基于人眼特性的分區(qū)時(shí)分復(fù)用3D 視網(wǎng)膜投影顯示

韋子超，樓益民，胡娟梅，吳鋒民

（浙江理工大學(xué)物理系浙江省光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

0 引言

為解決近眼顯示產(chǎn)品存在的3D 實(shí)體感不強(qiáng)、暈眩、易視覺(jué)疲勞等問(wèn)題，研發(fā)人員開(kāi)始探索將全息［1］、光場(chǎng)顯示［2］和視網(wǎng)膜投影顯示［3］等技術(shù)應(yīng)用于近眼顯示，用以改善視覺(jué)效果、提升使用舒適度。其中視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)因其具有方案簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。

視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)基于麥克斯韋視圖原理［4］，通過(guò)直接在人眼視網(wǎng)膜上投影清晰的圖像來(lái)避免調(diào)焦模糊?？梢杂行Ь徑廨椵徴{(diào)焦矛盾（Vergence Accommodation Conflict，VAC）問(wèn)題［5］。傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)的出瞳直徑僅為一個(gè)像點(diǎn)的大小，系統(tǒng)可獲得極大的景深［6］，但存在著出瞳面積小、無(wú)法提供準(zhǔn)確的深度信息、計(jì)算量較大等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，YUUKI A 等設(shè)計(jì)了一種結(jié)合蠅眼透鏡和小孔陣列的顯示方案［7］，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出瞳面積提高到24 mm×24 mm，但是光效和分辨率較低。之后KIM S B 等用全息光學(xué)元件（Holographic Optical Elements，HOE）將顯示系統(tǒng)的出瞳面積擴(kuò)大至9 mm×3 mm［8］。HEDILI M K 等利用光源陣列和低延遲動(dòng)態(tài)瞳孔跟蹤裝置將出瞳面積擴(kuò)大到14 mm×10 mm［9］。CHAN C 等構(gòu)建了一種無(wú)透鏡的多視點(diǎn)顯示系統(tǒng)［10］，出瞳面積為3 mm×3 mm，但是系統(tǒng)計(jì)算量較大。SHI X 等提出了一種虛擬視點(diǎn)倍增技術(shù)［11］，利用HOE 和偏振光柵產(chǎn)生了12 mm 的水平出瞳區(qū)域。TAKAHASHI H 等利用HOE 和視差圖為觀察者提供了單眼調(diào)焦深度信息［12］，但是無(wú)法提供平滑的運(yùn)動(dòng)視差和正確的調(diào)焦刺激。隨后JANG C 等提出了一種瞳孔跟蹤光場(chǎng)顯示系統(tǒng)［13］，但是存在圖像丟失的問(wèn)題。UENO T 等設(shè)計(jì)了一種全視差近眼顯示系統(tǒng)［14］，可在人眼調(diào)節(jié)范圍內(nèi)提供單眼調(diào)焦深度信息，但是只能單色顯示。2020 年，他們又提出了一種近似密集視點(diǎn)的顯示方法［15］，改善了系統(tǒng)的景深和分辨率。NVIDIA 設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的中央凹渲染系統(tǒng)［16］，降低了渲染成本和計(jì)算時(shí)間，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)3D 顯示。JU Y J 等結(jié)合計(jì)算全息和麥克斯韋視圖技術(shù)提出了一種分區(qū)域顯示的方案［17］，在減少了數(shù)據(jù)量的同時(shí)消除了VAC，但是顯示效果受到全息技術(shù)的限制。HUA J 等提出了一種變信息密度裸眼3D 顯示技術(shù)，利用人眼的中央凹特性降低了信息冗余［18］，但是尚未能用于近眼顯示。

在上述工作的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于分區(qū)時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)，利用人眼特性將虛擬場(chǎng)景分為邊緣背景區(qū)域和中心注視區(qū)域，對(duì)中心注視區(qū)域采用時(shí)分復(fù)用的密集視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有單眼調(diào)焦響應(yīng)的真3D 顯示，同時(shí)增大出瞳面積。對(duì)邊緣背景區(qū)域則采用短焦目鏡和液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)大視角顯示。最后，利用半透半反鏡實(shí)現(xiàn)邊緣和中心區(qū)域的圖像融合，實(shí)現(xiàn)了寬視角的雙目彩色真三維視網(wǎng)膜投影顯示。

1 分區(qū)時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示原理

1.1 密集視點(diǎn)視網(wǎng)膜投影系統(tǒng)的單眼調(diào)焦深度信息重建原理

為觀察者構(gòu)造密集視點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)3D 顯示的重要技術(shù)方案。密集視點(diǎn)視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)通過(guò)空間、角度或者時(shí)間復(fù)用技術(shù)在系統(tǒng)的出瞳處形成多個(gè)視點(diǎn)，在擴(kuò)大系統(tǒng)出瞳的同時(shí)為每個(gè)視點(diǎn)輸入正確的視差圖像信息［19］，當(dāng)視點(diǎn)間隔小于人眼瞳孔直徑時(shí)，觀察者即可獲得單眼調(diào)焦深度信息，從而實(shí)現(xiàn)3D 視網(wǎng)膜投影顯示。密集視點(diǎn)的3D 視網(wǎng)膜投影系統(tǒng)的成像過(guò)程示意圖如圖1 所示。假設(shè)系統(tǒng)在眼睛瞳孔平面處形成三個(gè)視點(diǎn)，分別與三個(gè)視差圖像相對(duì)應(yīng)，遠(yuǎn)處的3D 像點(diǎn)F由視差圖像上的F1、F2、F3三個(gè)像素合成，近處的3D像點(diǎn)N由對(duì)應(yīng)圖像上的N1、N2、N3三個(gè)像素合成。如圖1（a），當(dāng)單眼調(diào)焦深度A位于點(diǎn)F所在深度平面ZF時(shí)，F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)像素對(duì)應(yīng)的光線將匯聚在視網(wǎng)膜平面上形成一個(gè)清晰的像點(diǎn)。而像素N1、N2和N3對(duì)應(yīng)的光線在視網(wǎng)膜后方重合，所以近處的像點(diǎn)N會(huì)在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)模糊的圖像。同理，A位于點(diǎn)N所在深度平面ZN時(shí)，如圖1（b）所示，像素N1、N2和N3對(duì)應(yīng)的光線在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)聚焦的像點(diǎn)，而遠(yuǎn)處的物點(diǎn)F在視網(wǎng)膜前聚焦，在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)模糊的圖像。所以，密集視點(diǎn)的3D 視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)可為觀察者提供單眼調(diào)焦深度信息。

圖1 密集視點(diǎn)視網(wǎng)膜投影系統(tǒng)的成像過(guò)程Fig.1 The imaging processes of the retinal projection system with dense viewpoints

如圖1（a）所示，將顯示屏所在平面Z0作為參考平面。在密集視點(diǎn)3D 視網(wǎng)膜投影系統(tǒng)的成像模型中，同一物點(diǎn)發(fā)出的不同方向的光線將分別依次穿過(guò)顯示平面上不同的像素點(diǎn)和瞳孔平面上不同的視點(diǎn)，這些不同方向的光線被眼睛聚焦后形成像點(diǎn)。對(duì)像點(diǎn)F或者N點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其成像位置由相似三角形可推出，即

式中，d為視差圖像上同一物點(diǎn)對(duì)應(yīng)像素的間距，v為視點(diǎn)間距，Z為像點(diǎn)深度，Zpupil為瞳孔平面深度。對(duì)于給定的系統(tǒng)，參數(shù)Zpupil、v、Z0一定，所以像點(diǎn)深度Z是關(guān)于d的函數(shù)，即可以通過(guò)調(diào)制參數(shù)d重建不同深度位置的圖像。

1.2 分區(qū)時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)

人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)從眼睛傳入大腦神經(jīng)形成視覺(jué)形象，需經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間。同樣，光的作用結(jié)束后，視覺(jué)形象并不立即消失，也需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才消失，這一現(xiàn)象被稱為“視覺(jué)暫留”。時(shí)分復(fù)用技術(shù)利用人眼的視覺(jué)暫留特性，采用大于人眼時(shí)間分辨率的頻率對(duì)圖像組進(jìn)行高頻顯示，可以讓人眼感受到多幅圖像信息疊加的效果，所以可利用視覺(jué)暫留形成3D 效果。人眼的單眼視角可達(dá)150°以上，但是只有投射到中央凹區(qū)域的圖像才能夠被精確分辨，而外圍區(qū)域的圖像分辨率明顯降低。人眼的這種特性在實(shí)現(xiàn)高分辨率聚焦的同時(shí)有利于壓縮冗余的周邊數(shù)據(jù)。通常情況下中央凹區(qū)域的視角約為5°，中央凹區(qū)域外又分為有效視域和誘導(dǎo)視域。有效視域一般小于30°，超過(guò)30°則是誘導(dǎo)視域，也稱為余光區(qū)域。中央凹區(qū)域也是對(duì)深度信息最敏感的區(qū)域。根據(jù)上述特性，提出了分區(qū)時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)，在中心注視區(qū)域采用3D 視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有單眼調(diào)焦深度信息的真3D 顯示。對(duì)邊緣背景區(qū)域采用短焦目鏡和液晶顯示器件實(shí)現(xiàn)大視角顯示。

圖2 為所提出的分區(qū)時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為：①采用3D 視網(wǎng)膜投影技術(shù)的中心注視區(qū)域顯示子系統(tǒng)（綠色虛線框區(qū)域）、②邊緣背景區(qū)域顯示子系統(tǒng)（紅色虛線框區(qū)域）、③光源陣列子系統(tǒng)（藍(lán)色虛線框區(qū)域）。光源陣列子系統(tǒng)由三色發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）陣列和準(zhǔn)直透鏡構(gòu)成。LED 陣列發(fā)出的光束通過(guò)準(zhǔn)直透鏡后形成平行光束，進(jìn)入中心注視區(qū)域顯示子系統(tǒng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成像光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of the imaging light path of the experimental system

中心注視區(qū)域顯示子系統(tǒng)包括：全內(nèi)反射（Total Internal Reflection，TIR）棱鏡、高刷新率數(shù)字微鏡器件（Digital Micro mirror Device，DMD）顯示器、分束器（Beam splitte）、反射鏡（Reflector）、目鏡（Eyepiece）。光源陣列（LED array）子系統(tǒng)發(fā)出的平行光通過(guò)TIR 棱鏡耦合后照明DMD 顯示屏，光線通過(guò)DMD 反射后透過(guò)TIR 棱鏡，被分束器分為左右兩部分，分別對(duì)應(yīng)左右兩個(gè)觀察通道。左/右通道的光線通過(guò)反射鏡和目鏡1后在左/右眼瞳孔附近形成多個(gè)視點(diǎn)。DMD 顯示屏位于目鏡1 的一倍焦距以內(nèi)，其顯示區(qū)域分為左右兩部分，分別通過(guò)左右通道的目鏡1 形成虛像。LED 陣列、DMD 與控制系統(tǒng)連接?？刂葡到y(tǒng)按照時(shí)序控制DMD 刷新顯示，同時(shí)控制LED 陣列中的點(diǎn)光源按照相同的時(shí)序依次同步照明。DMD 刷新的圖像為各個(gè)視角對(duì)應(yīng)的視圖，這些視圖與點(diǎn)光源的照明角度對(duì)應(yīng)的視角相匹配。形成利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)投影的多視角圖像。當(dāng)系統(tǒng)控制時(shí)序的頻率足夠高時(shí)，利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)即可在出瞳處形成密集視點(diǎn)的觀察窗口，實(shí)現(xiàn)3D 視網(wǎng)膜投影顯示。

該子系統(tǒng)的DMD 屏幕和目鏡1 之間的距離（物距）s=s1+s2+s3。目鏡1 到DMD 的虛擬圖像的距離（像距）為s′=（1/f1-1/s）-1。由于DMD 需要同時(shí)顯示左眼和右眼圖像，左眼使用的半塊DMD 顯示區(qū)域的寬度用w表示，虛擬圖像尺寸為W=w f1/（f1-s）。中心區(qū)域橫向最大視場(chǎng)角FOV1=2arctan（w/f1）。LED 陣列中LED 的間隔為V，子系統(tǒng)產(chǎn)生的視點(diǎn)的間隔為v，其大小為v=V f1/f2。DMD 的幀速率為FDMD，視點(diǎn)的數(shù)量為n，系統(tǒng)顯示的3D 圖像的幀速率為F3D=FDMD/n。

邊緣背景顯示子系統(tǒng)由液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、目鏡2 和作為光學(xué)合成器（Optical combiner）的半透半反射鏡構(gòu)成。其中目鏡2 為短焦目鏡，用于獲得大的邊緣視角。LCD 位于目鏡2 的一倍焦距以內(nèi)，目鏡2 的光軸和出瞳通過(guò)半透半反鏡后與目鏡1 的光軸和出瞳重合。邊緣背景顯示區(qū)域的半徑約等于目鏡2 的半徑r，從而背景區(qū)域的視場(chǎng)角FOV2=2arctan（r/f3）。人眼可以通過(guò)重合的出瞳同時(shí)看到中心注視區(qū)域的3D 圖像和邊緣背景區(qū)域的廣角圖像信息。這種分區(qū)域顯示的方法可以在保證人眼視覺(jué)中心區(qū)域獲得精確3D 顯示的同時(shí)，獲得大視角的邊緣信息，從而優(yōu)化顯示效果，降低計(jì)算負(fù)載。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

為驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性搭建了分區(qū)域時(shí)分復(fù)用的3D 視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)。由于左右觀察通道的對(duì)稱性，圖3 以左眼觀察通道為例展示了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物。系統(tǒng)的光源陣列由間距V=3.0 mm 的4×4 的彩色LED 陣列構(gòu)成，每個(gè)LED 由紅綠藍(lán)三個(gè)發(fā)光區(qū)組成，發(fā)光面積為1.5 mm2。準(zhǔn)直透鏡的焦距為f2=130 mm。中心注視區(qū)域顯示系統(tǒng)中，DMD 的幀速率設(shè)定為FDMD=4 800 Hz，分辨率為1 920×1 080，像素大小為10.8 μm，屏幕尺寸為20.7 mm×11.7 mm。目鏡1 的焦距為f1=90 mm。DMD 與目鏡1 之間的物距為79.6 mm，即s=s1+s2+s3=79.6 mm。DMD 的虛像和目鏡1 的距離為s′= 685 mm。中心注視區(qū)域的橫向視場(chǎng)角為FOV1=7.41°。視點(diǎn)的間隔為v＝2.0 mm。出瞳面積為7 mm×7 mm。由于系統(tǒng)分時(shí)復(fù)用產(chǎn)生16 個(gè)視點(diǎn)的信息，且每個(gè)視點(diǎn)包含紅綠藍(lán)三色子圖，所以當(dāng)DMD 幀頻設(shè)置為4 800 Hz 時(shí)，中心注視區(qū)域3D 圖像的幀速率為F3D= 100 Hz，在利用人眼時(shí)間暫留效應(yīng)的同時(shí)，可以有效避免圖像閃爍的問(wèn)題。為確保照明和顯示的嚴(yán)格同步，使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)基于FPGA 的DMD 和基于單片機(jī)的LED 陣列進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。邊緣背景區(qū)域顯示系統(tǒng)中，目鏡2 的焦距為f3=63 mm，透鏡半徑r=20 mm。LCD 的分辨率為2 560×1 440，像素大小為47.3 μm，屏幕尺寸為68.0 mm×121.0 mm。 邊緣背景區(qū)域的視場(chǎng)角FOV2=32°。半透半反射鏡的厚度為1.1 mm，其中一面鍍?cè)鐾改?，一面鍍半透半反射膜，以最大限度減小重影。通過(guò)半透半反鏡將目鏡1 和目鏡2 的光軸和出瞳精確重合形成系統(tǒng)出瞳，在系統(tǒng)出瞳處即可看到顯示效果。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Photo of the experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 中心注視區(qū)域的3D 顯示效果

為驗(yàn)證中心注視區(qū)域的3D 顯示效果，首先使用3dsMax 或Blender 等商業(yè)軟件建模獲得兩個(gè)位于不同深度的模型，其中紅色汽車(chē)中心位于（-7，-5，101）坐標(biāo)、紫色茶壺中心位于（21，0，131）坐標(biāo)。然后利用4×4 個(gè)虛擬相機(jī)渲染16 個(gè)不同視角的視差圖像。相機(jī)矩陣的中心坐標(biāo)為（0，-3，0）。該視差圖像的視點(diǎn)方位和分布與顯示系統(tǒng)的實(shí)際視點(diǎn)方位和分布一致。再將16 個(gè)視差圖像分色，二值化形成圖像序列。上位機(jī)軟件將圖像序列輸入DMD 內(nèi)存，并控制DMD 按照時(shí)序顯示圖像序列，同時(shí)協(xié)調(diào)LED 陣列進(jìn)行同步照明。圖4 即是相機(jī)聚焦在不同深度位置時(shí)拍攝的成像效果。圖4（a）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在近處的小車(chē)上時(shí)小車(chē)清晰，遠(yuǎn)處的茶壺因離焦而模糊。圖4（b）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在遠(yuǎn)處的茶壺上時(shí)茶壺清晰，近處的小車(chē)因離焦而模糊。由此可以證明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具有單眼調(diào)焦深度信息的真3D 視網(wǎng)膜投影顯示。

圖4 中心注視區(qū)域不同深度模型的成像效果Fig.4 Imaging results of different depth models in central gaze area

為了實(shí)現(xiàn)精確的深度顯示，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)中設(shè)定的深度值和實(shí)際顯示的深度位置進(jìn)行了標(biāo)定［20］。首先將相機(jī)聚焦在虛擬圖像上，然后挪動(dòng)標(biāo)定板使虛擬圖像和標(biāo)定板圖像同時(shí)清晰，由此測(cè)量出虛擬圖像的實(shí)際深度。實(shí)驗(yàn)效果如圖5 所示，圖5（a）聚焦在字母NEAR 處，其設(shè)定的虛擬深度為90 mm，距離相機(jī)鏡頭的實(shí)際深度為685 mm。圖5（b）聚焦在字母FAR 上，其設(shè)定的虛擬深度為215.5 mm，距離相機(jī)鏡頭的實(shí)際深度為2 000 mm。

微生物物種資源極為豐富，是地球生物多樣性的重要組成部分〔1〕。微生物的空間分布格局受到眾多驅(qū)動(dòng)因子的影響，主要包括當(dāng)代環(huán)境條件（溫度、降水、光照、土壤養(yǎng)分、pH）和歷史因素（地理阻隔、物理屏障、擴(kuò)散限制等）〔2-3〕，而溫度、降水等環(huán)境因子與山地微生物物種豐富度有著密不可分的聯(lián)系。研究人員發(fā)現(xiàn)坡向?qū)ν寥赖臏囟?、含水量等理化性質(zhì)均有影響〔4〕。不同坡向上的水分和光照強(qiáng)度存在差異，從而影響土壤微生物的生長(zhǎng)和分布格局〔5〕?，F(xiàn)階段有關(guān)坡向?qū)ν寥牢⑸锓植几窬钟绊懙难芯窟€較少。

圖5 深度標(biāo)定顯示效果Fig.5 Display effects of depth calibration

圖6 為實(shí)際深度Za與虛擬深度Z的關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)分析擬合可得，實(shí)際深度和虛擬深度的關(guān)系為

圖6 虛擬深度和重建圖像的實(shí)際深度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship of virtual depth and actual depth of the reconstructed images

由式（2）可知實(shí)際深度與虛擬深度符合線性關(guān)系，利用該函數(shù)關(guān)系可進(jìn)行準(zhǔn)確的深度重建。由于顯示

器的像素是離散的，視差圖像上同一物點(diǎn)對(duì)應(yīng)像素的間距變化并不連續(xù)，故而無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)任意位置的深度重建。但是，隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，像素尺寸會(huì)越來(lái)越小，會(huì)更利于模型的精確深度重建。

2.2.2 分區(qū)域顯示效果

為驗(yàn)證分區(qū)顯示效果，設(shè)計(jì)了如圖7 所示的場(chǎng)景：中心注視區(qū)域包括位于不同深度位置的四個(gè)立方體模型，其中模型a 中心位于坐標(biāo)（-7.4，3.5，0）、模型b 中心位于（6.7，3.5，10.5）、模型c 中心位于（-12.3，-12.3，23.7）、模型d 中心位于（6.6，-14.7，41.0）。四個(gè)模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)d分別為0 mm，0.209 mm，0.416 mm，0.625 mm。場(chǎng)景中相機(jī)矩陣的中心坐標(biāo)為（0，0，-90），焦平面位于示意圖中XOY平面。

圖7 用于顯示的場(chǎng)景Fig.7 Scene to be displayed

中心注視區(qū)域采用與2.2.1 節(jié)相同的方法進(jìn)行顯示。背景區(qū)域通過(guò)調(diào)節(jié)目鏡2 到LCD 的距離為59 mm，將LCD 的虛像設(shè)置在與模型c 中心共面的平面Za=934 mm 處。

圖8 是分區(qū)顯示時(shí)相機(jī)聚焦在不同深度位置時(shí)拍攝的成像效果。圖8（a）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在模型a 時(shí)，聚焦位置處的模型a 清晰，其他位置模型和背景因離焦而模糊。圖8（b）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在模型b 上時(shí)模型b清晰，其他模型和背景因離焦而模糊。圖8（c）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在模型c 時(shí)，模型c 和與其共面的背景區(qū)域同時(shí)清晰，其他模型因離焦而模糊。圖8（d）顯示當(dāng)相機(jī)聚焦在模型d 時(shí)，模型d 清晰，其他模型和背景因離焦而模糊。

圖8 分區(qū)顯示時(shí)聚焦在不同深度的圖像（聚焦的模型用紅框標(biāo)出）Fig.8 Images focused on different depths in partition display mode，and the focused model has been marked with a red frame

式中，f3為目鏡2 的焦距，通過(guò)控制短焦透鏡到LCD 的距離s4，靈活設(shè)置背景區(qū)域深度Ze。

表1 展示了視場(chǎng)角相等時(shí)，傳統(tǒng)3D 和分區(qū)3D 視網(wǎng)膜投影顯示所需的計(jì)算量。傳統(tǒng)技術(shù)需要計(jì)算16 個(gè)視角的圖像的全部像素，總彩色像素?cái)?shù)為24.4×106，其中包括DMD 顯示區(qū)域的15.8×106和LCD 顯示區(qū)域的8.6×106。分區(qū)3D 視網(wǎng)膜投影顯示所需的計(jì)算量，只需渲染一個(gè)16 個(gè)視角圖像的中心區(qū)域和一個(gè)邊緣區(qū)域，總共需要計(jì)算的彩色像素?cái)?shù)目為16.4×106，其中包括DMD 顯示區(qū)域的15.8×106和LCD 顯示區(qū)域的0.6×106。所以相比于傳統(tǒng)3D 渲染技術(shù)，本文方法的計(jì)算量減小了33%。在以后的研究中可以進(jìn)一步使用圖像壓縮算法減小計(jì)算量［21］。

表1 分區(qū)域3D 視網(wǎng)膜顯示和傳統(tǒng)3D 視網(wǎng)膜顯示數(shù)據(jù)量對(duì)比Table 1 Comparison of pixel data between partitive 3D retina display and traditional 3D retina display

傳統(tǒng)二維中央凹顯示技術(shù)只有一個(gè)準(zhǔn)確的深度平面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同深度物體的聚焦和離焦效果。如圖9（a）所示，傳統(tǒng)中央凹顯示技術(shù)的整個(gè)視野中的圖像都發(fā)生相同的離焦模糊，而本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)視野中不同深度的圖像具有不同的離焦模糊，如圖9（b）所示，不同位置模型的清晰度不同。所以，相較于傳統(tǒng)技術(shù)，本文所提出的顯示技術(shù)可以為人眼提供有效的單眼聚焦深度暗示，從而有效緩解視覺(jué)疲勞。相較于全息中央凹顯示技術(shù)，所提出的技術(shù)無(wú)需海量的復(fù)數(shù)運(yùn)算和相干光照明，具有較好的成像質(zhì)量，便于推廣應(yīng)用。

圖9 傳統(tǒng)二維中央凹技術(shù)顯示的圖像和本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顯示的圖像效果對(duì)比示意圖Fig.9 The comparison between the traditional two-dimensional foveated technology display effect and the proposed experimental system display effect

3 結(jié)論

本文基于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)和中央凹的視覺(jué)特性，利用分區(qū)時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種3D 視網(wǎng)膜投影顯示技術(shù)與系統(tǒng)。在中心注視區(qū)域，結(jié)合二維動(dòng)態(tài)照明和高刷新率DMD 等器件實(shí)現(xiàn)了具有單眼聚焦深度暗示信息的真3D 顯示，可以有效緩解視覺(jué)疲勞問(wèn)題。在邊緣背景區(qū)域，利用短焦目鏡和高分辨率LCD 實(shí)現(xiàn)了大視角的近眼顯示。搭建了一套3D 視網(wǎng)膜投影顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)出瞳面積為7 mm×7 mm、總視場(chǎng)角約為32°、3D 刷新率為100 Hz，單眼渲染分辨率為16.4×106。相對(duì)于傳統(tǒng)多視角3D 渲染技術(shù)計(jì)算量減小了33%。對(duì)系統(tǒng)深度的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以提供正確的深度信息。同時(shí)中心區(qū)域的高分辨率圖像和邊緣的背景融合度較好。這種系統(tǒng)在提升近眼顯示系統(tǒng)視覺(jué)體驗(yàn)的同時(shí)，減小了3D 渲染所需的數(shù)據(jù)量，具有良好的應(yīng)用前景。