基于自由立体显示系统的人机交互研究

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1、摘要：随着三维立体显示的发展，不带观察设备的自由立体显示系统得到广泛的研究，本文通过对自由立体显示系统中人的视差感知因素研究、自由立体显示图像透视图计算方法的研究，进行人机因素分析和人机行为研究，得到人机行为分析流程图，依据人机因素分析和人机行为分析流程图，得出要实现更好的自由立体显示所需的必要条件。对研究自由立体显示技术有良好的参考价值。为普及自由立体显示技术提供一些具有针对性的建议。关键字： 自由立体显示； 透视图；立体显示；人机交互1．引言 观察者不需要佩戴任何观察设备就可以直接看见3D立体图像。即自由立体显示技术。自

2、由立体显示主要有全息立体技术、平板显示、体立体与立体投影技术等等。其中全息立体技术是研究历史最长，最成熟的立体技术，但是由于全息图像的色散问题使得难以做出一幅全彩色的立体图像，而平板显示与自由立体显示技术由于现有技术条件的限制，很难实现大屏幕显示。立体投影的实现方式有全息投影、菲涅尔透镜投影和双柱面光栅投影等等。其中，双柱面光栅投影立体投影系统利用了成熟的大屏幕投影技术，可以比较方便地实现大幅面的全彩色立体图像，因而受到了广泛重视。  随着三维立体显示电影阿凡达等的出现，三维立体显示得到广泛的关注，自由立体显示系统作为最好实

3、现真三维立体显示的技术，对自由立体显示的研究具有重要的作用，本文通过对自由立体显示系统中人的因素分析以及自由立体显示图像制作分析，为了使人得到很好的三维立体感觉，进行了综合的人机交互分析2．自由立体显示中人的视差感知因素分析2.1双眼竞争(Binocularrivalry) 所谓双眼竞争是指在无法融合的双眼刺激间产生的知觉更替[1]。其中，在特定时间看到的刺激叫显要刺激；在特定时间无法看到的刺激叫抑制刺激。当两个刺激很小时，会交替看到两个完整的映像，这是“全或无”优势；当不同模式的不同部分在不同区域占优势时，即所谓的镶嵌式优

4、势。图1 双眼竞争 如图1示，仔细观察就会了解到，双眼竞争引发的直接后果之一便是抑制刺激在受抑制过程中，其特征几乎完全从知觉意识中消失。这在系统显示中是非常危险的，因此，应当尽量避免给操作者双眼的网膜对应位置呈现不相称的刺激，以阻止双眼竞争现象的发生。2.2Pulfrich现象 德国物理学者CarlPulfrich于1922年指出，当我们把中性密度的滤光片放在一只眼睛前(另一只眼睛前没有)去观察单摆(或钟摆)的运动时，我们会看到摆球似乎在沿平面椭圆形轨道运动，这就是Pulfrich现象(此单摆称为普氏摆)。摆球运动的方向取决

5、于人的哪只眼睛戴滤光片，双眼间亮度水平的差异在运动场景下会造成深度错觉。Gregory采用视觉潜伏期假说对这种深度错觉现象做了解释。他认为：被过滤眼中的刺激亮度衰减，使该眼的视觉反应潜伏期延长，因此有关物体位置的信号在传输到视皮层时会产生双眼间的时间偏差，从而导致在深度上运动的错觉。根据这种解释，只要有运动和双眼间的亮度差异，那么就有可能存在体视信息，这种信息会改变视觉显示中已有视差的大小甚至是方向，因此，应当尽量避免双眼间的深度差异，以免影响对三维立体视觉的探测。3.自由立体显示图像制作的问题 任何立体显示系统，都是软硬件

6、的有机结合。怎样正确实现立体透视图对的形成和显示是软件设计的主要任务，软硬件能否协调一致、取长补短是影响整个系统性能的重要因素，下面阐述几个对正确构建和显示立体图像对至关重要的因素[2]。3.1左右透视图的计算 在立体视觉系统中，要为左右眼各生成一个透视图，需要两个水平排列的投影中心。图像分别投影到这两个投影中心生成左右视图。标准的图形学投影方式如图2所示，这里使用左手坐标系统。通过这种有两个投影中心的投影方式[3]，可获得类似人眼的视野分布：中央的重叠区和两个单视区，而获得比单投影中心方式更宽的视野范围，而且在重叠区由于左

7、右透视图的差异，将会有更多的信息被存入左右透视图对中。图2体视观察空间 根据透视投影的变换矩阵可导出体视投影变换矩阵。以视点坐标系（右手系）原点O（在体视学中叫做中央眼）为视点的透视变换矩阵为 （1）式中d为视距。如图2所示，设左视点为SL（-B/2，0，0），右视点为SR（B/2，0，0），SLSR称为眼基线，SLSR平行于画面，SLSR=B，B称为目距，约为65mm。则左、右视点的体视变换矩阵分别为 （2）（3）设空间一点的坐标为，则其左、右投影分别为 （4）  （5）显然，左、右视点y和z坐标分别相等，所不同的只是x坐

8、标，而（6）其中称为图对间隔位似系数，如图3所示。上式说明，左、右投影间距不是一个常数，而是与物体各顶点的z坐标有关。由图3还可以看出，这时z坐标应小于0。           (a)示意图                            (b)根据透视原理画出的体视图图3物体的体视