串?dāng)_(χ3D)［3，6］，是指觀察者在觀看立體視頻或圖像時(shí)，左(右)眼除了觀察到左(右)路投影圖像外，還能觀察到部分右(左)路投影出的右(左)眼圖像，從而在人眼中產(chǎn)生串?dāng)_.在偏振式立體投影系統(tǒng)中，串?dāng)_(χ3D)是指，投影時(shí)進(jìn)入人的左眼的右光路圖像亮度BR－L與進(jìn)入人的左光路圖像亮度BL的比值;或投影時(shí)進(jìn)入人的右眼的左光路圖像亮度BL－R與進(jìn)入人的左光路圖像亮度BR的比值，用公式表示即為:

其中，χ3D－L、χ3D－R分別為左眼及右眼串?dāng)_值.

偏振眼鏡、偏振式立體投影儀以及金屬屏幕3個(gè)部分均會(huì)引起串?dāng)_.

2 立體性能參數(shù)仿真

為了研究左右光路不一致性以及立體串?dāng)_度χ3D大小對(duì)立體投影質(zhì)量影響，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)不一致性(圖像錯(cuò)位、旋轉(zhuǎn))以及串?dāng)_進(jìn)行定性研究與分析，通過(guò)觀察者兩眼的主觀判斷，對(duì)圖像的立體效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出定量參考數(shù)據(jù).圖1所示為空間基本坐標(biāo)圖，將立體空間分為三個(gè)坐標(biāo)平面，假設(shè)立體顯示圖片在XOY平面上.評(píng)價(jià)過(guò)程中，觀察者與顯示屏幕距離為1 m.

圖1 空間基本坐標(biāo)圖

2.1 不一致性仿真

不一致性仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)立體圖像對(duì)錯(cuò)位及不同程度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了仿真，通過(guò)人眼主觀評(píng)價(jià)，得出參數(shù)對(duì)立體投影質(zhì)量影響大小.

2.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)按要求挑選立體效果良好的2組(6副)立體圖像對(duì)，其中:

第1組(3副):顯示圖像單個(gè)物體為主，背景不突出;

第2組(3副):顯示圖像沒(méi)有特別需要突出的物體，整個(gè)畫(huà)面為一個(gè)整體.

(2)采用StereoScopic軟件，分別對(duì)2組圖像進(jìn)行錯(cuò)位、旋轉(zhuǎn)處理;

錯(cuò)位:將左右圖片對(duì)調(diào)，即原本左眼圖像變成右眼圖像，右眼圖像變成左眼圖像;

旋轉(zhuǎn):采用3D·maker軟件，分別生成繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)角度為1～10°，1°為間隔的立體圖像對(duì).

(3)采用StereoScopic軟件的紅青立體播放格式進(jìn)行播放;

(4)觀察者帶上紅青眼鏡進(jìn)行觀看，對(duì)立體圖像進(jìn)行評(píng)價(jià);

(5)重復(fù)上述步驟，分別對(duì)2組(6副)不同的立體圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)錯(cuò)位仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

第1組:畫(huà)面中的背景環(huán)境失去立體效果，雙眼脹疼，重影嚴(yán)重.而從環(huán)境中脫離的單獨(dú)物體，將由原來(lái)的入(出)屏變成出(入)屏，立體感覺(jué)也很明顯.

第2組:畫(huà)面完全失去立體效果，畫(huà)質(zhì)也變得模糊，清晰度降低，兩眼觀看困難，眼睛容易脹痛.

(2)旋轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

a繞X軸方向相對(duì)旋轉(zhuǎn):左右眼圖片上下視差變大，立體感變強(qiáng)，但是由于人眼融合程度有限，因此會(huì)加重人眼觀看負(fù)擔(dān)，容易頭暈，且雙眼視覺(jué)疲勞現(xiàn)象更嚴(yán)重.對(duì)于需要體現(xiàn)上下距離感的特定景物的圖片，旋轉(zhuǎn)角度在5°以內(nèi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比原圖像更加明顯的立體效果，視線更加開(kāi)闊，但是畫(huà)面周邊會(huì)開(kāi)始模糊.超過(guò)5°左右時(shí)，上下方邊界線已經(jīng)非常明顯，肉眼可以分辨.

b繞Y軸方向相對(duì)旋轉(zhuǎn):其前后效果與在X軸上具有相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)類似.左右眼圖片在左右方向上的視差變大，立體感變強(qiáng)，同樣由于人眼融合程度有限，因此會(huì)加重人眼觀看負(fù)擔(dān)，容易頭暈，且雙眼視覺(jué)疲勞現(xiàn)象更嚴(yán)重.對(duì)于需要體現(xiàn)左右距離感的特定景物的圖片，旋轉(zhuǎn)角度在5°以內(nèi)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比原圖像更加明顯的立體效果，視線更加開(kāi)闊，但是畫(huà)面周邊會(huì)開(kāi)始模糊.超過(guò)5°左右時(shí)，上下方邊界線已經(jīng)非常明顯，肉眼可以分辨.

c繞Z軸方向相對(duì)旋轉(zhuǎn):對(duì)圖片立體效果影響最大.圖像旋轉(zhuǎn)角度大約以2°為界限，超過(guò)2°，圖片邊界模糊，兩眼漲疼且疲勞加重.試驗(yàn)中具體顯示效果為:立體圖像對(duì)中左圖往左旋轉(zhuǎn)或者右圖像往右旋轉(zhuǎn)，畫(huà)面上方左右眼距離拉大，下方縮小，導(dǎo)致上方景物立體感比下方景物立體感強(qiáng).立體圖像對(duì)中左圖往右旋轉(zhuǎn)或右圖往左旋轉(zhuǎn)，畫(huà)面上方左右眼距離縮小，下方拉大，導(dǎo)致上方景物立體感比下方景物立體感弱.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)錯(cuò)位仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 錯(cuò)位實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖

對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖2為錯(cuò)位試驗(yàn)結(jié)果分析圖.左像素點(diǎn)PL和右像素點(diǎn)PR位于顯示平面上，交換圖片前，左、右眼分別看到左、右畫(huà)面圖像像素點(diǎn)PL、PR.因此，此時(shí)人眼觀看的圖形位于顯示屏幕后方T處.左右圖片交換之后，左眼觀看的圖像像素點(diǎn)變成PR，右眼觀看的圖像像素點(diǎn)變成PL.根據(jù)3D畫(huà)面成像原理，人眼觀看到的圖像位于顯示平面的前方T＇處.因此，正常觀看時(shí)物體立體顯示效果為入屏，錯(cuò)位后將變成出屏;相反，正常觀看時(shí)物體立體顯示效果為出屏，錯(cuò)位后將變成入屏.

(2)旋轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.

a立體圖像對(duì)在X軸或Y軸上具有相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，原理可表示如圖3.D、K分別為左右眼圖片原始位置，物體成像于屏幕后方G處.當(dāng)左眼物體D往Z軸負(fù)方向移動(dòng)至E時(shí)，水平視差由原來(lái)的DK變?yōu)镮K，水平視差增大.此時(shí)，物體成像于F處，可以看出，立體深度變大，立體效果更明顯.同理，當(dāng)左眼物體D往Z軸正方向移動(dòng)至C時(shí)，水平視差由原來(lái)的DK變?yōu)镴K，水平視差減小.

圖3 繞X軸或Y軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)原理圖

圖4 繞Z軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)原理圖

b立體圖像對(duì)在Z軸上具有相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，原理可表示如圖4.D1、K1分別為左右眼圖片原是位置，物體成像于屏幕后方G1處.當(dāng)左眼物體D1往X軸負(fù)方向移動(dòng)至I1時(shí)，水平視差由原來(lái)的D1K1變?yōu)镮1KI，水平視差增大.此時(shí)，物體成像于F1處，可以看出，立體深度變大.同理，當(dāng)左眼物體D1往X軸正方向移動(dòng)至J1時(shí)，水平視差由原來(lái)的D1K1變?yōu)镴1K1，水平視差減小.此時(shí)，物體成像于 處.可以看出，立體深度變小，立體效果沒(méi)有原來(lái)明顯.

2.2 串?dāng)_仿真試驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

同2.1.1，其中第(2)步改為:(2)采用photoshop軟件，合成兩幅圖片串?dāng)_值分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%時(shí)的紅青立體圖.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，串?dāng)_值在10% ～15%之間是一個(gè)臨界.小于10%時(shí)，對(duì)立體投影質(zhì)量的影響不大，串?dāng)_引起的重影也不明顯;10% ～15%之間時(shí)，立體感并沒(méi)有消失，重影慢慢嚴(yán)重，已經(jīng)影響畫(huà)面觀看;超過(guò)15%，尤其到達(dá)30%時(shí)，雖然有立體感，但是重影嚴(yán)重影響了畫(huà)面質(zhì)量.人眼也明顯產(chǎn)生不舒服、疲勞、漲疼等現(xiàn)象.

由于在偏振式立體投影系統(tǒng)中，串?dāng)_由偏振眼鏡、偏振式立體投影儀以及金屬屏幕三個(gè)部分引起，而偏振眼鏡及金屬屏幕的串?dāng)_是固定的.因此，在設(shè)計(jì)偏振式立體投影儀時(shí)，要盡量降低左右兩路光路的串?dāng)_，使三部分引起的串?dāng)_值低于10%，才符合人眼觀看要求.

3 結(jié)論

本文對(duì)影響偏振式立體投影系統(tǒng)投影質(zhì)量的性能參數(shù)——不一致性和串?dāng)_進(jìn)行了全面闡釋，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上對(duì)投影過(guò)程中左右眼圖像錯(cuò)位、相對(duì)旋轉(zhuǎn)及串?dāng)_進(jìn)行了仿真，分析了參數(shù)對(duì)立體投影質(zhì)量的影響，為偏振式立體投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了定量參考數(shù)據(jù)，并為后期立體投影質(zhì)量評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了定性指導(dǎo).

致謝感謝清華大學(xué)國(guó)家光盤(pán)中心馬建設(shè)博士團(tuán)隊(duì)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件及指導(dǎo).

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