立体电视技术的基本原理

作者：谭军 陆波 余桂丰

欢迎访问e展厅 展厅 1 电视机/机顶盒/投影机展厅 数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机... 1 引言 电视机作为20世纪的新技术产品，现已成为当今世界最有影响的信息传播工具和家电王国中占有最大市场份额的产品。电视机产品正在进行更新换代，出现了投影、背投以及液晶、等离子等各种新的接收显示形式。但是电视产品的视频技术基本上停留在二维画面，很少见到三维画面产品。据世界电子学会分析预测，在21世纪，电视技术将在壁型化、投影化、双向化、有线化等方面发生变化，立体化是其中一项重要的研究内容。立体化技术目前的研究热点是不戴立体眼镜即可观看立体节目的“自动立体显示技术”。从长远来看，它是不依靠视觉假象，让图像随着观察角度的不同而变化的立体电视技术，它可使观众从任何角度看到的图像都是立体的。 2 立体电视技术的发展概况 立体电视技术是随着立体视觉技术和电视技术的发展而发展的。 立体视觉技术的发展历史就是立体成像和显示技术的发展历史，它的出现要远早于电视技术的发明。 早在欧洲的文艺复兴时期，绘画透视和雕塑艺术研究和实践就表明：只有给两只眼睛分别提供相对独立的图像，在恢复了双眼视差的情况下，才可能获得真实的立体视觉。早期出现的双眼立体视觉技术采用的是通过有色眼镜和立体镜观察立体图像的方法。在16世纪，人们就已经开始用不同的颜色为左右眼绘制有一定规律差异的图像，然后通过滤光镜观察来产生立体视觉。17世纪末18世纪初出现的“立体镜”，为每只眼睛提供独立的视觉通道，立体视觉感非常强烈，这种“立体镜”至今仍然是观察立体图像的有效手段。19世纪有科学家曾尝试构造一种不借助辅助装置就能观察到立体画面的方法，但以失败告终。 19世纪末，人们尝试用电影技术表现运动的立体视觉图像。首先采用两部摄影机模拟人类双眼进行拍摄，然后将制好的影片用放映机通过偏光滤光镜投射到电影荧幕上，观众通过偏光滤光镜就可以观察到运动的立体图像了。这种立体电影技术一直沿用至今。 20世纪初电视技术出现后，人们就开始着手研制立体电视，传统的用于观察静止图像或电影图像的立体显示方法几乎全部被应用到立体电视技术中。 在早期黑白电视时代，比较成功的立体电视是由两部电视摄像机拍摄影像并用两个独立的视频信道传输到两部电视机，每部电视机的屏幕上安置一块偏光板，然后用偏光眼镜去观察，这样的立体电视系统可以获得较好的立体图像。这种双信道偏光分像立体电视技术至今仍然是公认的一种质量较好的立体电视系统。 20世纪50年代，彩色电视技术发展到接近实用的阶段，“互补色立体分像电视技术”开始应用于立体电视。基本方法是用两部镜头前端加装滤光镜的摄像机去拍摄同一场景图像，在彩色电视机的屏幕上观众看到的是两副不同颜色的图像相互叠加在一起，当观众通过相应的滤光镜观察时就可以看到立体电视图像。这种立体电视成像技术兼容性好，在立体电视技术领域曾经风靡一时。但存在的问题也十分明显：由于通过滤光镜去观察电视图像，彩色信息损失极大；另一个问题是彩色电视机本身的“串色”现象引起干扰；同时由于左、右眼的入射光谱不一致，易引起视觉疲劳。 20世纪70年代末由于陶瓷光开关新材料的出现，人们可以制成光开关眼镜，此时就出现了时分式的立体电视技术。时分式的立体电视技术采用彩色电视信号的奇场和偶场进行立体电视信号的编码。80年代初，东芝公司研制出时分式立体电视投影机，戴偏光镜观看。1985年，松下公司首推时分式液晶眼镜立体电视样机获得成功。现在，具有双屏显示器的头盔观看设备有很理想的立体观看效果。在国内，清华大学已研制出高透光率的新型液晶光阀眼镜，并于2001年研制成功时分式液晶眼镜立体电视机。 目前，时分式的立体电视技术相对成熟，具有明显的优点：能提供逼真的彩色立体图像；当电视场频较高时，图像稳定无闪烁；同目前的彩色电视系统、计算机显示器相兼容；能顺利地向数字电视系统过渡。 2000年国内出现了第一个实时立体显示系统。用一张普通的VCD碟片播放出重影画面，戴上无线红外眼镜观看，即可获得具有强烈立体感的画面。这种立体显示系统能够实时将现有信号源的二维图像在显示器上转换成三维图像。但是从技术上讲，这种立体影像效果还停留在利用光学或信号处理的办法进行画面转换的层面上。 目前正在加紧研制新型立体摄像机和立体显示装置。新型立体摄像机具有双镜头，综合计算机、测控、图像处理技术，拍摄过程符合人的视觉机理。新型立体显示装置分时或同时输入左右图像，采用光学技术，实现左右图像以正确的视差投射到人的双眼，不用戴眼镜，即可在屏幕前直接看到立体图像。2003年在日本东京召开的3D联盟成立大会上，三洋电机就展示了不用戴眼镜观看立体图像的显示器；而索尼则展示了立体图像的拍摄和演播系统。但上述产品的立体效果，还受到观看角度和距离的限制。 3 立体电视技术的基本原理 从人类的视觉经验来看，两只眼睛观看同一物体的视觉信号，可以获得立体感；而只有一只眼睛的人观察场景物体也能获得立体感，这对应于双目立体视觉单目立体视觉，前者是立体电视技术的基础；后者则更多的是依靠先验经验来获得立体感。 3.1 双目立体视觉 立体电视是利用人眼的立体视觉特性来产生立体图像的。人类在观看周围世界时，不仅能看到物体的宽度和高度，而且能知道它们的深度，能判断物体之间或观看者与物体之间的距离。这种三维视觉特性产生的主要原因是：人们通常总是双目同时观看物体，而由于两只眼睛视轴的间距（约65 mm），左眼和右眼在看一定距离的物体时，所接收到的视觉图像是不同的，因而大脑通过眼球的运动、调整，综合了这两幅图像的信息，产生立体感。在单用左眼和右眼观看物体时，所产生的图像移位感觉就叫视差。结合图1作具体说明。 如图1，设有两个完全相同的摄像机，两个图像平面位于同一平面Q，两机坐标轴平行，X轴重合，两机在X方向间距为基线B。场景中特征点P在两个图像平面中的投影点GL、GR称为共轭对，即一个投影点是另一个的对应。两幅图重叠后，共轭对之间位置差xL-xR为视差。设坐标系原点在左透镜中心，依据相似三角形关系有： x/z=xL/f和(x-b)/z=xR/f 求得：z=bf/(xL-xR) 由此可见，物体的深度信息就是通过视差来恢复的，视差越大说明物体离透镜的距离越近；反之，则越远。利用有双镜头的立体摄像机即可获得立体图像对。 3.2 立体电视的实现方式 立体电视的实现方式主要分为两大类： 一类是使一对视差信号的两幅图像同时出现在屏幕上，让两眼分别观看这两幅图像来获得立体感觉。如前面提到的双信道偏光分像立体电视技术和“互补色立体分像电视技术”。 一类是将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，让两眼分时观看而获得立体感觉。这就是前面提到的时分式立体电视技术。具体而言，时分式立体电视技术就是将左、右眼的影像交替显示在电视屏幕上，再通过一个同步快门观看器（即立体眼镜），当屏幕显示左眼影像时，将右眼遮蔽起来；当屏幕显示右眼影像时，将左眼遮蔽起来。如此周而复始，以快于人类视觉暂留的速度进行交替显示，则人的大脑就会给蒙混过去而产生立体视觉了。 4 结束语 从长远来看，立体电视是一个发展方向，它的完全实现将是从摄像到显像完全建立在数字技术上的一个整体系统。各种立体电视实现方式都有各自的优缺点，它们与人们心目中理想的立体电视还有着一定的距离。到目前为止，人们还没有找到或者确定某种最好的方式来实现立体电视，但是可以预见，实现立体彩色电视已为期不远。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/12/2004)