論自由立體顯示系統(tǒng)在人機交互研究中的應用

1 引言

隨著三維立體顯示電影阿凡達等的出現(xiàn)，三維立體顯示得到廣泛的關注，自由立體顯示系統(tǒng)作為最好實現(xiàn)真三維立體顯示的技術，對自由立體顯示的研究具有重要的作用，本文通過對自由立體顯示系統(tǒng)中人的因素分析以及自由立體顯示圖像制作分析，為了使人得到很好的三維立體感覺，進行了綜合的人機交互分析。觀察者不需要佩戴任何觀察設備就可以直接看見3D立體圖像。即自由立體顯示技術。自由立體顯示主要有全息立體技術、平板顯示、體立體與立體投影技術等等。其中全息立體技術是研究歷史最長，最成熟的立體技術，但是由于全息圖像的色散問題使得難以做出一幅全彩色的立體圖像，而平板顯示與自由立體顯示技術由于現(xiàn)有技術條件的限制，很難實現(xiàn)大屏幕顯示。立體投影的實現(xiàn)方式有全息投影、菲涅爾透鏡投影和雙柱面光柵投影等等。其中，雙柱面光柵投影立體投影系統(tǒng)利用了成熟的大屏幕投影技術，可以比較方便地實現(xiàn)大幅面的全彩色立體圖像，因而受到了廣泛重視。

2 自由立體顯示中人的視差感知因素分析

2.1 雙眼競爭 （Binocular rivalry）

所謂雙眼競爭是指在無法融合的雙眼刺激間產(chǎn)生的知覺更替。其中，在特定時間看到的刺激叫顯要刺激；在特定時間無法看到的刺激叫抑制刺激。當兩個刺激很小時，會交替看到兩個完整的映像，這是“全或無”優(yōu)勢；當不同模式的不同部分在不同區(qū)域占優(yōu)勢時，即所謂的鑲嵌式優(yōu)勢。

圖1 雙眼競爭

如圖1示，仔細觀察就會了解到，雙眼競爭引發(fā)的直接后果之一便是抑制刺激在受抑制過程中，其特征幾乎完全從知覺意識中消失。這在系統(tǒng)顯示中是非常危險的，因此，應當盡量避免給操作者雙眼的網(wǎng)膜對應位置呈現(xiàn)不相稱的刺激，以阻止雙眼競爭現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 Pulfrich 現(xiàn)象

德國物理學者Carl Pulfrich于1922年指出，當我們把中性密度的濾光片放在一只眼睛前（另一只眼睛前沒有）去觀察單擺（或鐘擺）的運動時，我們會看到擺球似乎在沿平面橢圓形軌道運動，這就是Pulfrich現(xiàn)象（此單擺稱為普氏擺）。擺球運動的方向取決于人的哪只眼睛戴濾光片，雙眼間亮度水平的差異在運動場景下會造成深度錯覺。Gregory 采用視覺潛伏期假說對這種深度錯覺現(xiàn)象做了解釋。他認為：被過濾眼中的刺激亮度衰減，使該眼的視覺反應潛伏期延長，因此有關物體位置的信號在傳輸?shù)揭暺訒r會產(chǎn)生雙眼間的時間偏差，從而導致在深度上運動的錯覺。根據(jù)這種解釋，只要有運動和雙眼間的亮度差異，那么就有可能存在體視信息，這種信息會改變視覺顯示中已有視差的大小甚至是方向，因此，應當盡量避免雙眼間的深度差異，以免影響對三維立體視覺的探測。

3 自由立體顯示圖像制作的問題

任何立體顯示系統(tǒng)，都是軟硬件的有機結合。怎樣正確實現(xiàn)立體透視圖對的形成和顯示是軟件設計的主要任務，軟硬件能否協(xié)調一致、取長補短是影響整個系統(tǒng)性能的重要因素，下面闡述幾個對正確構建和顯示立體圖像對至關重要的因素。

3.1 左右透視圖的計算

在立體視覺系統(tǒng)中，要為左右眼各生成一個透視圖，需要兩個水平排列的投影中心。圖像分別投影到這兩個投影中心生成左右視圖。標準的圖形學投影方式如圖2所示，這里使用左手坐標系統(tǒng)。通過這種有兩個投影中心的投影方式，可獲得類似人眼的視野分布：中央的重疊區(qū)和兩個單視區(qū)，而獲得比單投影中心方式更寬的視野范圍，而且在重疊區(qū)由于左右透視圖的差異，將會有更多的信息被存入左右透視圖對中。

圖2 體視觀察空間

根據(jù)透視投影的變換矩陣可導出體視投影變換矩陣。以視點坐標系（右手系）原點O（在體視學中叫做中央眼）為視點的透視變換矩陣為

（1）

式中d為視距。如圖2所示，設左視點為SL（-B/2，0，0），右視點為SR（B/2，0，0），SLSR稱為眼基線，SLSR平行于畫面， SLSR= B，B稱為目距，約為65mm。則左、右視點的體視變換矩陣分別為

（2）

（3）

設空間一點的坐標為，則其左、右投影分別為

（4）

（5）

顯然，左、右視點y和z坐標分別相等，所不同的只是x坐標，而

（6）

其中稱為圖對間隔位似系數(shù)，如圖3所示。上式說明，左、右投影間距不是一個常數(shù)，而是與物體各頂點的z坐標有關。由圖3還可以看出，這時z坐標應小于0。

圖3 物體的體視圖（左） 示意圖 （右） 根據(jù)透視原理畫出的體視圖

由此產(chǎn)生的三維立體顯示問題由顯示分辨率與投影算法之間的矛盾引起。雖然經(jīng)過幾何投影算法的計算可以得到遠距離物體的投影尺寸，但由于投影介質物理分辨率有限無法顯示出物體紋理的輪廓和細節(jié)，從而無法形成有效的三維立體視覺。

3.2 兩種計算方法的比較

上面介紹的計算立體圖對的方法是將投影中心分別放在Z軸兩側，一般稱為離軸投影。還有一種方法稱為軸上投影。它使用標準投影中心，通過移動數(shù)據(jù)獲得與離軸法相同的左右投影點集變換式可得到計算方程。

對比標準投影變換式，可以很容易地得到計算左視圖的算法：

（1） 給每一點的坐標加并對它進行標準投影變換；

（2） 再將每一投影點的坐標減去；

這兩種方法在數(shù)學上是一致的，在實現(xiàn)效果上各有優(yōu)缺點軸上投影需在軸方向上進行兩次平移變換，因而會丟失信息，使視野縮小。但因其采用的是標準投影，可由硬件實現(xiàn)，而離軸投影只能由軟件實現(xiàn)。因此從總體性能上說，軸上投影較好。

4 自由立體顯示中的人機交互分析

人機交互技術（Human Computer InteractiON，簡稱HCI）主要是研究人與計算機之間的信息交換，主要包括人到計算機和計算機到人的信息交換兩部分。人們通過計算機可實現(xiàn)與其他事物的交互，對自由立體顯示系統(tǒng)來說，可將其人機交互行為分為四類不同的感知過程：人對現(xiàn)實世界的感知、計算機對外部世界的感知、人對計算機的感知以及人通過計算機傳遞的視差感知信息。我們在以下內容中著重從這幾個方面來進行研究。

4.1 自由立體顯示人-機因素分析

在自由立體圖像顯示方式、自由立體圖像輸出方式和自由立體系統(tǒng)構造模式等方面開展研究，都是通過完善交互性、解決融入性，并最終讓觀察者得到良好的沉浸性真實的三維立體感。

自由立體顯示的多用戶交互性問題。早先的應用為了實現(xiàn)良好的沉浸性，采用了頭部顯示以及追蹤設備，但因為立體成像能力的限制帶來很多的問題，使立體環(huán)境只能針對單個的用戶開放，即只能是單一的操作者和受益者，這給自由立體顯示的應用帶來了很大的局限性。

為此，可以采取的解決辦法稱之為“導游”方式，典型的應用是“參觀”項目。方法是將操作者觀察到的內容用并行通道顯示到更大的屏幕上，更多的參加者可以跟隨操作者進行參觀游覽。操作者就象旅行團的“導游” 一樣。采用自由立體顯示技術后，“觀察者”可以得到更強的沉浸感。缺點是“觀察者”的視點與“導游”的視點不同，且相互間的視點各異，不但“觀察者”不能與三維立體環(huán)境交流，而且他們看到的圖像與感覺之間不能吻合，因而得到的三維立體沉浸感比較差。

解決多用戶交互方案是利用互聯(lián)網(wǎng)建立起來的Web3D顯示系統(tǒng)。設想如果對一個參與者而言其他參與者都是環(huán)境中的一部分，那么基本的三維立體環(huán)境對所有的參與者而言，都是公用的，每個參與者都可以與環(huán)境有很好的交互性。這種交互性是互聯(lián)網(wǎng)固有的特性。需要提高的是系統(tǒng)的實時運行能力和圖像生成能力。這兩個問題隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬的增大和終端運行能力的提高可以得到很好解決。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多專用于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實編程語言，例如Vrml.Java3D以及X3D等。

對技術實現(xiàn)者和觀察者來說，來自于三維立體環(huán)境的反饋信息主要是通過視覺信息來搜索收集。因而在圖形圖像的顯示方面的研究非常多。但在許多自由立體顯示的應用中，為了在三維立體顯示的應用中提供給觀察者沉浸感，交互感和想象感。就要提供三維立體圖像圖形效果評價方法，通過這樣的信息，來判斷我們當前的技術是否能滿足觀察者挑剔的需求。

要實現(xiàn)自由立體顯示，必須給觀察者提供真實的三維立體環(huán)境。三維立體圖像是自由立體顯示系統(tǒng)人機交互中極為重要的視覺信息，在立體顯示的計算機成像方面仍然大量的問題需要研究，結合自由立體顯示中人的因素和計算機的因素開展的人機交互研究，構建三維環(huán)境的三維逼真度，直接影響著自由立體顯示的質量效果，也直接影響了人們觀察的沉浸感。人基于視差通過對深度距離和深度圖像的判斷，對具體的目標產(chǎn)生三維立體感，獲取三維立體效果。

4.2 自由立體顯示人-機行為分析

自由立體顯示系統(tǒng)一個典型的特征就是觀察者與三維立體環(huán)境的交互性。人在三維立體環(huán)境下與虛擬世界的交互行為，是與人在真實環(huán)境下與真實世界的交互行為完全對應的。自由立體顯示系統(tǒng)最終追求的效果是上述兩類交互行為在人的感受上的一致性。如圖4人機行為分析，體現(xiàn)了人與計算機信息的雙向傳遞，人通過左右兩眼觀看自由立體顯示器，自由立體顯示器將三維顯示視覺信息反饋給觀察者。