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.目前國內(nèi)外并未出臺關(guān)于3D產(chǎn)品質(zhì)量評價的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠商生產(chǎn)3D產(chǎn)品時，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)前市場上3D產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊［1，2］.

Andrew Woods［3］針對各種不同的立體顯示器，探討了測量和表針性能參數(shù)的方法;Marja Salmimaa［4］等人采用三種不同方法對立體參數(shù)進(jìn)行了測量及對比;Marcus Barkowsky［5］等人采用時序平均串?dāng)_和瞬時串?dāng)_兩種不同的方法對時序式立體顯示的串?dāng)_進(jìn)行了測量和比對;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］對立體顯示器中存在的兩個主要問題，即視疲勞和串?dāng)_進(jìn)行了研究，同時，詳細(xì)研究了立體顯示器的串?dāng)_，對其定義和計(jì)算方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，提出并實(shí)現(xiàn)了通過主觀方法對串?dāng)_進(jìn)行測量.

偏振式立體投影系統(tǒng)［8］具有價格低廉，使用方便等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場競爭優(yōu)勢.本文對偏振式立體投影系統(tǒng)的主要性能參數(shù)進(jìn)行了研究，通過仿真實(shí)驗(yàn)得出參數(shù)對立體投影質(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)量評價系統(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的圖像顏色的差異和兩幅圖像在屏幕上相對位置之間的偏差.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，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個部分均會引起串?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大小對立體投影質(zhì)量影響，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，對不一致性(圖像錯位、旋轉(zhuǎn))以及串?dāng)_進(jìn)行定性研究與分析，通過觀察者兩眼的主觀判斷，對圖像的立體效果進(jìn)行評價，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坐標(biāo)平面，假設(shè)立體顯示圖片在XOY平面上.評價過程中，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，對立體圖像對錯位及不同程度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了仿真，通過人眼主觀評價，得出參數(shù)對立體投影質(zhì)量影響大小.

2.1.1 實(shí)驗(yàn)過程

(1)按要求挑選立體效果良好的2組(6副)立體圖像對，其中:

第1組(3副):顯示圖像單個物體為主，背景不突出;

第2組(3副):顯示圖像沒有特別需要突出的物體，整個畫面為一個整體.

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

錯位:將左右圖片對調(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.

(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，對立體圖像進(jìn)行評價;

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

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)錯位仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

第1組:畫面中的背景環(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，將由原來的入(出)屏變成出(入)屏，立體感覺也很明顯.

第2組:畫面完全失去立體效果，畫質(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，因此會加重人眼觀看負(fù)擔(dān)，容易頭暈，且雙眼視覺疲勞現(xiàn)象更嚴(yán)重.對于需要體現(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，會出現(xiàn)比原圖像更加明顯的立體效果，視線更加開闊，但是畫面周邊會開始模糊.超過5°左右時，上下方邊界線已經(jīng)非常明顯，肉眼可以分辨.

b繞Y軸方向相對旋轉(zhuǎn):其前后效果與在X軸上具有相對旋轉(zhuǎn)時類似.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，因此會加重人眼觀看負(fù)擔(dān)，容易頭暈，且雙眼視覺疲勞現(xiàn)象更嚴(yán)重.對于需要體現(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，會出現(xiàn)比原圖像更加明顯的立體效果，視線更加開闊，但是畫面周邊會開始模糊.超過5°左右時，上下方邊界線已經(jīng)非常明顯，肉眼可以分辨.

c繞Z軸方向相對旋轉(zhuǎn):對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:立體圖像對中左圖往左旋轉(zhuǎn)或者右圖像往右旋轉(zhuǎn)，畫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).立體圖像對中左圖往右旋轉(zhuǎn)或右圖往左旋轉(zhuǎn)，畫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)錯位仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 錯位實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖

對此實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖2為錯位試驗(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、右畫面圖像像素點(diǎn)PL、PR.因此，此時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，正常觀看時物體立體顯示效果為入屏，錯位后將變成出屏;相反，正常觀看時物體立體顯示效果為出屏，錯位后將變成入屏.

(2)旋轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.

a立體圖像對在X軸或Y軸上具有相對旋轉(zhuǎn)時，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)方向移動至E時，水平視差由原來的DK變?yōu)镮K，水平視差增大.此時，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軸正方向移動至C時，水平視差由原來的DK變?yōu)镴K，水平視差減小.

圖3 繞X軸或Y軸相對旋轉(zhuǎn)原理圖

圖4 繞Z軸相對旋轉(zhuǎn)原理圖

b立體圖像對在Z軸上具有相對旋轉(zhuǎn)時，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)方向移動至I1時，水平視差由原來的D1K1變?yōu)镮1KI，水平視差增大.此時，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軸正方向移動至J1時，水平視差由原來的D1K1變?yōu)镴1K1，水平視差減小.此時，物體成像于 處.可以看出，立體深度變小，立體效果沒有原來明顯.

2.2 串?dāng)_仿真試驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)過程

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%之間是一個臨界.小于10%時，對立體投影質(zhì)量的影響不大，串?dāng)_引起的重影也不明顯;10% ～15%之間時，立體感并沒有消失，重影慢慢嚴(yán)重，已經(jīng)影響畫面觀看;超過15%，尤其到達(dá)30%時，雖然有立體感，但是重影嚴(yán)重影響了畫面質(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，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)平臺上對投影過程中左右眼圖像錯位、相對旋轉(zhuǎn)及串?dāng)_進(jìn)行了仿真，分析了參數(shù)對立體投影質(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)量評價方法設(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)國家光盤中心馬建設(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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