关于聚焦诱导立体显示器的研究

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Martin S.Banks1, Kurt Akeley2, David M. Hoffman1, Ahna R. Girshick3

文章编号：1006-6268（2009）02-0017-04

摘要：传统的立体显示是通过聚焦诱导，进行深度视觉模糊调节，从而达到立体视觉效果。现在，科研人员开发了一种新型技术――聚焦修正。通过这项技术，将聚焦诱导和深度视觉模仿同步进行，可以使立体景象显示更加快速、准确，同时减轻观看者的视觉疲劳度。

关键词：立体显示器；聚焦诱导；收敛距离

中图分类号：TP391文献标识码：A

Consequences of Incorrect Focus Cues in Stereo Displays

Martin S.Banks1, Kurt Akeley2, David M. Hoffman1, Ahna R. Girshick3

(1.UC Berkeley, California,U.S.A;2.Microsoft Research Silicon Valley, California,U.S.A;

3. New York University's Center for NeuralScience,NY,U.S.A)

Abstract: Conventional stereo displays produce images in which focus cues - blur and accommodation -are inconsistent with the simulated depth. We have developed new display techniques that allow the presentation of nearly correct focus. Using these techniques, we find that stereo vision is faster and more accurate when focus cues are mostly consistent with simulated depth; furthermore, viewers experience less fatigue when focus cues are correct or nearly correct.

Keywords: Stereo display;incorrect focus cues;vergence distance

真实景物通过建立相同的立体构型，激发多重深度聚焦诱导，而在人眼中得以反映。现代先进的显示技术可以使大多数的诱导显示达到高保真画质，而传统立体显示一般只能在其显示面上呈现出图像(例如：CRT和HMD显示器)，因此，电脑显示器的显示效果受到图像处理器和其固有特征(如显示器的外形)的限制。聚焦诱导包括动态视差和可视像素两方面，动态视差受观看者距屏幕的距离影响，可视像素受屏幕离散度影响。本文将只对聚焦诱导进行讨论。图1人眼对真实景物和立体显示的视觉反映。

眼膜图像中的模糊梯度。观看深度变化的真实景物时，视网膜的模糊梯度的变化原则是：在眼睛对焦位置的物体反映最清楚，其它位置则递渐模糊。传统的电脑显示器焦距是固定的，当视线聚焦于显示面上时景物清晰，聚焦于其他位置时景物模糊，因此，传统平面立体显示器将会产生模糊视觉反映。

调节。观察真实景物时，观看者将聚焦点调节(如改变眼球等效的透镜焦距)到最适当的位置(注视点)以减轻模糊。观察立体显示器中的物像，焦距恒定，相对应不同收敛距离的物像，呈现清晰或模糊(如图2)。其中，(a)为真实景物的视觉反映情况，收敛距离为两眼的聚合轴长度，焦距是两眼的聚焦长度，一般情况下二者相同;(b)为相同的物体在传统立体显示器中，显示面比物像距双眼近，焦距短于收敛距离，二者不同(焦距保持恒定)。

立体显示器所显示的物像在两眼中的反映不相同。水平移动的物像与两眼视线夹角变化不同，所以产生相异的收敛反映，正是由于这种相异反映，产生了三维立体的视觉感知。传统立体显示器中的聚焦诱导会产生失真，导致物像感知变形，观察者视觉疲劳和双眼视像融合困难等。下文将对Hoffman, Girshick,Akeley, and Banks等人在深度知觉聚焦诱导和减轻视觉疲劳等方面做出的努力和改进作一介绍。

为了使视网膜中呈现清晰的物像，必须调节视线聚焦距离在焦距附近。可接受的聚焦深度偏差为±0.3屈光度(与观测距离成反比)。双眼会聚的视线距离必须接近于焦距，以获得单一感知物像，收敛视差必须小于Panum融合范围(±15～30弧分，双眼融合物像获得单一感知物像的最大视差范围)。调节焦距和收敛视差二者相互影响。

在真实世界中，观看者从任何位置观看景物时，焦距和收敛距离都是相同的(如图2中的斜线)。当焦距和收敛距离对应在双眼可视物像的清晰区域内(绿色区域)时，观看者能够获得一个锐焦距图像，也就是说二者可以有效调节。珀西瓦尔区域(黄色区域)是最适合观看立体图像的区域，焦距和收敛距离非常接近，这时观看者不会有任何不适应。由图2所知，为了获得单一清晰的图像，焦距和收敛距离必须相近。

传统立体显示器中，焦距和收敛距离的变化是互不相关的(如图2中的水平线)：焦距固定不变，而收敛距离随着观看者的视线转动而变化。观看真实景物，焦距和收敛距离相同(斜线)。对于传统显示器的这点不足，我们希望能够减少双眼观察图像视差，使物像接近于真实景物。

传统立体显示器的拖尾现象会造成观看者的视觉疲劳和不适应，通常认为收敛调节不协调会导致这样的情况发生，但是这一点尚未被证实。由于立体显示器正在被越来越多的应用，尤其是在医疗器械方面，找出造成视觉疲劳的真正原因显得尤为重要。

在聚焦诱导方面，研究者们已经做出了许多努力，例如使用非定制制图法硬件和保留与视线相关灯光效果(暗区、强光和反射)。如图3(a)中所示，人眼所看到的光场是由1个镜面和2个分光镜进行光学处理后叠加而成的。每只眼睛感受到的光线光程不同，所以可以产生一个充实的立体显示效果。将观看者位置固定，以便能够分别计算出每只眼睛所应观察到的物点光影细节效果。这样，可以使所有图像清晰显示，并且按照距离进行适当模糊调节，减轻相干斑纹。镜像层中间的物点，我们可以通过深度加权融合表现，即沿着视线对处于镜像层的物像边缘进行一类加权。深度加权融合促进了图像间的适当聚焦诱导，同时消除了间断模糊。

让人感兴趣的是，观察者是如何感知、辨别不同显示器中的图像。首先了解一下眼膜图像：制图渲染法、渲染显示方式和视线匀直的光学特性，决定了眼膜图像的特征，所以我们可以通过直线型系统方法来分析眼膜图像构成，并计算出由正弦波光栅(明暗斑纹图案)形成的眼膜图像。具体来说就是，通过计算可以排除显示器影响，单独得到眼膜图像的对比度。由于一般光学像差会导致景深偏大，使得这一点对于计算人眼真实光学模型非常重要。

真实景物、传统立体显示物像和新型多面立体显示物像，分别反映出的眼膜图像有时相近，有时迥异。图4展示了这三种情况下，正弦光栅在眼膜图像上的对比情况，左右两列分别对应5周期/度和12周期/度的空间频率(前者中度细化，后者高度细化；标准电脑显示器的最高细节为18周期/度)，其中X轴为像距，Y轴为人眼的对焦距离。这个光学建模数据取自作者David M. Hoffman左眼，加利福尼亚大学(伯立克市)的Austin Roord负责实验测量。

首先，来看图4中的真实景物部分，在5周期/度(左上分图) 2.5屈光度时，对比度最高。在实际生活中，眼睛的实际物距保持2.5屈光度，可获得最高的对比度；在12周期/度时，如果稍有对焦偏差，就会产生调节问题，造成对比度下降。上面的一组分图表明了物距、调节反映和眼膜图像间的一般规律。

其次，对于传统立体显示物像部分，当距离显示面40cm(2.5屈光度)观察时，对比度保持最大值，不随像距而变化。为了维持清晰的视觉效果，即使像距变化，观察者也必须保持人眼焦距不变，导致视觉调节失效。

最后，对于新型多面立体显示器，它内部的三个镜像层间距为0.67屈光度，若像距等于镜像层距离，眼膜图像对比度与观察真实景物的对比度相同；若像距处于镜像层间时，需要对物像进行深度加权融合，在中低空间频率的情况下，经融合的物像眼膜图像对比度与真实景物非常相近，此时对比度只与像距相关，与显示镜像层位置无关。在高空间频率下，融合物像对比度则略有失真：对比度峰值产生在相应的调节焦距点，且不随像距改变。即便这样，由于新型多面立体显示器在中低空间频率时的优异表现力和模糊控制调节，其所呈现的物像效果仍然非常接近真实景物。

聚焦诱导的适当性可以通过观察新型多面立体显示器时的视觉感官和疲劳度来衡量。传统立体显示器的收敛距离和调节对焦距离偏差较大，但是对双眼可视物像的清晰区域和珀西瓦尔区域影响较小，但观察者们仍发现显示器中立体影像很难融合。我们对聚焦诱导影响的随机立体图点融合时间进行了评估，发现物像表面深度呈周期性起伏(锡板起波状)。

当对物像融合调节适于双眼观察时，观察者会比较容易建立起空间位置感。然而，单眼观察或融合不完全时，将出现噪点干扰和取向位置错乱。如图5中，在收敛焦距变小接近0时，三个物体的融合时间变小。在远收敛条件下(蓝色线条)，收敛物像处于1.87屈光度，此时焦距可为1.87屈光度(无干扰)，2.54屈光度(中干扰)或3.21屈光度(强干扰)；在近收敛条件下(红色线条)，收敛物像处于3.21屈光度，此时焦距可为1.87屈光度(强干扰)，2.54屈光度(中干扰)或3.21屈光度(无干扰)。这样，通过调节聚焦诱导可获得更好的融合效果，以获得持续优质的视觉感受。

综上所述，可以认为传统显示器造成视觉疲劳和不适应的主要原因是收敛调节不协调。为了进一步证明这点，我们选取11个立体图景，进行了2组立体显示对比实验：第1组中，焦距固定，收敛距离随机，这样的不协调诱导情况与传统显示器相同；第2组中，焦距和收敛距离保持一致，与新型多面立体显示器相同。每组观察时间为45min，其他的实验条件相同。通过调查问卷对测试者视觉感受进行收集统计，结果如图6所示。实验结论表示，不协调诱导会导致更严重的视觉疲劳症状。由此有力地证明了收敛距离和焦距的不协调与视觉疲劳相关。

结论

传统立体显示器在显示真实立体影像时，由于双眼视差、明暗透视等因素影响，无法达到高保真画面的要求，但通过聚焦诱导可以消除这些影响。在影响因素与聚焦诱导控制不协调时，会导致视觉深度失真、图像融合困难和视觉疲劳及不适应。新型多面立体显示器能够在多种不同情况下，使图像正确进行聚焦诱导，这样的新型显示器，可改善双眼视差，增强细节效果，降低视觉疲劳。随着立体显示的广泛应用，其固有缺陷的改进显得越来越重要。正在研究发展的显示课题，将会通过聚焦诱导等技术革新，使我们获得更高质量的视觉享受。

（北京工业大学 王鹏 译自《Information Display》07/08）