立体显示技术：原理、问题与优化策略

### 立体显示技术：原理、问题与优化策略 #### 1. 立体视觉基础 立体视觉是人类视觉系统的一项重要能力，它让我们能够感知物体的深度和三维空间。当两只眼睛看到的图像差异过大时，就会出现复视（diplopia）现象，即立体图像的部分出现重影。能够将物体融合并看到无重影图像的三维区域被称为帕努姆融合区（Panum’s fusional area）。在最坏的情况下，帕努姆融合区的深度非常小。例如，在中央凹处，融合崩溃前的最大视差仅为 1/10 度，而在离中央凹 6 度的视网膜图像处，极限为 1/3 度。这是因为 V1 区的视差检测神经元只能对两只眼睛图像之间的小局部差异做出反应。 立体视觉是一种超敏锐的感知能力，我们能够分辨低至 10 弧秒的视差。在最佳观看条件下，我们甚至可以看到 1 公里外的物体与无穷远处物体之间的深度差异。 对于基于显示器的立体显示来说，这些数据具有重要意义。以每厘米 30 像素的屏幕为例，在 57 厘米的观看距离下，每度视角对应 30 像素。在出现复视之前，视角的 1/10 度限制转化为大约 3 像素的屏幕视差。这意味着在最坏的情况下，在屏幕前后只能显示 3 个整像素深度的步骤，并且只能看到从屏幕延伸出几分之一厘米深度的虚拟图像。不过，这是最坏的情况，抗锯齿图像可能会提供比像素分辨率更好的效果，因为与游标敏锐度能够超越像素分辨率的原理相同。此外，帕努姆融合区的大小高度依赖于许多视觉显示参数，如图像的曝光时间和目标的大小。移动目标、模拟景深和更大的图像组件横向分离都会增加融合区的大小。虽然基于视差的深度判断也可以在融合区外进行，但准确性较低。 #### 2. 立体显示存在的问题 拥有立体显示功能的 3D 可视化系统用户在新鲜感消退后，通常会禁用立体观看功能。立体显示不受欢迎有以下几个原因： - **复视问题**：立体计算机显示器中的重影问题通常比正常观看 3D 环境时严重得多。在现实世界中，比注视对象更远的物体在视网膜上是模糊的，因为我们更容易融合模糊的图像，所以这减少了复视问题。此外，焦点与注意力和中央凹注视相关，在现实世界中，未被注意的周边物体的重影通常不会被注意到。然而，在当今的计算机图形系统中，尤其是那些允许实时交互的系统，很少模拟景深。因此，计算机图形图像的所有部分都同样清晰聚焦，即使某些部分可能有很大的视差。所以，除非模拟景深，否则立体计算机图形显示器中出现的重影会非常明显。 - **帧抵消问题**：当立体深度线索表明虚拟图像应该出现在屏幕前方时，屏幕边缘会遮挡虚拟物体，这种现象被称为帧抵消。遮挡会覆盖立体深度信息，导致深度效果消失，通常还会伴随着应该出现在前方的物体的重影。因此，在创建立体图像时，应避免将图形对象放置在屏幕前方并被屏幕边缘裁剪，最简单的方法是确保在立体深度方面没有物体位于屏幕前方。 - **辐辏 - 聚焦问题**：当我们在不同距离的物体之间切换注视点时，眼睛的会聚（辐辏）会发生变化，同时眼睛晶状体的焦距也会调整以将新物体聚焦。在人类视觉系统中，辐辏和聚焦机制是相互关联的。在立体显示器中，所有物体都位于同一焦平面上，无论它们的表观深度如何。屏幕式立体显示器提供视差和辐辏信息，但没有聚焦信息。这种未能正确呈现聚焦信息与辐辏的结合，可能会导致眼睛疲劳。这个问题在立体头戴式系统和基于显示器的立体显示器中都存在。不过，随着年龄的增长，人们重新聚焦眼睛的能力会下降，这个问题应该会有所减轻。 - **远距离物体问题**：立体观看的问题并不总是与视差过大有关，有时视差可能过小。立体深度线索在距离观察者 30 米以内最为有用，超过这个距离，视差往往太小而无法分辨，除非在最佳观看条件下。在实际应用中，大多数有用的立体深度信息是在距离观察者小于 10 米的范围内获得的，对于大约手臂长度距离的物体可能效果最佳。 #### 3. 创建有效立体显示的方法 由于立体深度感知是一种超敏锐的能力，理想的立体显示器应该具有非常高的分辨率，远高于典型的桌面显示器。在当前的显示器上，精细细节由像素产生，在立体显示器中，诸如细线等特征的像素化会产生错误的双目对应关系。高分辨率显示器能够呈现精细的纹理梯度和视差梯度，这是立体表面形状感知的基础。因此，在创建用于 3D 可视化的立体显示器时，应使用尽可能高的屏幕分辨率，特别是在水平方向上，并力求实现出色的空间和时间抗锯齿。 为了减轻上述复视、帧抵消和辐辏 - 聚焦问题，有一些方法可以采用，但在能够真正模拟深度的显示器商业化之前，这些问题无法完全解决。所有解决方案都涉及通过人为地将计算机图形图像纳入融合区来减少屏幕视差。例如，有人发现当显示器中的视差不超过 1.6 度时，复视问题是可以接受的，并据此提出屏幕视差应小于到屏幕距离的 0.03 倍，但这在