面向裸眼立體電視的體視動畫技術(shù)綜述

董芳菲，黃心淵，2

(1.北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京 100083;2.中國傳媒大學(xué) 動畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，北京 100024)

0 引言

立體顯示技術(shù)源于對人眼的仿生研究，它借鑒人類的雙眼視差和視覺暫留原理使平面圖像產(chǎn)生立體效果。在虛擬現(xiàn)實中，常結(jié)合一些輔助設(shè)備觀看雙視點立體圖像，它能帶給觀眾強(qiáng)烈的沉浸感，但存在位置固定、視角受限以及頭暈惡心等癥狀。裸眼立體顯示技術(shù)則不需要佩戴諸如立體眼鏡等輔助設(shè)備，并能實現(xiàn)多人從多視角觀看立體圖像。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如何利用裸眼來觀看立體圖像逐漸成為各國學(xué)者的研究重點，因此裸眼立體顯示的應(yīng)用與研究具有非常重要的意義，它即將成為立體電視技術(shù)的下一個發(fā)展方向。

作為裸眼立體電視的核心技術(shù)，獲取體視動畫片源主要有三種方式:一是通過擺設(shè)多視點攝像機(jī)實地拍攝;二是通過平面圖像轉(zhuǎn)換生成立體圖像;三是通過在虛擬場景中擺設(shè)多視點攝像機(jī)虛擬拍攝。其中通過實地拍攝的方式存在多視點攝像機(jī)非完全匹配、鏡頭重復(fù)修改等缺點。通過平面圖像轉(zhuǎn)換的方式得到視差信息較少，因此立體效果較差。而利用虛擬三維軟件制作體視片源的方式則有效避免了上述方法所帶來的問題［1-2］:首先，虛擬三維軟件生成的攝影機(jī)是完全匹配的，不存在渲染畫面的跳動、光斑等問題;其次，虛擬三維軟件只需要復(fù)制多臺攝影機(jī)進(jìn)行渲染就可以快速生成體視動畫，并且可對鏡頭進(jìn)行反復(fù)修改，降低鏡頭的實拍成本;第三，虛擬三維軟件可以完成許多實拍所不能完成的鏡頭，還可以準(zhǔn)確控制畫面構(gòu)圖、鏡頭組接、節(jié)奏等方面。目前，在虛擬三維軟件如3ds Max、Maya中采用雙機(jī)拍攝的體視動畫已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。在國外，迪士尼、夢工廠、帝門影業(yè)公司先后推出《閃電狗》、《飛屋環(huán)游記》、《愛麗絲夢游仙境》、《玩具總動員3》、《怪獸大戰(zhàn)外星人》等多部精彩體視動畫影片［3-4］;在國內(nèi)，北京景深數(shù)碼影像工作室、數(shù)虎圖像影視有限公司均致力于體視動畫影片的開發(fā)，曾制作出《海龜之旅》、《古國驚夢》等多部優(yōu)秀體視影片［5］。

體視動畫的片源制作也相應(yīng)拉動了裸眼立體電視的生產(chǎn)和推廣。在國外，2009年日本高新技術(shù)博覽會上日立展示了基于透鏡陣列結(jié)構(gòu)的10 in的FULL Parallax 3D TV［6］;2010年東芝展示了基于透鏡陣列結(jié)構(gòu)的12 in和20 in的9視點裸眼立體電視［7］。在2011年國際消費(fèi)電子展上，東芝展示了56 in和65 in的9視點裸眼立體電視［8-9］，索尼和夏普也分別展示了基于透鏡陣列和視差柵欄結(jié)構(gòu)的裸眼立體電視。近年來，國外其他品牌如LG也研制出了基于透鏡陣列的4視差裸眼立體電視［10］，三星也即將推出基于透鏡陣列的55 in的9視點裸眼立體電視［11］。而國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，目前只有TCL研制出國內(nèi)首個基于透鏡陣列結(jié)構(gòu)的裸眼立體電視［6］。

本文首先介紹了裸眼體視動畫的技術(shù)原理，然后對體視圖像獲取、體視圖像采樣合成、裸眼立體電視顯示3方面進(jìn)行了闡述，最后指出了裸眼體視動畫技術(shù)的不足和研究方向。

1 裸眼體視動畫技術(shù)原理

人的立體視覺［12］是通過兩只眼睛實現(xiàn)的，由于兩眼在看同一物體時會有細(xì)微的差別，即雙目視差，因此大腦通過對具有視差的圖像進(jìn)行綜合分析和處理，產(chǎn)生出精確的三維物體以及物體在場景中的定位。裸眼立體顯示技術(shù)則利用運(yùn)動視差［13-14］原理，即因觀測者本身的移動而造成的不同遠(yuǎn)近物體的移動速度差異，從而判斷物體間相對遠(yuǎn)近的關(guān)系。

裸眼體視動畫技術(shù)［15］則是在虛擬場景中，首先利用多臺攝像機(jī)配置在各個方向模擬雙眼觀看的不同位置，形成虛擬攝像機(jī)陣列，分別對場景模型對象進(jìn)行多視點圖像序列渲染輸出，然后將所渲染的多視點圖像序列通過一定的圖像采樣和組合方法形成一幅立體圖像，最后在具備特殊物理結(jié)構(gòu)的裸眼立體電視上進(jìn)行顯示。其主要有體視圖像獲取、體視圖像采樣合成、裸眼體視圖像顯示3個步驟，流程如圖1所示。

圖1 裸眼體視動畫流程圖

本文根據(jù)文獻(xiàn)資料以及實際應(yīng)用成果，詳細(xì)介紹了體視圖像獲取、體視圖像采樣合成、裸眼體視圖像顯示方法。

2 裸眼體視動畫技術(shù)方法

2.1 體視圖像獲取

體視圖像獲取是生成具有運(yùn)動視差立體圖像的關(guān)鍵性步驟。在虛擬場景中，需要多臺攝像機(jī)配置在各個方向模擬雙眼觀看的不同位置，形成虛擬攝像機(jī)陣列，然后分別對場景對象進(jìn)行多視點圖像序列渲染輸出，通常攝像機(jī)之間的距離(基線距離)、目標(biāo)距離、視野都是決定立體顯示效果的重要參數(shù)。在此，介紹基于雙視點的體視圖像獲取方法和基于多視點的體視圖像獲取方法。

2.1.1 基于雙視點的體視圖像獲取方法

作為多視點立體攝像機(jī)最簡單的創(chuàng)建方式，基于雙視點的體視圖像獲取方法的基本思想是利用雙目攝像機(jī)模擬人類雙眼從而渲染出場景對象，真實地反映對象的遠(yuǎn)近關(guān)系，其獲取方法有兩種:第一種是按設(shè)定的距離平行移動攝像機(jī)進(jìn)行雙機(jī)拍攝，即平行成像;第二種是設(shè)定拍攝對象的中心并圍繞其進(jìn)行雙機(jī)拍攝，即匯聚成像［16-18］。

雙視點體視成像模型［19-20］如圖2和圖3所示:XOY面為觀察者雙眼所在平面，P(屏幕)是平行于XOY面的投影面，V 是平行于 XOY 面的像平面，設(shè) E1(h，0，0)，E2(-h，0，0)(h＞0)分別是左眼和右眼的坐標(biāo)，W是雙視點匯聚到像平面V形成的交點。設(shè)像平面與XOY面的距離為vd(vd＞0)，投影平面與XOY面的距離為pd(pd＞0)，KO'L為屏幕圖像坐標(biāo)系，其中 O'K//OX，O'L//OY，O'在坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)為(x0，y0，pd)。設(shè)通過E1和E2觀看W，可以分別得到W在P內(nèi)的立體圖像對S1和S2。

通過獲得雙視點攝像機(jī)間的距離和匯聚角內(nèi)部參數(shù)，可得到平移和旋轉(zhuǎn)矩陣［21］，從而確定雙視點攝像機(jī)之間的位置關(guān)系

劉文文等人采用雙視點立體攝像機(jī)算法模型，在3ds Max中分別實現(xiàn)了匯聚和平行型立體攝像機(jī)的創(chuàng)建，并提出了立體攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的確定原則，將立體顯示對象在XOY平面上的放大倍數(shù)要與Z方向上的放大倍數(shù)一致，使深度畸變降到最小，通過實驗表明渲染得到的立體圖像對成像清晰，場景深度感較強(qiáng)，獲得較好的立體視覺效果［22］。

2.1.2 基于多視點的體視圖像獲取方法

由于雙視點裸眼立體顯示使觀看者的位置和角度受限，因此需要對雙視點攝像機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，由多個攝像機(jī)從不同角度拍攝，形成多視點攝像機(jī)陣列［23］，多視點攝像機(jī)在取值［12］時一般取 2，4，9，16 等值，為了追求可視角度更大立體圖像，也可設(shè)置更多的攝像機(jī)數(shù)量，如圖4所示。基于多視點的體視圖像獲取方法的基本思想是已知雙視點的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，即平移和旋轉(zhuǎn)矩陣，通過兩兩計算雙視點攝像機(jī)的方法，可得到多視點坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖4 多視點攝像機(jī)陣列

根據(jù)雙視點成像模型，可以得到雙視點攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，用平移和旋轉(zhuǎn)矩陣［14-16，21，24-32］表示。假設(shè)場景中共m臺攝像機(jī)，將兩個相鄰的攝像機(jī)之間的位置關(guān)系用(Ri，Tj)表示后，以第1個攝像機(jī)為世界坐標(biāo)系原點，則第m臺攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系中位置Em可計算如下

式中:i=1，2，…，m;j=1，2，…，m。田豐等人利用 4 組匯聚型攝像機(jī)進(jìn)行多視點攝像機(jī)環(huán)形拍攝，提出了滿足較小場景畸變的多視點拍攝間距，分析了立體深度與拍攝間距的定量關(guān)系，并計算了拍攝間距對應(yīng)的物理場景包容范圍，同時制作了立體游戲互動平臺和大屏幕自由立體播放器［16］。實驗證明通過多視點攝像機(jī)的創(chuàng)建所拍攝的立體片源可滿足預(yù)先設(shè)定的立體效果。侯春萍［33］等人還提出基于多視點的體視圖像獲取方法不但可以在同一個平面內(nèi)按照相等的距離、特定形式線性排列產(chǎn)生多視點，也可使多個攝像機(jī)在空間以某種陣列形式排列產(chǎn)生多視點，生成的多個視差圖像則可同時攜帶水平視差和垂直視差信息。

2.2 體視圖像采樣合成

體視圖像采樣合成［16］基本思想是將虛擬場景中所渲染的多視點圖像序列按照一定規(guī)律的采樣和組合方法從不同視點的原始圖像中提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行采樣合成計算，形成一幅立體圖像，這樣可以節(jié)省帶寬，方便立體圖像在廣播電視網(wǎng)絡(luò)上的快速傳播，但是會犧牲立體圖像的分辨力。根據(jù)不同裸眼立體電視顯示屏的不同采樣模板，主要分為垂直采樣合成模板和傾斜采樣合成模板;根據(jù)裸眼立體電視顯示屏上單像素中RGB分量物理位置，主要分為RGB分離采樣和RGB不分離采樣。

2.2.1 垂直采樣合成

垂直采樣合成的基本思想是將所拍攝的多視點圖像從不同視點的原始圖像提取相應(yīng)列像素［12，15-16，22，34-37］，以列交錯的形式排列，得到的立體圖像對的垂直分辨力不變，水平分辨力變?yōu)?1/視點數(shù))。

式中:i=0，1，…，Xmax;j=0，1，…，Ymax;n=1，2，…，m;q=0，1，…，最后把各個視點的矩陣相加得到立體圖像矩陣

若裸眼立體電視顯示屏上的RGB像素物理位置不同，即液晶屏采用子像素采樣合成，一個像素包含3個子像素，每個子像素代表一個視點，需要對每個視點R分量、G分量、B分量進(jìn)行離散化分別進(jìn)行垂直采樣，把各個分量累加獲得采樣合成圖F，最終提取采樣合成圖像F中相應(yīng)視點的RGB分量，分別顯示在液晶像素的RGB子像素單元上

張曉媛等人利用垂直采樣算法實現(xiàn)了立體圖像對到立體合成圖像的轉(zhuǎn)化，將每個視點圖像占用顯示區(qū)整個屏幕的一部分，并且提出了消除屏幕兩側(cè)圖像立體效果弱的方法，在圖像合成時對邊緣部分采用不等間距分割從而進(jìn)行垂直采樣［36-37］，實驗證明經(jīng)過垂直采樣算法合成的立體圖像觀看具有明顯的層次感。

2.2.2 傾斜采樣合成

為了平衡水平和垂直方向的分辨力，裸眼立體顯示器采用傾斜結(jié)構(gòu)的柱透鏡技術(shù)，對每個視點畫面進(jìn)行傾斜采樣方式來匹配傾斜安裝的柱透鏡，即從不同視點的原始圖像按照柱透鏡傾斜角度依次提取相應(yīng)矩陣塊，以傾斜列交錯的形式排列。

傾斜采樣合成算法基本思想［16，37-40］與垂直采樣合成算法類似，區(qū)別就是每個視點的采樣矩陣不同，它需要按照透鏡柱面的傾斜角度計算采樣，而非進(jìn)行垂直采樣。

宋曉煒等人應(yīng)用傾斜采樣合成算法進(jìn)行多視點立體圖像合成，并進(jìn)行算法改進(jìn)，分別進(jìn)行子像素判斷準(zhǔn)則、視點視圖下采樣以及多視點子像素排列3個步驟，實現(xiàn)了傾斜采樣合成新算法［39］，可以廣泛應(yīng)用到任意傾斜角度、任意寬度的透柱鏡LCD裸眼立體顯示設(shè)備上，具有通用性。

2.3 裸眼立體電視顯示

裸眼立體電視顯示［41-42］是在顯示器上利用特殊物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)原理，在精密制造工藝的保證下，用行列掃描電路控制多視點采樣合成立體圖像中每個像素的顏色灰度，從而在水平方向不同位置處對多視點圖像進(jìn)行顯像，當(dāng)用戶的左右眼同時處于不同視區(qū)，無需眼鏡即可經(jīng)過大腦融合產(chǎn)生立體感，擴(kuò)大了可視角度。目前裸眼立體電視顯示技術(shù)主要分為透鏡柱面、視差柵欄和指向光源3種，下面分別進(jìn)行介紹。

2.3.1 透鏡柱面技術(shù)

透鏡柱面［16，33，43-49］的顯示原理是在顯示屏前加一層垂直或傾斜排列的透鏡柱面，讓顯示屏的像平面位于透鏡焦平面上，如圖5所示。每個視點的圖像像素在每個柱透鏡下面被分成幾個子像素，透鏡柱面利用每個柱鏡面對光的折射作用，將以不同的方向投射每個子像素，把不同視點的平面圖像導(dǎo)向雙眼分別對應(yīng)的區(qū)域。由于柱透鏡不會阻擋背光，因此其特點是畫面亮度不受影響，圖像豐富真實，但分辨力會有一定的下降。目前透鏡柱面方法已經(jīng)成為市場上裸眼立體電視生產(chǎn)的主流技術(shù)，如日立、東芝、索尼、LG［7-10］均推出了基于透鏡柱面結(jié)構(gòu)的裸眼立體電視。

圖5 透鏡柱面與視差柵欄結(jié)構(gòu)成像原理

2.3.2 視差柵欄技術(shù)

視差柵欄技術(shù)［16，45-50］的顯示原理是利用安置在背光模塊及LCD/LED液晶面板間的液晶層和偏振膜制造出一系列方向為90°的垂直條級，使通過它們的光形成垂直細(xì)條柵模式，如圖5所示。在立體顯示狀態(tài)下，其中一個視點的圖像顯示在液晶屏上，不透明條紋會遮擋其余視點圖像，這樣將各視點畫面分開，使觀看者看到立體影像。基于視差柵欄的裸眼立體電視由于背光遭到視差屏障阻擋，立體圖像顯示亮度會隨之降低，并且分辨力會有一定的下降。

2.3.3 指向光源技術(shù)

指向光源［51-53］的顯示原理是指搭配數(shù)個背光源來控制光的方向，背光源發(fā)出的光線讓體視片源以排序的方式在不同方向上的某個區(qū)域之間進(jìn)行左右眼影像互換，通過50～60 Hz的頻率改變光源的方向，從而在LCD面板上產(chǎn)生雙目視差的影像。指向光源技術(shù)需要LCD面板和背光源均具備快速的響應(yīng)時間，并且LCD液晶面板上相應(yīng)的顯示影像與背光的轉(zhuǎn)換應(yīng)同步，其透光率是可以保證的，并且分辨力取決于LCD液晶面板，可以顯示高清晰的體視片源。

2009年3M公司展示了其研發(fā)成功的3D光學(xué)膜［54］，該產(chǎn)品的面世實現(xiàn)了無需佩戴3D眼鏡，就可以在手機(jī)、游戲機(jī)及其他手持設(shè)備中顯示真正的三維立體影像，極大地增強(qiáng)了基于移動設(shè)備的交流和互動。

3 目前存在的問題和進(jìn)一步研究重點

作者通過查閱了大量文獻(xiàn)，對目前常用的裸眼體視動畫技術(shù)方法進(jìn)行了介紹。目前基于裸眼的體視動畫技術(shù)仍存在以下問題:1)目前在多視點體視圖像獲取階段由于視點數(shù)量不多，使觀看者位置和人數(shù)均受到限制，多視點體視動畫片源數(shù)量不足;2)體視圖像采樣合成會帶來分辨力下降的情況，并隨著視點的增加，分辨力下降越嚴(yán)重，因此局限于能夠表示的像素數(shù)，并且也存在立體圖像與傾斜透鏡匹配的問題;3)當(dāng)前常見的裸眼立體電視存在2D與3D不兼容、透光度低、分辨力低等問題。

根據(jù)以上存在的問題，以后的研究方向和重點有:1)利用虛擬環(huán)境增加更多的體視攝像機(jī)，或?qū)︿秩镜牧Ⅲw圖像對進(jìn)行視差補(bǔ)償［20］，增加中間視點圖像，從而擴(kuò)大體視圖像可視角度和范圍;2)對每個視點畫面采用傾斜采樣合成，平衡水平和垂直分辨力，減小體視畫面的邊緣鋸齒感;3)利用指向光源原理技術(shù)實現(xiàn)體視動畫片源在裸眼立體電視上的顯示，保證了體視圖像的高透光度、高分辨力，在2010年國際顯示技術(shù)研討會上也指出指向光源技術(shù)將是未來裸眼立體顯示技術(shù)重要的發(fā)展趨勢［55］。

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