双目立体视觉及正交偏振 3D 显示

       人眼的双目立体视觉成像人类最神秘最完美的身体构造之一，了解人眼的基本构造和视觉成像处理过程，对于 3D 显示技术具有极大的启发。本文主要对人眼的基本构造、视觉成像系统进行简单介绍，并对基于此立体视觉原理的偏光式 3D 显示系统的结构和工作原理进行分析和介绍。

1.人眼的构造与成像原理

人类在观看外界事物时先是通过双眼接收由光所搭载的物体信息，信息传递 到大脑后再经神经中枢处理形成最终的视觉效果。人类的视觉成像系统包括眼睛 和视觉神经，其中光觉、形觉、色觉、运动觉和体视觉等功能又受中枢神经系统 控制 ，人眼结构如图所示。

人眼底部视网膜正中的黄斑区对光学信号敏感度最高，对物体的成像也最清晰。光信号会在视网膜上进行变换、滤波、编码，以神经信号的方式传输给视觉神经系统和中枢神经系统。人眼的双目视觉指的是观察一个外界物体时，其影像分别在两眼视网膜的黄斑区内成像并转变为神经信号沿视觉神经系统传输到大脑，大脑的高级中枢神经系统会把双眼所接收的视觉信号进行比对和分析，最后融合成一幅完整且富有立体感的画面，人眼的这个成像过程称为双眼单视。双眼单视中又包含一项独立的高级视觉成像功能，称为立体觉，就是感知三维立体空间的直觉，这是人眼成像系统中一项必不可少的功能。人的眼睛好像一架照相机，其中晶状体就等同于照相机镜头，外界的光线从瞳孔进入，通过晶状体以后在视网膜上成像，视网膜的作用类似于 CCD（图像传感器），它将光信号转换为生物电信号并通过视神经系统传输到大脑，最终在大脑的中枢神经系统完成图像的综合分析和认知。 

2.双目立体视觉

人类习惯使用双眼来观察所处的这个三维立体的现实世界，不仅能够感知到物体的大小、颜色、形状，还能察觉出物体与自己相隔的距离，产生远近的感觉。像这样对距离的感知就称为深度感知，也就是空间深度感，空间深度感是形成 3D立体视觉最关键的因素。 

2.1双眼视差

上个世纪初期，“视差创造立体”原理被提出。“视差”就是指当人的双眼分别从不同角度来观察外界世界时，右眼和左眼看到的同一物体之间微小的差别。在双眼观察同一物体时，左眼看到的物像左边的部分会多一些，右眼看到的物像右边的部分会多一些。这是因为成年人的瞳孔间距在 53mm-73mm 范围内，平均间距在 65mm 左右所以，当双眼观察同一物体时是具有细微的差别的，这就是“双眼视差”。人的大脑在接收到双眼获得的这些细微差别后，经过中枢神经系统的分析处理，加工融合，可以得到物体的空间位置等信息，最终形成立体视觉。 

有一个简单的书脊成像实验可以展示双眼视差的形成，如图 下图所示。将一本书放在正前方距双眼大约 25cm 的位置，把书脊朝向人脸的方向并向下倾斜大约45°，这个时候轮流闭上一只眼睛，用另一只眼睛观察书本，右眼恰好可以看到书的封底，而左眼正好看到封面。当双眼视网膜所成的像传到视觉神经中枢时，人就可以感觉到眼前这本书具有立体感。

保龄球成像实验更直观地展示了双眼视差的效果。在观察放在人正前方的保龄球时，左右眼的视野稍有差别，左眼和右眼看到的是保龄球列不同 的侧面，最后通过大脑的分析和融合才得到了正前方的保龄球视图。

像这样具有微小视差的一对平面图像我们称之为立体图像对。

2.2人眼的深度感知

当人们观察物体上的某一点时，由该点发射的光就会聚于双眼视网膜中心的中央凹，我们在两眼的视网膜上为两个中央凹给出了一对可以进行比较的对应位置，以此作为依据来确定双眼的会聚，同时，来自关注点以外的光并不一定会会聚在两眼视网膜上给出的对应位置。这里可以通过全息圆（如图 所示）来说明这个过程，并通过推导获得双眼视差所产生深度感知的定量数值。 我们设双眼晶状体的中心点分别为 O1和 O2，当双眼注视图中的 M 点时，模拟光线传输将 O 1 、O 2 和 M 点用两条直线连接起来，m l 和 m 2 是这两条直线的延 伸线与视网膜的交点。接下来，我们在图中的两眼视网膜上分别确定两个点 P l 和 P 2 ，这两个点也是在视网膜上成像的空间中的点，当 ∠P1O1m1= ∠ P2O2m2时它 们恰好处于对应的位置。

当 P 点按以上描述在视网膜上成像为 Pl、P2时，它在视网膜上没有双眼视差。由几何关系可知，将所有双眼视差为零的 P 点连起来恰好构成了一个经过 O1和O2两点的圆。这个根据双眼视差所得出的圆就称为全息圆。 如图中 Q 点这样不在全息圆上的点，它所发射的光线就无法会聚在两眼视网膜上的对应位置，这样视觉神经中枢通过感知和分析双眼视差就可以识别空间各点之间的距离差别。 我们可以轻易地分析出双眼视差和绝对距离的关系。当会聚角∠ β＜ ∠α时，Q 点到双眼平面 O1O2的垂直距离大于 P 点到双眼平面的垂直距离，大脑就会产生Q 点比 P 点远的深度感。 

对于双眼视差和相对距离的关系我们可以定量的方式来推导计算： 
设 P 点的会聚角与 Q 点会聚角相差： η = α -β 
设 M 点和 Q 点到双眼平面 O1O2的垂直距离分别是ML 和QL ，令  QM -Q L = δ， 当 δ<< M  L时，得： 

人眼的双眼视差对η 的感觉灵敏度阈值为10′′，它被称为立体锐视度。因此，M 点和 Q 点相对距离的最小值为： 
ML =  1 米时， δ min = 0.8毫米  

ML =  10 米时， δ min  = 8厘米  

M L  =   100 米时， δ min = 8米；

针对人眼最常观察的中等视距来说，双眼视差所提供的信息就是人眼深度感知最重要的线索。 

2.3 3D显示器的立体感

3D 显示屏幕之所以能够使观众产生立体视觉效果，就是因为它能够使观众产生深度感，这种深度感既可以向前又可以向后，下图说明了 3D 显示屏幕是如何通过双眼视差来使物体在屏幕上产生向前或者向后的深度感。

我们假设屏幕上显示了 3 个点：A、B、C，并且每个点都同时具有左、右两
个图像对，分别为 Al和 Ar，Bl和 Br，Cl和 Cr，其中 Al、Bl和 Cl由左眼画面显示，而 Ar、Br和 Cr则由右眼画面显示。 当我们使用双眼观看屏幕时，可以分为三种情况。A 点的左眼图像 Al和右眼图像 Ar恰好在屏幕上重合，此时双眼看到的正好是同一个图像点，大脑会判断点A 的位置处在与屏幕水平面重合的 A’处；B 点和 C 点的情况就不同了，B、C 两点的左右眼图像在屏幕上并不重合，这时如果对 3D 显示器显示画面采用适当的处理手段，让 B 点和 C 点的左眼图像 Bl和 Cl只能被左眼看到，而右眼图像 Br和 Cr只能被右眼看到，观众的大脑视觉神经系统就会分析融合两眼图像形成 B 点和 C点的空间图像，并判断 B 点的位置处在屏幕水平面后方的 B’处，C 点的位置处在屏幕水平面前方的 C’处。3D 显示屏幕就是这样利用人眼的双眼视差使得 A、B、C 三点产生深度感，也就是立体感。

我们把显示器屏幕上的一对图像对之间的象素差称为水平视差，如上图中 B 点所示，当左眼看到的图像 Bl位于屏幕左侧，右眼看到的图像 Br位于屏幕右侧时，这一对图像对之间的水平视差被称为正视差；相反，如图中 C 点所示，当左眼看到的图像 Cl位于屏幕右侧，而右眼看到的图像 Cr位于屏幕左侧时，这一对图像对之间的水平视差就被称为负视差；而如图 3-5 中 A 点所示，当左眼看到的图像 Al与右眼看到的图像 Ar重合时，这一对图像对之间的水平视差为 0，称之为零视差。  

3.3D显示的条件

普通的平面二维显示器无法实现 3D 视觉效果是因为人们在看电视的时候，无论电视里的画面内容如何改变，人的双眼对屏幕画面某一点所产生的会聚角始终没有变化，水平视差一直处于零视差，所以看到的永远只是一个平面而没有立体深度感。产生这种现象的根本原因就在于左右眼看到了完全相同的画面。所以，如果我们能设法向左右两眼分别传输两组拍摄角度稍有不同的画面，并且让左右两眼都只能看到其对应的画面，就可以通过调节这两组画面之间细微的不同来调节双眼水平视差，使物体产生空间深度感，进而再现其空间定位以实现 3D 立体显
示。 由以上理论分析可以知道，3D 显示器要想使观众产生 3D 立体视觉效果，在屏幕上实现 3D 立体显示，有三个条件是必须具备的： 
（1） 需要左眼和右眼两路影像； 
（2） 两路影像是不同的，并且具有正确的视差； 
（3） 左右眼的两路影像要完全分离，左影像进左眼，右影像进右眼。

4.正交偏振 3D 显示系统 

4.1正交偏振 3D 显示系统的基本结构

可以知道显示器前端出射的是搭载了视频画面信号的偏振光。配套的偏振眼镜左右眼镜片的偏振方向互相垂直成 90°夹角，并且分别与该配套液晶显示器出射偏振光的偏振方向垂直和平行。而系统实现 3D显示效果的 TN 副屏是一层功能独立的液晶副屏，它贴附在液晶显示器前端，也就是出射偏振图像一侧，TN 副屏在 3D 显示系统中主要是作为开关面板工作。

4.2正交偏振 3D 显示系统的工作原理 

正交偏振 3D 显示系统实现 3D 效果的工作过程有两个阶段。我们先假设TFT-LCD 前端出射的偏振光初始偏振方向为 0°，配套偏振眼镜的左眼镜片偏振方向为 0°，右眼为 90°。 
在第一阶段，不对 TN 副屏施加电压。此时 TN 副屏内的液晶分子由于连续弹性体理论和液晶分子的粘滞性呈现自然扭转 90°状态。由于液晶的光波导效应，由 TFT-LCD 前端出射的搭载了图像信息的偏振光在透过 TN 副屏时，其偏振方向会随着液晶分子的连续扭转而偏转 90°，如图所示。所以，当它透过 TN副屏后偏振方向从 0°变为了 90°，刚好与配套的偏振眼镜右眼镜片偏振方向平行，而与左眼垂直，因此只能透过右眼镜片被右眼接收。 
在第二阶段，对 TN 副屏施加驱动电压，此时 TN 副屏内的液晶分子由于液晶的电光效应会沿电场方向排列，液晶的光波导效应消失，由TFT-LCD 前端出射的偏振光在透过 TN 副屏时，其偏振方向不会发生任何改变。所以，当它透过 TN 副屏后偏振方向依然为初始方向 0°，刚好与配套的偏振眼镜左眼镜片偏振方向平行，而与右眼垂直，因此只能透过左眼镜片被右眼接收。 由于 TN 副屏的这种开关作用成功地分离出了两路偏振方向互相垂直的偏振光，每一路偏振光恰好只能通过一只偏振眼镜的镜片被一只眼睛接收。这时，只需要准备稍有不同且具有正确双眼视差的两路影像片源，左眼图面搭载于进入左眼的 0°偏振光，同时右眼画面搭载于进入右眼的 90°偏振光。这样，观众的右眼就只能观察到右眼画面而左眼只能观察到左眼画面，通过大脑皮层中枢神经系统的分析和融合作用，就能产生 3D 立体视觉效果。 

3.5立体图像对 

有了 3D 显示器件，同样还需要 3D 片源才能观看到 3D 影像。人们通常会制作符合双眼视觉特征的两幅立体图像，称之为“立体对”。3D 片源就是用这样的立体图像对制作而成的。立体图像对通常是使用两台模拟人眼视觉机制的摄像机共同拍摄制作而成，或是使用计算机图像生成技术按照要求制作而成。 使用立体摄像机拍摄 3D 片源时，两台相同的摄像机会保持固定的距离和夹角关系，两个镜头的间距通常采用人眼平均间距 65mm，在拍摄过程中可以调整两台摄像机之间的距离和夹角来模拟人的双眼。两台摄像机会分别拍摄对应于左眼和右眼的两套影像，后续处理中再进行进一步的立体视图匹配计算。而使用计算机图像生成软件制作的立体影像，通常会先建立一幅单眼视图，如右眼视图，然后根据平移、映射、旋转等算法生成右眼视图。 下图一 是 3D 摄像拍摄制作的立体图像对，（a）为左眼图像，（b）为右眼图像。从图中可以看出左右眼图像在舌头伸出的角度，帽子右边界与背后画上的字符位置，人的身体与画上人物脚的位置等这些细节方面有微小差异，这就是模拟人左右眼拍摄制作的立体图像对所体现出的双眼视差。 图（c）就是把（a）和（b）的立体图像对左右眼图像合成后制作的 3D 片源，可以从画面上看出左右眼图像的细微差别。 

引用： 刘璞. (2012). 正交偏振3D显示系统的研究. (Doctoral dissertation, 电子科技大学).