論自由立體顯示系統在人機交互研究中的應用

1 引言

隨著(zhù)三維立體顯示電影阿凡達等的出現，三維立體顯示得到廣泛的關(guān)注，自由立體顯示系統作為最好實(shí)現真三維立體顯示的技術(shù)，對自由立體顯示的研究具有重要的作用，本文通過(guò)對自由立體顯示系統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(jué)，進(jìn)行了綜合的人機交互分析。觀(guān)察者不需要佩戴任何觀(guān)察設備就可以直接看見(jiàn)3D立體圖像。即自由立體顯示技術(shù)。自由立體顯示主要有全息立體技術(shù)、平板顯示、體立體與立體投影技術(shù)等等。其中全息立體技術(shù)是研究歷史最長(cháng)，最成熟的立體技術(shù)，但是由于全息圖像的色散問(wèn)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(shù)由于現有技術(shù)條件的限制，很難實(shí)現大屏幕顯示。立體投影的實(shí)現方式有全息投影、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利用了成熟的大屏幕投影技術(shù)，可以比較方便地實(shí)現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(wú)法融合的雙眼刺激間產(chǎn)生的知覺(jué)更替。其中，在特定時(shí)間看到的刺激叫顯要刺激；在特定時(shí)間無(wú)法看到的刺激叫抑制刺激。當兩個(gè)刺激很小時(shí)，會(huì )交替看到兩個(gè)完整的映像，這是“全或無(wú)”優(yōu)勢；當不同模式的不同部分在不同區域占優(yōu)勢時(shí)，即所謂的鑲嵌式優(yōu)勢。

圖1 雙眼競爭

如圖1示，仔細觀(guān)察就會(huì )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(guò)程中，其特征幾乎完全從知覺(jué)意識中消失。這在系統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)膜對應位置呈現不相稱(chēng)的刺激，以阻止雙眼競爭現象的發(fā)生。

2.2 Pulfrich 現象

德國物理學(xué)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(méi)有）去觀(guān)察單擺（或鐘擺）的運動(dòng)時(shí)，我們會(huì )看到擺球似乎在沿平面橢圓形軌道運動(dòng)，這就是Pulfrich現象（此單擺稱(chēng)為普氏擺）。擺球運動(dòng)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(dòng)場(chǎng)景下會(huì )造成深度錯覺(jué)。Gregory 采用視覺(jué)潛伏期假說(shuō)對這種深度錯覺(jué)現象做了解釋。他認為：被過(guò)濾眼中的刺激亮度衰減，使該眼的視覺(jué)反應潛伏期延長(cháng)，因此有關(guān)物體位置的信號在傳輸到視皮層時(shí)會(huì )產(chǎn)生雙眼間的時(shí)間偏差，從而導致在深度上運動(dòng)的錯覺(jué)。根據這種解釋?zhuān)灰羞\動(dòng)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(huì )改變視覺(jué)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(jué)的探測。

3 自由立體顯示圖像制作的問(wèn)題

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

3.1 左右透視圖的計算

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

圖2 體視觀(guān)察空間

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

（1）

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

（2）

（3）

設空間一點(diǎn)的坐標為，則其左、右投影分別為

（4）

（5）

顯然，左、右視點(diǎn)y和z坐標分別相等，所不同的只是x坐標，而

（6）

其中稱(chēng)為圖對間隔位似系數，如圖3所示。上式說(shuō)明，左、右投影間距不是一個(gè)常數，而是與物體各頂點(diǎn)的z坐標有關(guān)。由圖3還可以看出，這時(shí)z坐標應小于0。

圖3 物體的體視圖（左） 示意圖 （右） 根據透視原理畫(huà)出的體視圖

由此產(chǎn)生的三維立體顯示問(wèn)題由顯示分辨率與投影算法之間的矛盾引起。雖然經(jīng)過(guò)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(zhì)物理分辨率有限無(wú)法顯示出物體紋理的輪廓和細節，從而無(wú)法形成有效的三維立體視覺(jué)。

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(chēng)為離軸投影。還有一種方法稱(chēng)為軸上投影。它使用標準投影中心，通過(guò)移動(dòng)數據獲得與離軸法相同的左右投影點(diǎn)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(diǎn)的坐標加并對它進(jìn)行標準投影變換；

（2） 再將每一投影點(diǎn)的坐標減去；

這兩種方法在數學(xué)上是一致的，在實(shí)現效果上各有優(yōu)缺點(diǎn)軸上投影需在軸方向上進(jìn)行兩次平移變換，因而會(huì )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(shí)現，而離軸投影只能由軟件實(shí)現。因此從總體性能上說(shuō)，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(shù)（Human Computer InteractiON，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)計算機可實(shí)現與其他事物的交互，對自由立體顯示系統來(lái)說(shuō)，可將其人機交互行為分為四類(lèi)不同的感知過(guò)程：人對現實(shí)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(guò)計算機傳遞的視差感知信息。我們在以下內容中著(zhù)重從這幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)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構造模式等方面開(kāi)展研究，都是通過(guò)完善交互性、解決融入性，并最終讓觀(guān)察者得到良好的沉浸性真實(shí)的三維立體感。

自由立體顯示的多用戶(hù)交互性問(wèn)題。早先的應用為了實(shí)現良好的沉浸性，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(lái)很多的問(wèn)題，使立體環(huán)境只能針對單個(gè)的用戶(hù)開(kāi)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(lái)了很大的局限性。

為此，可以采取的解決辦法稱(chēng)之為“導游”方式，典型的應用是“參觀(guān)”項目。方法是將操作者觀(guān)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(jìn)行參觀(guān)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(shù)后，“觀(guān)察者”可以得到更強的沉浸感。缺點(diǎn)是“觀(guān)察者”的視點(diǎn)與“導游”的視點(diǎn)不同，且相互間的視點(diǎn)各異，不但“觀(guān)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(jué)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(hù)交互方案是利用互聯(lián)網(wǎng)建立起來(lái)的Web3D顯示系統。設想如果對一個(gè)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(gè)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。需要提高的是系統的實(shí)時(shí)運行能力和圖像生成能力。這兩個(gè)問(wèn)題隨著(zhù)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?，F在已經(jīng)出現了很多專(zhuān)用于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現實(shí)編程語(yǔ)言，例如Vrml.Java3D以及X3D等。

對技術(shù)實(shí)現者和觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，來(lái)自于三維立體環(huán)境的反饋信息主要是通過(guò)視覺(jué)信息來(lái)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(guān)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(jià)方法，通過(guò)這樣的信息，來(lái)判斷我們當前的技術(shù)是否能滿(mǎn)足觀(guān)察者挑剔的需求。

要實(shí)現自由立體顯示，必須給觀(guān)察者提供真實(shí)的三維立體環(huán)境。三維立體圖像是自由立體顯示系統人機交互中極為重要的視覺(jué)信息，在立體顯示的計算機成像方面仍然大量的問(wèn)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(kāi)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(zhù)自由立體顯示的質(zhì)量效果，也直接影響了人們觀(guān)察的沉浸感。人基于視差通過(guò)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

自由立體顯示系統一個(gè)典型的特征就是觀(guān)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(shí)環(huán)境下與真實(shí)世界的交互行為完全對應的。自由立體顯示系統最終追求的效果是上述兩類(lèi)交互行為在人的感受上的一致性。如圖4人機行為分析，體現了人與計算機信息的雙向傳遞，人通過(guò)左右兩眼觀(guān)看自由立體顯示器，自由立體顯示器將三維顯示視覺(jué)信息反饋給觀(guān)察者。