論自由立體顯示系統(tǒng)在人機(jī)交互研究中的應(yīng)用
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1 引言
隨著三維立體顯示電影阿凡達(dá)等的出現(xiàn)，三維立體顯示得到廣泛的關(guān)注，自由立體顯示系統(tǒng)作為最好實(shí)現(xiàn)真三維立體顯示的技術(shù)，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(tǒng)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(jìn)行了綜合的人機(jī)交互分析。觀察者不需要佩戴任何觀察設(shè)備就可以直接看見3D立體圖像。即自由立體顯示技術(shù)。自由立體顯示主要有全息立體技術(shù)、平板顯示、體立體與立體投影技術(shù)等等。其中全息立體技術(shù)是研究歷史最長，最成熟的立體技術(shù)，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(shù)由于現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，很難實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示。立體投影的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)利用了成熟的大屏幕投影技術(shù)，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的知覺更替。其中，在特定時(shí)間看到的刺激叫顯要刺激；在特定時(shí)間無法看到的刺激叫抑制刺激。當(dāng)兩個(gè)刺激很小時(shí)，會交替看到兩個(gè)完整的映像，這是“全或無”優(yōu)勢；當(dāng)不同模式的不同部分在不同區(qū)域占優(yōu)勢時(shí)，即所謂的鑲嵌式優(yōu)勢。
圖1 雙眼競爭
如圖1示，仔細(xì)觀察就會了解到，雙眼競爭引發(fā)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(tǒng)顯示中是非常危險(xiǎn)的，因此，應(yīng)當(dāng)盡量避免給操作者雙眼的網(wǎng)膜對應(yīng)位置呈現(xiàn)不相稱的刺激，以阻止雙眼競爭現(xiàn)象的發(fā)生。
2.2 Pulfrich 現(xiàn)象
德國物理學(xué)者Carl Pulfrich于1922年指出，當(dāng)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(yùn)動時(shí)，我們會看到擺球似乎在沿平面橢圓形軌道運(yùn)動，這就是Pulfrich現(xiàn)象（此單擺稱為普氏擺）。擺球運(yùn)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(yùn)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(xiàn)象做了解釋。他認(rèn)為：被過濾眼中的刺激亮度衰減，使該眼的視覺反應(yīng)潛伏期延長，因此有關(guān)物體位置的信號在傳輸?shù)揭暺訒r(shí)會產(chǎn)生雙眼間的時(shí)間偏差，從而導(dǎo)致在深度上運(yùn)動的錯覺。根據(jù)這種解釋，只要有運(yùn)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(yīng)當(dāng)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(tǒng)，都是軟硬件的有機(jī)結(jié)合。怎樣正確實(shí)現(xiàn)立體透視圖對的形成和顯示是軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，軟硬件能否協(xié)調(diào)一致、取長補(bǔ)短是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，下面闡述幾個(gè)對正確構(gòu)建和顯示立體圖像對至關(guān)重要的因素。
3.1 左右透視圖的計(jì)算
在立體視覺系統(tǒng)中，要為左右眼各生成一個(gè)透視圖，需要兩個(gè)水平排列的投影中心。圖像分別投影到這兩個(gè)投影中心生成左右視圖。標(biāo)準(zhǔn)的圖形學(xué)投影方式如圖2所示，這里使用左手坐標(biāo)系統(tǒng)。通過這種有兩個(gè)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(qū)和兩個(gè)單視區(qū)，而獲得比單投影中心方式更寬的視野范圍，而且在重疊區(qū)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(jù)透視投影的變換矩陣可導(dǎo)出體視投影變換矩陣。以視點(diǎn)坐標(biāo)系（右手系）原點(diǎn)O（在體視學(xué)中叫做中央眼）為視點(diǎn)的透視變換矩陣為 （1）
式中d為視距。如圖2所示，設(shè)左視點(diǎn)為SL（-B/2，0，0），右視點(diǎn)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(diǎn)的體視變換矩陣分別為
（2）
（3）
設(shè)空間一點(diǎn)的坐標(biāo)為，則其左、右投影分別為
（4）
（5）
顯然，左、右視點(diǎn)y和z坐標(biāo)分別相等，所不同的只是x坐標(biāo)，而
（6）
其中稱為圖對間隔位似系數(shù)，如圖3所示。上式說明，左、右投影間距不是一個(gè)常數(shù)，而是與物體各頂點(diǎn)的z坐標(biāo)有關(guān)。由圖3還可以看出，這時(shí)z坐標(biāo)應(yīng)小于0。
圖3 物體的體視圖（左） 示意圖 （右） 根據(jù)透視原理畫出的體視圖 由此產(chǎn)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(jīng)過幾何投影算法的計(jì)算可以得到遠(yuǎn)距離物體的投影尺寸，但由于投影介質(zhì)物理分辨率有限無法顯示出物體紋理的輪廓和細(xì)節(jié)，從而無法形成有效的三維立體視覺。 3.2 兩種計(jì)算方法的比較 上面介紹的計(jì)算立體圖對的方法是將投影中心分別放在Z軸兩側(cè)，一般稱為離軸投影。還有一種方法稱為軸上投影。它使用標(biāo)準(zhǔn)投影中心，通過移動數(shù)據(jù)獲得與離軸法相同的左右投影點(diǎn)集變換式可得到計(jì)算方程。 對比標(biāo)準(zhǔn)投影變換式，可以很容易地得到計(jì)算左視圖的算法： （1） 給每一點(diǎn)的坐標(biāo)加并對它進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)投影變換； （2） 再將每一投影點(diǎn)的坐標(biāo)減去； 這兩種方法在數(shù)學(xué)上是一致的，在實(shí)現(xiàn)效果上各有優(yōu)缺點(diǎn)軸上投影需在軸方向上進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)投影，可由硬件實(shí)現(xiàn)，而離軸投影只能由軟件實(shí)現(xiàn)。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(jī)交互分析 人機(jī)交互技術(shù)（Human Computer InteractiON，簡稱HCI）主要是研究人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，主要包括人到計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)到人的信息交換兩部分。人們通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)與其他事物的交互，對自由立體顯示系統(tǒng)來說，可將其人機(jī)交互行為分為四類不同的感知過程：人對現(xiàn)實(shí)世界的感知、計(jì)算機(jī)對外部世界的感知、人對計(jì)算機(jī)的感知以及人通過計(jì)算機(jī)傳遞的視差感知信息。我們在以下內(nèi)容中著重從這幾個(gè)方面來進(jìn)行研究。 4.1 自由立體顯示人-機(jī)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(tǒng)構(gòu)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(shí)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(yīng)用為了實(shí)現(xiàn)良好的沉浸性，采用了頭部顯示以及追蹤設(shè)備，但因?yàn)榱Ⅲw成像能力的限制帶來很多的問題，使立體環(huán)境只能針對單個(gè)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(yīng)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(dǎo)游”方式，典型的應(yīng)用是“參觀”項(xiàng)目。方法是將操作者觀察到的內(nèi)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(jìn)行參觀游覽。操作者就象旅行團(tuán)的“導(dǎo)游” 一樣。采用自由立體顯示技術(shù)后，“觀察者”可以得到更強(qiáng)的沉浸感。缺點(diǎn)是“觀察者”的視點(diǎn)與“導(dǎo)游”的視點(diǎn)不同，且相互間的視點(diǎn)各異，不但“觀察者”不能與三維立體環(huán)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(lián)網(wǎng)建立起來的Web3D顯示系統(tǒng)。設(shè)想如果對一個(gè)參與者而言其他參與者都是環(huán)境中的一部分，那么基本的三維立體環(huán)境對所有的參與者而言，都是公用的，每個(gè)參與者都可以與環(huán)境有很好的交互性。這種交互性是互聯(lián)網(wǎng)固有的特性。需要提高的是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行能力和圖像生成能力。這兩個(gè)問題隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬的增大和終端運(yùn)行能力的提高可以得到很好解決。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多專用于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)編程語言，例如Vrml.Java3D以及X3D等。 對技術(shù)實(shí)現(xiàn)者和觀察者來說，來自于三維立體環(huán)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(yīng)用中，為了在三維立體顯示的應(yīng)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(jià)方法，通過這樣的信息，來判斷我們當(dāng)前的技術(shù)是否能滿足觀察者挑剔的需求。 要實(shí)現(xiàn)自由立體顯示，必須給觀察者提供真實(shí)的三維立體環(huán)境。三維立體圖像是自由立體顯示系統(tǒng)人機(jī)交互中極為重要的視覺信息，在立體顯示的計(jì)算機(jī)成像方面仍然大量的問題需要研究，結(jié)合自由立體顯示中人的因素和計(jì)算機(jī)的因素開展的人機(jī)交互研究，構(gòu)建三維環(huán)境的三維逼真度，直接影響著自由立體顯示的質(zhì)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(biāo)產(chǎn)生三維立體感，獲取三維立體效果。 4.2 自由立體顯示人-機(jī)行為分析 自由立體顯示系統(tǒng)一個(gè)典型的特征就是觀察者與三維立體環(huán)境的交互性。人在三維立體環(huán)境下與虛擬世界的交互行為，是與人在真實(shí)環(huán)境下與真實(shí)世界的交互行為完全對應(yīng)的。自由立體顯示系統(tǒng)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(jī)行為分析，體現(xiàn)了人與計(jì)算機(jī)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。 圖4 人-機(jī)行為分析 人們在視覺信息的獲取過程中，視覺對運(yùn)動的感應(yīng)是一個(gè)非常奇特的現(xiàn)象：一方面人眼的視網(wǎng)膜具有視覺暫留的特性，另一方面人眼又對運(yùn)動的物體極其敏感；同時(shí)頭部結(jié)構(gòu)又給人眼提供了一個(gè)非常穩(wěn)定的平臺，使人能夠在相當(dāng)顛簸的狀態(tài)也能獲得較穩(wěn)定的視覺。概括來說就是，人們既能在物體靜止時(shí)獲得穩(wěn)定的視覺，又能在物體移動時(shí)獲得穩(wěn)定的視覺。這種矛盾現(xiàn)象說明人的視覺信息獲取過程是一個(gè)非常穩(wěn)定而快捷的控制過程。對于自由立體顯示來說，理想的獲取三維視覺信息就是，在人們靜止時(shí)系統(tǒng)能提供穩(wěn)定的三維立體場景。 5 總結(jié) 我們根據(jù)人機(jī)交互分析，需要保證以下三個(gè)方面：一要確保三維立體環(huán)境顯示的逼真性問題，即立體顯示問題；二是由于算法和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換原因引起立體圖像顯示中實(shí)體位置的誤差問題。三是由于自由立體顯示的應(yīng)用目的不同、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)手段不同，會涉及到不同領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。 就三維立體圖像的生成本身而言，有三維立體圖像的生成算法、自由立體顯示的軟硬件支持環(huán)境、自由立體顯示方式等問題。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供視覺的真實(shí)性，也就是提供三維立體環(huán)境以再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的能力，影響著整個(gè)自由立體顯示系統(tǒng)的效果評價(jià)。人與三維立體環(huán)境之間的交互可以根據(jù)視差感知信息流動的方式和渠道進(jìn)行歸納總結(jié)。在視差感知的幫助下，可以將人一機(jī)交互過程的結(jié)果傳遞給人，從而影響人的思想決策，研究人員通過對產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)。在以后的自由立體顯示的技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，充分考慮人機(jī)交互的因素，最終達(dá)到人們完美獲取真實(shí)三維立體顯示的環(huán)境。
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