龔琳

（陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

三維視景系統(tǒng)是船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，它影響著系統(tǒng)的整體逼真度。現(xiàn)有船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的視景系統(tǒng)，主要通過平面多通道顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)二維圖像。這種平面成像技術(shù)給人的深度信息尚不能滿足真實(shí)感模擬訓(xùn)練的需要，特別是在進(jìn)行一些專業(yè)訓(xùn)練時(shí)，如船艇靠離碼頭、船艇避碰、水上搜救、船艇指揮員心理研究等都需要通過眼睛來估計(jì)空間距離，如果能利用立體顯示技術(shù)，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)身臨其境的感覺，從而提高訓(xùn)練效果。

本文以立體顯示技術(shù)的原理為基礎(chǔ)，通過研究現(xiàn)有的視景立體顯示的方法理論，結(jié)合船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)視景顯示的特點(diǎn)，對(duì)立體顯示技術(shù)在船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中應(yīng)用的軟件實(shí)現(xiàn)方法、硬件架構(gòu)以及可能出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)探討。

2 立體顯示的基本原理

人在觀察物體時(shí)，兩眼的角度是帶有略微差別的，所以被觀察的目標(biāo)所展現(xiàn)在兩只眼睛的視網(wǎng)膜中的立體成像自然也存在差異，我們通常將此類差異稱為雙眼的生理視差。視網(wǎng)膜上的兩幅具有視差的圖像稱為立體圖像對(duì)。立體視覺之所以產(chǎn)生就是因?yàn)殡p眼視差的存在和展現(xiàn)。當(dāng)大腦視覺神經(jīng)中樞接收到視感細(xì)胞傳遞來的左右眼在視網(wǎng)膜上所形成的差異，經(jīng)視神經(jīng)再對(duì)左右眼的視差進(jìn)行融合處理，人們便能在大腦中很快體驗(yàn)到所觀察目標(biāo)的立體層次感。

綜上所述，在人腦中要形成立體視覺的必備條件有：①人眼所觀察的目標(biāo)圖像一定存在左右視差；② 左右兩眼一定要分別觀察并行成左右不同影像，產(chǎn)生雙像分離。因此，從理論上可以這樣假設(shè)，如果我們將普通圖像序列進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成立體圖像對(duì)序列，然后再對(duì)立體圖像對(duì)進(jìn)行處理輪流地顯示到左右眼，那么根據(jù)人眼的視覺暫留特性就可生成三維立體視景。

3 立體顯示技術(shù)在船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 立體顯示系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)立體顯示的原理分析，船艇模擬指揮訓(xùn)練系統(tǒng)如果要配備立體視景顯示系統(tǒng)需要滿足兩個(gè)條件，首先本來的平面透視視景圖像序列必須轉(zhuǎn)成兩幅具有左右視差的視景圖像序列；然后配上一定的硬件設(shè)備使左右兩眼分別觀察左右相應(yīng)的影像。因此，從結(jié)構(gòu)上來講，船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的立體視景系統(tǒng)應(yīng)該由兩大部分組成，即立體圖像對(duì)生成模塊、立體顯示和觀察模塊，如圖1所示。

圖1 立體顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在該系統(tǒng)中，立體圖像對(duì)生成模塊是研究如何運(yùn)用視景開發(fā)軟件生成相應(yīng)的具有視差的兩幅立體圖像。立體顯示觀察模塊則主要研究如何利用顯示設(shè)備等硬件對(duì)立體圖像對(duì)進(jìn)行快速交叉顯示。

3.2 立體圖像對(duì)的生成方法

立體圖像對(duì)生成方法是把普通的單視點(diǎn)透視擴(kuò)展到雙視點(diǎn)透視，也就是對(duì)每個(gè)視點(diǎn)分別計(jì)算一幅透視圖，從而產(chǎn)生圖像的深度感。如果三維場(chǎng)景已經(jīng)建立好了，就需要將該場(chǎng)景目標(biāo)同時(shí)投影以形成圖像坐標(biāo)系中的左右眼兩種視圖，這樣就形成了立體圖像對(duì)。這種模擬的辦法就像人的左右眼觀察目標(biāo)物體一樣。攝像機(jī)生成立體成像的工作原理也是模擬人眼形成左右眼的立體圖像對(duì)。即，首先對(duì)場(chǎng)景中的物體目標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換；然后，攝像機(jī)設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行透視投影。該目標(biāo)物體經(jīng)過攝像機(jī)的投影就是機(jī)器所拍攝到的底片，監(jiān)視器上攝像機(jī)視口的圖像則是攝像底片所沖洗出來的圖片。我們將兩個(gè)完全一樣的物體目標(biāo)分別放置在不同坐標(biāo)上，將它們之間的距離等同于左右眼的瞳距，然后對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，自然也就生成了立體圖像對(duì)。

3.3 立體成像投影系統(tǒng)的構(gòu)建

在船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，需求不僅能將生成的立體視景在某一臺(tái)計(jì)算機(jī)上顯示，而且能將生成的立體視景通過特定的設(shè)備投射到多臺(tái)計(jì)算機(jī)、大屏幕或環(huán)型屏幕以供多人使用。因此采用基于多通道環(huán)形幕的立體視景系統(tǒng)更能滿足船艇模擬指揮訓(xùn)練系統(tǒng)多人參與使用的需求。當(dāng)前，一般的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)立體顯示投影技術(shù)主要有如下兩種：被動(dòng)式投影和主動(dòng)式投影。當(dāng)然，主動(dòng)式投影和被動(dòng)式投影都是相對(duì)立體眼鏡而說的，即被動(dòng)式立體眼鏡是指被動(dòng)地接收立體圖像，該設(shè)備本身不需要有任何動(dòng)作；主動(dòng)式立體眼鏡是指主動(dòng)地交替開關(guān)左右眼鏡片以便于左右眼分別接收?qǐng)D像。

（1）被動(dòng)式投影

被動(dòng)式立體成像是將兩臺(tái)投影機(jī)組合形成同一個(gè)通道來產(chǎn)生投影，一臺(tái)機(jī)器投影到左眼并產(chǎn)生圖像，另一臺(tái)機(jī)器投影右眼并產(chǎn)生圖像。兩只眼睛所接收到的圖像通過不同方向的偏振光片過濾，使其偏振方向互相垂直，并投影到同一屏幕上。左右眼再佩戴與左右眼圖像偏振方向同向的偏振眼鏡，使左視圖投影光進(jìn)入左眼，右視圖投影光進(jìn)入右眼，從而使觀察者產(chǎn)生立體視覺,如圖2所示。

（2）主動(dòng)式投影

主動(dòng)式立體成像是接受者在觀察時(shí)戴有主動(dòng)式立體眼鏡，該立體眼鏡的鏡片由高速反應(yīng)液晶制成。投影儀快速交替地將機(jī)器生成的左右眼圖像分別投射到投影屏幕，通過紅外發(fā)射設(shè)備發(fā)射同步的信號(hào)。在立體眼鏡上顯示左眼圖像時(shí)，計(jì)算機(jī)通過紅外發(fā)射設(shè)備立即發(fā)射出信號(hào)，該立體眼鏡接收到紅外信號(hào)后立即向觀察者的立體眼鏡右眼鏡片發(fā)送反轉(zhuǎn)電壓，該鏡片變黑，圖像只能在左眼中看到。如此這般，屏幕顯示右眼圖像時(shí)，該立體眼鏡的左眼鏡片立即變黑，圖像只能被右眼看到。

圖2 被動(dòng)式立體成像示意圖

（3）被動(dòng)式投影與主動(dòng)式投影的區(qū)別

被動(dòng)式投影與主動(dòng)式投影對(duì)比而言，①在硬件設(shè)備上，被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)需要兩臺(tái)投影儀并形成一個(gè)通道，但主動(dòng)式的立體顯示系統(tǒng)只需要一臺(tái)，但為滿足左右眼各48Hz的顯示刷新率，主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)的投影儀必須達(dá)到至少96Hz的圖像刷新率，同時(shí)因?yàn)榱炼葥p耗，所使用的投影儀必須滿足高亮度條件，所以主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)的投影儀單臺(tái)成本并不低于被動(dòng)立體顯示系統(tǒng)每通道兩臺(tái)投影儀的成本；②從受眾人數(shù)來看，被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)適合較多人同時(shí)使用，且立體眼鏡輕便，易攜帶，佩戴方便，與此相反，主動(dòng)式觀察設(shè)備則較笨重且成本高，適合少數(shù)人獨(dú)立使用；③顯示效果方面，采用偏振光技術(shù)的被動(dòng)立體顯示系統(tǒng)易產(chǎn)生重影，存在亮度損耗，若兩臺(tái)投影儀顯示失真較大會(huì)明顯影響立體顯示效果。主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)相對(duì)被動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)，亮度損耗更大，在顯示刷新率較低時(shí)，畫面會(huì)出現(xiàn)閃爍，容易造成視覺疲勞，出現(xiàn)不適反應(yīng)。

（4）多屏幕環(huán)形系統(tǒng)所需硬件設(shè)備及連接方式

從以上分析來看，因?yàn)橹鲃?dòng)立體顯示的方式亮度衰減比較多，立體眼鏡也較重，觀看時(shí)間長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)頭暈、眼脹甚至惡心的現(xiàn)象，所以目前不適合用于船艇訓(xùn)練。而被動(dòng)立體方式因成本低，對(duì)投影儀沒有要求，而且眼鏡比較輕，被很多立體電影院或小型立體視景系統(tǒng)所采用。

基于多通道環(huán)形幕的立體視景系統(tǒng)所需設(shè)備總結(jié)如下：1）配備專業(yè)高性能圖形加速卡的計(jì)算機(jī)；2）立體圖像轉(zhuǎn)換器（適用于偏振光技術(shù)）；3）立體眼鏡；4）偏振光片或光譜濾光片；5）普通或高亮度投影幕；6）立體顯示視景驅(qū)動(dòng)軟件；7）立體顯示開發(fā)平臺(tái)；8）三維建模軟件。連接方式如圖3所示。

圖3 被動(dòng)立體顯示投影設(shè)備連接方式圖

4 技術(shù)難點(diǎn)及相關(guān)解決措施

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，立體顯示技術(shù)在船艇操縱模擬器上的應(yīng)用越來越成熟。理論上，只要立體顯示原理應(yīng)用正確，在固定觀察范圍內(nèi)進(jìn)行觀察都應(yīng)能夠觀察到立體顯示效果，但實(shí)際操作卻并非這么簡(jiǎn)單。立體顯示過程涉及光學(xué)、信息技術(shù)、生理心理、電子制造和系統(tǒng)論等多方面學(xué)科。作為一個(gè)多方面協(xié)同運(yùn)作的系統(tǒng)過程，由于有些技術(shù)理論和實(shí)體產(chǎn)品的不完善，限制了立體顯示技術(shù)與模擬器的兼容。所以，立體顯示系統(tǒng)的影像品質(zhì)和系統(tǒng)兼容性以及使用者體驗(yàn)仍存在較多問題，現(xiàn)對(duì)較典型的三個(gè)問題進(jìn)行討論。

4.1 立體圖像的質(zhì)量問題

在理想情況下，當(dāng)左眼的圖像投影并顯示時(shí)，右眼的圖像應(yīng)完全消失；相反，當(dāng)右眼圖像投影并顯示時(shí)，左眼的圖像也應(yīng)完全消失。然而，目前的技術(shù)水平卻很難實(shí)現(xiàn)這種理想的狀態(tài)，因?yàn)樽笥已壑g還存在著圖像間的串?dāng)_問題。而且，這種串?dāng)_是由于多重因素綜合影響形成的。主要因素是在我們開啟與關(guān)閉快門時(shí)的漏出量。這些因素對(duì)圖像重影的影響很難由確切的測(cè)量方法測(cè)出其數(shù)量，但對(duì)于提高圖像的質(zhì)量而言，它可以提供很有用的依據(jù)。圖像中的重影直接與明亮度、水平視差的大小和高反差成正比，與原像的復(fù)雜性和圖像精細(xì)度成反比。因此，我們需要通過多次反復(fù)調(diào)節(jié)諸多因素來減輕雙目之間的串?dāng)_現(xiàn)象，如圖像的明度、反差、原像復(fù)雜性和水平視差等。

所以，為了使產(chǎn)生的立體效果真實(shí)，我們必須要做到以下幾點(diǎn)：(1)需要計(jì)算得到符合三維特征的立體圖像對(duì)。(2)選擇恰當(dāng)?shù)碾p眼視差。如果雙眼視差過大，會(huì)給人造成不舒適和不真實(shí)的感覺；而如果視差過小，就會(huì)使場(chǎng)景顯示的立體效果受到影響。(3)要選擇合適的屏幕與眼睛之間的距離。(4)顯示設(shè)備的刷新率要足夠高，否則將產(chǎn)生“閃爍”現(xiàn)象。

4.2 生成過程中圖像校正與投影邊緣融合問題

多通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)是一種沉浸式環(huán)境，其成像方法在技術(shù)上也有較高的復(fù)雜性，一個(gè)完整的多通道環(huán)幕投影系統(tǒng)可能存在以下幾個(gè)技術(shù)問題：一是因?yàn)槠聊皇黔h(huán)形的，所以投影機(jī)投射的圖像直接投射到具有弧度的屏幕上，就會(huì)產(chǎn)生失真；二是各個(gè)投影通道之間圖形在渲染繪制時(shí)如何能夠保持同步；三是各個(gè)通道與相鄰?fù)ǖ浪队暗膱D像之間的邊緣過渡時(shí)要保持平滑的問題。這都是不利于使用者體驗(yàn)的因素。為了提高模擬指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的效能，就必須對(duì)圖像進(jìn)行校正以達(dá)到水平并將通道間的邊緣圖像以適度比與全景融合。為此提供以下兩種解決方法：

第一，采用邊緣融合方法，這是目前最常用的投影邊緣處理的方法，即通過對(duì)右投影儀的左邊重疊部分圖像的亮度進(jìn)行線性增加處理，使重疊區(qū)域的亮度與普通投影區(qū)的亮度趨于一致。

第二，在對(duì)圖形圖像進(jìn)行渲染時(shí)，穿插進(jìn)行圖像的校正、融合，這主要通過三個(gè)過程實(shí)現(xiàn)：投影圖像疊加、圖像融合、伽馬校正。

4.3 觀察過程中出現(xiàn)的視覺疲勞和不適反應(yīng)

作為對(duì)使用者影響最大的問題，同時(shí)也是限制立體顯示技術(shù)發(fā)展的問題，一般視疲勞和不適反應(yīng)都是由于心理的應(yīng)激障礙和眼肌的適應(yīng)性緊張?jiān)斐傻?，包括視點(diǎn)輻合角與垂直視差。視點(diǎn)輻合角指兩視軸夾角，輻合角過大會(huì)導(dǎo)致眼睛肌肉緊張，垂直視差也會(huì)導(dǎo)致觀察者雙眼疲勞及暈眩感。為此，我們通常設(shè)置適度的視景深度參數(shù)，選取平行投影法。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，基于立體顯示技術(shù)的航海模擬器的實(shí)際效果，相較平面顯示系統(tǒng)的顯示效果、真實(shí)感、沉浸感以及深度信息都有較大程度的提高，但與現(xiàn)實(shí)航海體驗(yàn)相比，在視覺和操縱上仍有巨大的差距。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們相信在全息立體顯示已投入應(yīng)用的今天，立體顯示技術(shù)在船艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上的應(yīng)用會(huì)早日得以實(shí)現(xiàn)，并在真實(shí)感和沉浸感，以及訓(xùn)練實(shí)效和功用上有較大的提高。

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