摘 要： 提出一種基于旋轉(zhuǎn)屏的裸眼立體顯示新方法，利用人眼的視覺暫留及旋轉(zhuǎn)過程中雙目可視的屏幕區(qū)域不同的原理，構(gòu)成視差。給出了理論分析及部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并指出本方法的一些問題和未來研究方向。
關(guān)鍵詞： 立體顯示；旋轉(zhuǎn)屏；視差；視覺暫留
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眼睛的一個(gè)重要特性是視覺惰性，即光像一旦在視網(wǎng)膜上形成，視覺將會(huì)對(duì)這個(gè)光像的感覺維持一個(gè)有限時(shí)間，這種生理現(xiàn)象叫做視覺暫留性[1]。對(duì)于中等亮度的光刺激，視覺暫留時(shí)間約為0.05s～0.2s，所以屏幕上的單個(gè)靜態(tài)畫面可以變成連續(xù)動(dòng)作的影像。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)屏幕旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行到某一位置時(shí)，顯示該位置對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，到下一位置切換顯示內(nèi)容。觀看者面前的虛擬屏幕由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)替換了掃描過程[2]。這種通過屏幕旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影像顯示范圍可達(dá)到360°，突破了傳統(tǒng)屏幕限制。
由于人的兩眼間有4cm～6cm的距離，所以實(shí)際上人們看物體時(shí)兩只眼睛中的圖像有差別。兩幅不同的圖像輸送到大腦后，人們看到的是有景深的圖像。傳統(tǒng)屏幕很難在觀眾不帶特殊眼鏡的情況下，讓左右眼接收到不同的圖像[3-5]。在本文提到的顯示方法中，旋轉(zhuǎn)的顯示器外圍制作留有一個(gè)縫隙的擋光罩，由于左右眼透過縫隙能看到屏幕的位置不一樣，從而實(shí)現(xiàn)了雙目的視差。
1 旋轉(zhuǎn)立體顯示原理
1.1 旋轉(zhuǎn)顯示原理
顯示器被固定于圓形桌子上，通過電機(jī)使顯示器連同桌子一同旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的做法使顯示器在不同的角度顯示相應(yīng)物體的投影畫面，這可以產(chǎn)生全息圖像[2-4]。這里不同于傳統(tǒng)方法，在顯示器外罩一層圓形擋光罩，擋光罩正對(duì)顯示器處留出一條縫隙。實(shí)物如圖1所示。
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顯然，人眼只有通過留出的豎直縫隙才可以觀看到屏幕，并且同一時(shí)刻只能觀看到屏幕的一個(gè)豎直區(qū)域。
使圖1所示系統(tǒng)以600rpm速度高速旋轉(zhuǎn)，透光縫隙將以很高的速度不停地在人眼前水平方向掃過，當(dāng)豎直的縫隙以水平速度高速掃過，由于如前所述的人眼視覺暫留特性，將產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)方形顯示區(qū)域。詳細(xì)過程如圖2。
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當(dāng)縫隙旋轉(zhuǎn)至位置A時(shí)，眼睛能夠看到屏幕左端的星形；旋轉(zhuǎn)至B點(diǎn)可以看到屏幕中間的星形；旋轉(zhuǎn)到位置C可以看到屏幕右邊的星形。根據(jù)視覺暫留特性，人腦中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)同時(shí)顯示三顆星形的屏幕影像，并且，這與觀測(cè)者的角度位置無關(guān)。事實(shí)上無論在何角度觀看，總會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了360°全角度觀看節(jié)目。
1.2 立體視差的產(chǎn)生
雖然在人眼前呈現(xiàn)的是一個(gè)虛的平面，但一個(gè)時(shí)刻里，眼睛所能看到的屏幕區(qū)域只是很窄的一個(gè)豎條，這是由罩在屏幕外面的擋光罩上的細(xì)縫決定的。人的雙目有4cm～6cm的距離，這使得雙目透過細(xì)縫可視的屏幕區(qū)域不同。所以在屏幕的不同位置顯示不同的左右眼圖像，可以讓雙目產(chǎn)生視差[6]。
在圖3中，右眼觀測(cè)區(qū)域是EF，左眼觀測(cè)區(qū)域?yàn)镚H。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，顯然左眼先觀測(cè)到屏幕；之后左眼觀測(cè)區(qū)GH朝屏幕右邊移動(dòng)，而原來的左眼觀測(cè)區(qū)GH將成為右眼觀測(cè)區(qū)EF；直到透光縫隙運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)后，左眼觀測(cè)區(qū)GH將移出屏幕變成不可見，而右眼觀測(cè)區(qū)EF仍然可見，直至最后完全移出。
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綜上，只要保證每個(gè)時(shí)刻在屏幕EF區(qū)域及其左面范圍顯示右眼圖像，而在GH及其右面范圍顯示左眼圖像，便可保證雙目視差的產(chǎn)生。這里，F(xiàn)G的長(zhǎng)度需要探討，以保證雙目可視區(qū)域能夠完全分離，而不會(huì)產(chǎn)生重合的狀態(tài)。FG和人眼離圓心的距離、透光縫隙的寬度等多個(gè)量有關(guān)，將在下一節(jié)的理論分析中詳述。另外一個(gè)值得探討的問題是在何位置切割顯示屏顯示左右兩個(gè)畫面。由于F和G點(diǎn)都是時(shí)刻在運(yùn)動(dòng)的，選好左右視差圖顯示的分界線，才能使得EF區(qū)域內(nèi)是所需要的右眼圖像。
2 理論分析
旋轉(zhuǎn)屏的數(shù)學(xué)幾何模型如圖4所示?？紤]左右眼可視區(qū)域的邊界情況，即當(dāng)左眼剛能看見屏幕邊緣G點(diǎn)，此時(shí)右眼看到屏幕區(qū)域的最右邊為F點(diǎn)。顯然DHG和EHF是需要討論的兩條直線，它們與屏幕交于G、F點(diǎn)，能區(qū)分視差圖像的條件即為FG>0。
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屏幕OG。可見
為了讓左眼和右眼的圖像盡量不干擾，對(duì)應(yīng)左右眼的圖像的分界點(diǎn)應(yīng)該取在FG的中點(diǎn)。始終保證該點(diǎn)左邊是右眼應(yīng)該看到的圖像，右邊是左眼的圖像。這樣在實(shí)際過程中即使有一些偏差，仍然有FG/2的容錯(cuò)量，不至于出現(xiàn)左眼看到右圖像或右眼看到左圖像。
當(dāng)然還有實(shí)際測(cè)量尺寸不可避免的誤差情況，以上是定量的分析。當(dāng)屏幕尺寸和雙目距離一定時(shí)，F(xiàn)G長(zhǎng)度由觀測(cè)者離屏幕距離及透光縫隙寬度決定。離屏幕越近、透光縫隙越窄，則FG越大，即區(qū)分效果越好。但是值得指出的是，這將使透光縫隙可視的那段圓弧變小，這樣虛屏幕的亮度自然將降低很多。對(duì)于這種矛盾，可以根據(jù)實(shí)際情況取折中值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)采用電機(jī)帶動(dòng)桌面旋轉(zhuǎn),考慮到屏幕的承受能力和屏幕顯示的處理速度，旋轉(zhuǎn)速度取600rpm。
當(dāng)人坐于觀測(cè)位置時(shí)，透光縫隙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺淖笸?。?biāo)記下右眼剛能看見屏幕最左端時(shí)屏幕所處的旋轉(zhuǎn)角度，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)屏幕標(biāo)記下左眼剛能看見屏幕最左端時(shí)屏幕所處的旋轉(zhuǎn)角度和此時(shí)右眼可見到的屏幕的位置，可計(jì)算出屏幕切換畫面的時(shí)機(jī)。這個(gè)位置和不同的人及觀看位置有關(guān)，這是需要改進(jìn)的地方。圖5是未加擋光罩時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。
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和國外一些利用透鏡和光柵的裸眼立體顯示實(shí)驗(yàn)比較[7-9]，本文闡述的方法能夠讓左右圖像對(duì)非對(duì)應(yīng)的眼睛干擾非常小，純凈的圖像能構(gòu)造出更逼真的視差。目前已做成產(chǎn)品的利用光柵分離的液晶屏幕，需要以犧牲水平分辨率為代價(jià)，這對(duì)于產(chǎn)生高質(zhì)量立體效果是不利的。而透鏡的制作成本很高，也不利于推廣。相關(guān)的還有巧妙利用點(diǎn)云技術(shù)的方法[10]，效果比較理想，但和本文方法完全不同。
本文利用人眼視覺暫留效應(yīng)，通過旋轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生虛擬屏幕，使得觀看者可以在任意角度觀看影像。進(jìn)一步引出使用遮光罩的辦法讓雙目產(chǎn)生視差，最終實(shí)現(xiàn)裸眼立體顯示。旋轉(zhuǎn)屏作為一種新穎的顯示產(chǎn)品，可以便捷地實(shí)現(xiàn)3D顯示，具有很大的市場(chǎng)前景[11-12]。而在日益崛起的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，本文所介紹的方法也是一種新的方向。
當(dāng)然，本文所述的方法還有需要進(jìn)一步研究的地方。首先，屏幕對(duì)于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的破壞力的承受能力有限，這限制了更高速的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)視頻不順暢。采用LED陣列可以解決這個(gè)問題，但提高分辨率需要更先進(jìn)的芯片技術(shù)。其次，立體顯示的質(zhì)量和位置遠(yuǎn)近有很大關(guān)系，這也使得觀眾不能隨意獲得需要的效果。還有處理器的速度問題，因?yàn)槠聊灰芸烊诤锨袚Q左右眼需要看到的圖像，這對(duì)于DSP的處理速度要求很高?？梢钥紤]使用兩塊屏幕背靠背，每塊屏幕前都開一條縫，這樣每旋轉(zhuǎn)180°就完成一個(gè)周期，效率提高一倍。
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