立體顯示技術在船艇模擬訓練系統(tǒng)中的應用研究

龔琳

（陸軍軍事交通學院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

三維視景系統(tǒng)是船艇模擬訓練系統(tǒng)的重要組成部分，它影響著系統(tǒng)的整體逼真度。現有船艇模擬訓練系統(tǒng)的視景系統(tǒng)，主要通過平面多通道顯示技術實現二維圖像。這種平面成像技術給人的深度信息尚不能滿足真實感模擬訓練的需要，特別是在進行一些專業(yè)訓練時，如船艇靠離碼頭、船艇避碰、水上搜救、船艇指揮員心理研究等都需要通過眼睛來估計空間距離，如果能利用立體顯示技術，會進一步增強身臨其境的感覺，從而提高訓練效果。

本文以立體顯示技術的原理為基礎，通過研究現有的視景立體顯示的方法理論，結合船艇模擬訓練系統(tǒng)視景顯示的特點，對立體顯示技術在船艇模擬訓練系統(tǒng)中應用的軟件實現方法、硬件架構以及可能出現的技術難點進行了詳細探討。

2 立體顯示的基本原理

人在觀察物體時，兩眼的角度是帶有略微差別的，所以被觀察的目標所展現在兩只眼睛的視網膜中的立體成像自然也存在差異，我們通常將此類差異稱為雙眼的生理視差。視網膜上的兩幅具有視差的圖像稱為立體圖像對。立體視覺之所以產生就是因為雙眼視差的存在和展現。當大腦視覺神經中樞接收到視感細胞傳遞來的左右眼在視網膜上所形成的差異，經視神經再對左右眼的視差進行融合處理，人們便能在大腦中很快體驗到所觀察目標的立體層次感。

綜上所述，在人腦中要形成立體視覺的必備條件有：①人眼所觀察的目標圖像一定存在左右視差；② 左右兩眼一定要分別觀察并行成左右不同影像，產生雙像分離。因此，從理論上可以這樣假設，如果我們將普通圖像序列進行轉換，生成立體圖像對序列，然后再對立體圖像對進行處理輪流地顯示到左右眼，那么根據人眼的視覺暫留特性就可生成三維立體視景。

3 立體顯示技術在船艇模擬訓練系統(tǒng)中的應用

3.1 立體顯示系統(tǒng)的構成

根據立體顯示的原理分析，船艇模擬指揮訓練系統(tǒng)如果要配備立體視景顯示系統(tǒng)需要滿足兩個條件，首先本來的平面透視視景圖像序列必須轉成兩幅具有左右視差的視景圖像序列；然后配上一定的硬件設備使左右兩眼分別觀察左右相應的影像。因此，從結構上來講，船艇模擬訓練系統(tǒng)的立體視景系統(tǒng)應該由兩大部分組成，即立體圖像對生成模塊、立體顯示和觀察模塊，如圖1所示。

圖1 立體顯示系統(tǒng)結構示意

在該系統(tǒng)中，立體圖像對生成模塊是研究如何運用視景開發(fā)軟件生成相應的具有視差的兩幅立體圖像。立體顯示觀察模塊則主要研究如何利用顯示設備等硬件對立體圖像對進行快速交叉顯示。

3.2 立體圖像對的生成方法

立體圖像對生成方法是把普通的單視點透視擴展到雙視點透視，也就是對每個視點分別計算一幅透視圖，從而產生圖像的深度感。如果三維場景已經建立好了，就需要將該場景目標同時投影以形成圖像坐標系中的左右眼兩種視圖，這樣就形成了立體圖像對。這種模擬的辦法就像人的左右眼觀察目標物體一樣。攝像機生成立體成像的工作原理也是模擬人眼形成左右眼的立體圖像對。即，首先對場景中的物體目標進行坐標變換；然后，攝像機設備對目標進行透視投影。該目標物體經過攝像機的投影就是機器所拍攝到的底片，監(jiān)視器上攝像機視口的圖像則是攝像底片所沖洗出來的圖片。我們將兩個完全一樣的物體目標分別放置在不同坐標上，將它們之間的距離等同于左右眼的瞳距，然后對同一場景進行拍攝，自然也就生成了立體圖像對。

3.3 立體成像投影系統(tǒng)的構建

在船艇模擬訓練系統(tǒng)中，需求不僅能將生成的立體視景在某一臺計算機上顯示，而且能將生成的立體視景通過特定的設備投射到多臺計算機、大屏幕或環(huán)型屏幕以供多人使用。因此采用基于多通道環(huán)形幕的立體視景系統(tǒng)更能滿足船艇模擬指揮訓練系統(tǒng)多人參與使用的需求。當前，一般的實驗室實現立體顯示投影技術主要有如下兩種：被動式投影和主動式投影。當然，主動式投影和被動式投影都是相對立體眼鏡而說的，即被動式立體眼鏡是指被動地接收立體圖像，該設備本身不需要有任何動作；主動式立體眼鏡是指主動地交替開關左右眼鏡片以便于左右眼分別接收圖像。

（1）被動式投影

被動式立體成像是將兩臺投影機組合形成同一個通道來產生投影，一臺機器投影到左眼并產生圖像，另一臺機器投影右眼并產生圖像。兩只眼睛所接收到的圖像通過不同方向的偏振光片過濾，使其偏振方向互相垂直，并投影到同一屏幕上。左右眼再佩戴與左右眼圖像偏振方向同向的偏振眼鏡，使左視圖投影光進入左眼，右視圖投影光進入右眼，從而使觀察者產生立體視覺,如圖2所示。

（2）主動式投影

主動式立體成像是接受者在觀察時戴有主動式立體眼鏡，該立體眼鏡的鏡片由高速反應液晶制成。投影儀快速交替地將機器生成的左右眼圖像分別投射到投影屏幕，通過紅外發(fā)射設備發(fā)射同步的信號。在立體眼鏡上顯示左眼圖像時，計算機通過紅外發(fā)射設備立即發(fā)射出信號，該立體眼鏡接收到紅外信號后立即向觀察者的立體眼鏡右眼鏡片發(fā)送反轉電壓，該鏡片變黑，圖像只能在左眼中看到。如此這般，屏幕顯示右眼圖像時，該立體眼鏡的左眼鏡片立即變黑，圖像只能被右眼看到。

圖2 被動式立體成像示意圖

（3）被動式投影與主動式投影的區(qū)別

被動式投影與主動式投影對比而言，①在硬件設備上，被動式立體顯示系統(tǒng)需要兩臺投影儀并形成一個通道，但主動式的立體顯示系統(tǒng)只需要一臺，但為滿足左右眼各48Hz的顯示刷新率，主動式立體顯示系統(tǒng)的投影儀必須達到至少96Hz的圖像刷新率，同時因為亮度損耗，所使用的投影儀必須滿足高亮度條件，所以主動式立體顯示系統(tǒng)的投影儀單臺成本并不低于被動立體顯示系統(tǒng)每通道兩臺投影儀的成本；②從受眾人數來看，被動式立體顯示系統(tǒng)適合較多人同時使用，且立體眼鏡輕便，易攜帶，佩戴方便，與此相反，主動式觀察設備則較笨重且成本高，適合少數人獨立使用；③顯示效果方面，采用偏振光技術的被動立體顯示系統(tǒng)易產生重影，存在亮度損耗，若兩臺投影儀顯示失真較大會明顯影響立體顯示效果。主動式立體顯示系統(tǒng)相對被動式立體顯示系統(tǒng)，亮度損耗更大，在顯示刷新率較低時，畫面會出現閃爍，容易造成視覺疲勞，出現不適反應。

（4）多屏幕環(huán)形系統(tǒng)所需硬件設備及連接方式

從以上分析來看，因為主動立體顯示的方式亮度衰減比較多，立體眼鏡也較重，觀看時間長會出現頭暈、眼脹甚至惡心的現象，所以目前不適合用于船艇訓練。而被動立體方式因成本低，對投影儀沒有要求，而且眼鏡比較輕，被很多立體電影院或小型立體視景系統(tǒng)所采用。

基于多通道環(huán)形幕的立體視景系統(tǒng)所需設備總結如下：1）配備專業(yè)高性能圖形加速卡的計算機；2）立體圖像轉換器（適用于偏振光技術）；3）立體眼鏡；4）偏振光片或光譜濾光片；5）普通或高亮度投影幕；6）立體顯示視景驅動軟件；7）立體顯示開發(fā)平臺；8）三維建模軟件。連接方式如圖3所示。

圖3 被動立體顯示投影設備連接方式圖

4 技術難點及相關解決措施

隨著計算機技術和網絡通訊技術的發(fā)展，立體顯示技術在船艇操縱模擬器上的應用越來越成熟。理論上，只要立體顯示原理應用正確，在固定觀察范圍內進行觀察都應能夠觀察到立體顯示效果，但實際操作卻并非這么簡單。立體顯示過程涉及光學、信息技術、生理心理、電子制造和系統(tǒng)論等多方面學科。作為一個多方面協同運作的系統(tǒng)過程，由于有些技術理論和實體產品的不完善，限制了立體顯示技術與模擬器的兼容。所以，立體顯示系統(tǒng)的影像品質和系統(tǒng)兼容性以及使用者體驗仍存在較多問題，現對較典型的三個問題進行討論。

4.1 立體圖像的質量問題

在理想情況下，當左眼的圖像投影并顯示時，右眼的圖像應完全消失；相反，當右眼圖像投影并顯示時，左眼的圖像也應完全消失。然而，目前的技術水平卻很難實現這種理想的狀態(tài)，因為左右眼之間還存在著圖像間的串擾問題。而且，這種串擾是由于多重因素綜合影響形成的。主要因素是在我們開啟與關閉快門時的漏出量。這些因素對圖像重影的影響很難由確切的測量方法測出其數量，但對于提高圖像的質量而言，它可以提供很有用的依據。圖像中的重影直接與明亮度、水平視差的大小和高反差成正比，與原像的復雜性和圖像精細度成反比。因此，我們需要通過多次反復調節(jié)諸多因素來減輕雙目之間的串擾現象，如圖像的明度、反差、原像復雜性和水平視差等。

所以，為了使產生的立體效果真實，我們必須要做到以下幾點：(1)需要計算得到符合三維特征的立體圖像對。(2)選擇恰當的雙眼視差。如果雙眼視差過大，會給人造成不舒適和不真實的感覺；而如果視差過小，就會使場景顯示的立體效果受到影響。(3)要選擇合適的屏幕與眼睛之間的距離。(4)顯示設備的刷新率要足夠高，否則將產生“閃爍”現象。

4.2 生成過程中圖像校正與投影邊緣融合問題

多通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)是一種沉浸式環(huán)境，其成像方法在技術上也有較高的復雜性，一個完整的多通道環(huán)幕投影系統(tǒng)可能存在以下幾個技術問題：一是因為屏幕是環(huán)形的，所以投影機投射的圖像直接投射到具有弧度的屏幕上，就會產生失真；二是各個投影通道之間圖形在渲染繪制時如何能夠保持同步；三是各個通道與相鄰通道所投影的圖像之間的邊緣過渡時要保持平滑的問題。這都是不利于使用者體驗的因素。為了提高模擬指揮訓練系統(tǒng)的效能，就必須對圖像進行校正以達到水平并將通道間的邊緣圖像以適度比與全景融合。為此提供以下兩種解決方法：

第一，采用邊緣融合方法，這是目前最常用的投影邊緣處理的方法，即通過對右投影儀的左邊重疊部分圖像的亮度進行線性增加處理，使重疊區(qū)域的亮度與普通投影區(qū)的亮度趨于一致。

第二，在對圖形圖像進行渲染時，穿插進行圖像的校正、融合，這主要通過三個過程實現：投影圖像疊加、圖像融合、伽馬校正。

4.3 觀察過程中出現的視覺疲勞和不適反應

作為對使用者影響最大的問題，同時也是限制立體顯示技術發(fā)展的問題，一般視疲勞和不適反應都是由于心理的應激障礙和眼肌的適應性緊張造成的，包括視點輻合角與垂直視差。視點輻合角指兩視軸夾角，輻合角過大會導致眼睛肌肉緊張，垂直視差也會導致觀察者雙眼疲勞及暈眩感。為此，我們通常設置適度的視景深度參數，選取平行投影法。

5 結語

總之，基于立體顯示技術的航海模擬器的實際效果，相較平面顯示系統(tǒng)的顯示效果、真實感、沉浸感以及深度信息都有較大程度的提高，但與現實航海體驗相比，在視覺和操縱上仍有巨大的差距。隨著科學技術的進步，我們相信在全息立體顯示已投入應用的今天，立體顯示技術在船艇模擬訓練系統(tǒng)上的應用會早日得以實現，并在真實感和沉浸感，以及訓練實效和功用上有較大的提高。

參考文獻：

[1]張新宇，尹勇，趙猛．船舶操縱模擬器立體視景系統(tǒng)理論、方法和實現的研究[J]．上海海事大學學報，2008，20(3)：20-24．

[2]張新宇，尹勇，任鴻翔，等．航海模擬器配備立體視景系統(tǒng)的方法研究[J]．中國航海，2010，33(3)：10-13．

[3]劉航，王積忠，林峰，等．實驗室中基于視景仿真的立體成像與顯示技術[J]．實驗室研究與探索，2007，26(3)：32-35．