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注，自由立體顯示系統作為最好實現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有技術條件的限制，很難實現大屏幕顯示。立體投影的實現方式有全息投影、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，可以比較方便地實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法融合的雙眼刺激間產生的知覺更替。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”優勢；當不同模式的不同部分在不同區域占優勢時，即所謂的鑲嵌式優勢。

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膜對應位置呈現不相稱的刺激，以阻止雙眼競爭現象的發生。

2.2 Pulfrich 現象

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到視皮層時會產生雙眼間的時間偏差，從而導致在深度上運動的錯覺。根據這種解釋，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，都是軟硬件的有機結合。怎樣正確實現立體透視圖對的形成和顯示是軟件設計的主要任務，軟硬件能否協調一致、取長補短是影響整個系統性能的重要因素，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。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：中央的重疊區和兩個單視區，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，如圖3所示。上式說明，左、右投影間距不是一個常數，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） 根據透視原理畫出的體視圖

由此產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，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，通過移動數據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；

這兩種方法在數學上是一致的，在實現效果上各有優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，而離軸投影只能由軟件實現。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與其他事物的交互，對自由立體顯示系統來說，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網建立起來的Web3D顯示系統。設想如果對一個參與者而言其他參與者都是環境中的一部分，那么基本的三維立體環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境有很好的交互性。這種交互性是互聯網固有的特性。需要提高的是系統的實時運行能力和圖像生成能力。這兩個問題隨著互聯網帶寬的增大和終端運行能力的提高可以得到很好解決。現在已經出現了很多專用于互聯網的虛擬現實編程語言，例如Vrml.Java3D以及X3D等。

對技術實現者和觀察者來說，來自于三維立體環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。

要實現自由立體顯示，必須給觀察者提供真實的三維立體環境。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典型的特征就是觀察者與三維立體環境的交互性。人在三維立體環境下與虛擬世界的交互行為，是與人在真實環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。