偏振式立体投影系统性能参数研究与仿真

李 艳

(嘉应学院 物理与光信息科技学院，广东梅州 514015)

0 引言

随着3D(three－dimensional)产品的普及，人们对3D产品的立体再现质量也提出了更高的要求.不同的3D产品采用的立体显示方式不相同，影响立体投影质量的性能参数也不一样.目前国内外并未出台关于3D产品质量评价的相关标准，生产厂商生产3D产品时，采用的标准也多为自定，各项参数及指标的要求并不统一，造成了当前市场上3D产品质量参差不齐［1，2］.

Andrew Woods［3］针对各种不同的立体显示器，探讨了测量和表针性能参数的方法;Marja Salmimaa［4］等人采用三种不同方法对立体参数进行了测量及对比;Marcus Barkowsky［5］等人采用时序平均串扰和瞬时串扰两种不同的方法对时序式立体显示的串扰进行了测量和比对;潘冬冬［6］等人的研究结果表明，在偏振式立体投影系统中，串扰与偏振眼镜镜片偏振度呈反比例关系，与镜片旋转角度呈正比例关系;刘伟［7］对立体显示器中存在的两个主要问题，即视疲劳和串扰进行了研究，同时，详细研究了立体显示器的串扰，对其定义和计算方式进行了详细的阐述，提出并实现了通过主观方法对串扰进行测量.

偏振式立体投影系统［8］具有价格低廉，使用方便等特点，具有很强的市场竞争优势.本文对偏振式立体投影系统的主要性能参数进行了研究，通过仿真实验得出参数对立体投影质量的影响，为偏振式立体投影系统结构优化与装配提供有用数据，为质量评价系统的设计提供定性指导.

1 立体性能参数研究

偏振式立体投影系统立体性能参数主要为不一致性及系统串扰，这两个参数是影响其立体投影质量最重要的参数.

不一致性，包括两路光路投影出来的图像颜色的差异和两幅图像在屏幕上相对位置之间的偏差.这种位置偏差不仅包括水平、垂直方向上的平移，还包括绕光轴的旋转等.

串扰(χ3D)［3，6］，是指观察者在观看立体视频或图像时，左(右)眼除了观察到左(右)路投影图像外，还能观察到部分右(左)路投影出的右(左)眼图像，从而在人眼中产生串扰.在偏振式立体投影系统中，串扰(χ3D)是指，投影时进入人的左眼的右光路图像亮度BR－L与进入人的左光路图像亮度BL的比值;或投影时进入人的右眼的左光路图像亮度BL－R与进入人的左光路图像亮度BR的比值，用公式表示即为:

其中，χ3D－L、χ3D－R分别为左眼及右眼串扰值.

偏振眼镜、偏振式立体投影仪以及金属屏幕3个部分均会引起串扰.

2 立体性能参数仿真

为了研究左右光路不一致性以及立体串扰度χ3D大小对立体投影质量影响，通过计算机仿真实验，对不一致性(图像错位、旋转)以及串扰进行定性研究与分析，通过观察者两眼的主观判断，对图像的立体效果进行评价，得出定量参考数据.图1所示为空间基本坐标图，将立体空间分为三个坐标平面，假设立体显示图片在XOY平面上.评价过程中，观察者与显示屏幕距离为1 m.

图1 空间基本坐标图

2.1 不一致性仿真

不一致性仿真实验中，对立体图像对错位及不同程度旋转进行了仿真，通过人眼主观评价，得出参数对立体投影质量影响大小.

2.1.1 实验过程

(1)按要求挑选立体效果良好的2组(6副)立体图像对，其中:

第1组(3副):显示图像单个物体为主，背景不突出;

第2组(3副):显示图像没有特别需要突出的物体，整个画面为一个整体.

(2)采用StereoScopic软件，分别对2组图像进行错位、旋转处理;

错位:将左右图片对调，即原本左眼图像变成右眼图像，右眼图像变成左眼图像;

旋转:采用3D·maker软件，分别生成绕X、Y、Z轴旋转角度为1～10°，1°为间隔的立体图像对.

(3)采用StereoScopic软件的红青立体播放格式进行播放;

(4)观察者带上红青眼镜进行观看，对立体图像进行评价;

(5)重复上述步骤，分别对2组(6副)不同的立体图像进行评价，得出实验结果.

2.1.2 实验结果

(1)错位仿真实验结果.

第1组:画面中的背景环境失去立体效果，双眼胀疼，重影严重.而从环境中脱离的单独物体，将由原来的入(出)屏变成出(入)屏，立体感觉也很明显.

第2组:画面完全失去立体效果，画质也变得模糊，清晰度降低，两眼观看困难，眼睛容易胀痛.

(2)旋转仿真实验结果.

a绕X轴方向相对旋转:左右眼图片上下视差变大，立体感变强，但是由于人眼融合程度有限，因此会加重人眼观看负担，容易头晕，且双眼视觉疲劳现象更严重.对于需要体现上下距离感的特定景物的图片，旋转角度在5°以内时，会出现比原图像更加明显的立体效果，视线更加开阔，但是画面周边会开始模糊.超过5°左右时，上下方边界线已经非常明显，肉眼可以分辨.

b绕Y轴方向相对旋转:其前后效果与在X轴上具有相对旋转时类似.左右眼图片在左右方向上的视差变大，立体感变强，同样由于人眼融合程度有限，因此会加重人眼观看负担，容易头晕，且双眼视觉疲劳现象更严重.对于需要体现左右距离感的特定景物的图片，旋转角度在5°以内时，会出现比原图像更加明显的立体效果，视线更加开阔，但是画面周边会开始模糊.超过5°左右时，上下方边界线已经非常明显，肉眼可以分辨.

c绕Z轴方向相对旋转:对图片立体效果影响最大.图像旋转角度大约以2°为界限，超过2°，图片边界模糊，两眼涨疼且疲劳加重.试验中具体显示效果为:立体图像对中左图往左旋转或者右图像往右旋转，画面上方左右眼距离拉大，下方缩小，导致上方景物立体感比下方景物立体感强.立体图像对中左图往右旋转或右图往左旋转，画面上方左右眼距离缩小，下方拉大，导致上方景物立体感比下方景物立体感弱.

2.1.3 实验结果分析

(1)错位仿真实验结果分析

图2 错位实验结果分析图

对此实验结果进行分析，图2为错位试验结果分析图.左像素点PL和右像素点PR位于显示平面上，交换图片前，左、右眼分别看到左、右画面图像像素点PL、PR.因此，此时人眼观看的图形位于显示屏幕后方T处.左右图片交换之后，左眼观看的图像像素点变成PR，右眼观看的图像像素点变成PL.根据3D画面成像原理，人眼观看到的图像位于显示平面的前方T＇处.因此，正常观看时物体立体显示效果为入屏，错位后将变成出屏;相反，正常观看时物体立体显示效果为出屏，错位后将变成入屏.

(2)旋转仿真实验结果分析.

a立体图像对在X轴或Y轴上具有相对旋转时，原理可表示如图3.D、K分别为左右眼图片原始位置，物体成像于屏幕后方G处.当左眼物体D往Z轴负方向移动至E时，水平视差由原来的DK变为IK，水平视差增大.此时，物体成像于F处，可以看出，立体深度变大，立体效果更明显.同理，当左眼物体D往Z轴正方向移动至C时，水平视差由原来的DK变为JK，水平视差减小.

图3 绕X轴或Y轴相对旋转原理图

图4 绕Z轴相对旋转原理图

b立体图像对在Z轴上具有相对旋转时，原理可表示如图4.D1、K1分别为左右眼图片原是位置，物体成像于屏幕后方G1处.当左眼物体D1往X轴负方向移动至I1时，水平视差由原来的D1K1变为I1KI，水平视差增大.此时，物体成像于F1处，可以看出，立体深度变大.同理，当左眼物体D1往X轴正方向移动至J1时，水平视差由原来的D1K1变为J1K1，水平视差减小.此时，物体成像于 处.可以看出，立体深度变小，立体效果没有原来明显.

2.2 串扰仿真试验

2.2.1 实验过程

同2.1.1，其中第(2)步改为:(2)采用photoshop软件，合成两幅图片串扰值分别为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%时的红青立体图.

2.2.2 实验结果及分析

实验结果表明，串扰值在10% ～15%之间是一个临界.小于10%时，对立体投影质量的影响不大，串扰引起的重影也不明显;10% ～15%之间时，立体感并没有消失，重影慢慢严重，已经影响画面观看;超过15%，尤其到达30%时，虽然有立体感，但是重影严重影响了画面质量.人眼也明显产生不舒服、疲劳、涨疼等现象.

由于在偏振式立体投影系统中，串扰由偏振眼镜、偏振式立体投影仪以及金属屏幕三个部分引起，而偏振眼镜及金属屏幕的串扰是固定的.因此，在设计偏振式立体投影仪时，要尽量降低左右两路光路的串扰，使三部分引起的串扰值低于10%，才符合人眼观看要求.

3 结论

本文对影响偏振式立体投影系统投影质量的性能参数——不一致性和串扰进行了全面阐释，在计算机平台上对投影过程中左右眼图像错位、相对旋转及串扰进行了仿真，分析了参数对立体投影质量的影响，为偏振式立体投影系统结构优化提供了定量参考数据，并为后期立体投影质量评价方法设计和系统实现提供了定性指导.

致谢感谢清华大学国家光盘中心马建设博士团队提供相关实验条件及指导.

［1］温娜，李默.IEC立体显示终端测量方法综述［J］.电视技术，2011，35(4):75－77.

［2］王琼华，王爱红.三维立体显示综述［J］.计算机应用，2010，30(3):579－581.

［3］ANDREW W.Understanding Crosstalk in Stereoscopic Displays［J］.3DSA(Three － Dimensional Systems and Applications)conference，Tokyo，Japan，2010.05 .

［4］MARJA S，TONI J.3－D 自由立体显示的性能表征［J］.现代显示，2009(11):5－8.

［5］MARCUS B，SYLVAIN T，KJELL B，et al.Crosstalk Measurements of Shutter Glasses 3D Displays［J］.M.Barkowsky，Proceedings of SID Symposium Digest of Technical Papers，2011.

［6］潘冬冬，王琼华，李大海，等.偏振眼镜立体显示的立体串扰度及其影响因素［J］.光学技术，2009，35(4):517－518.

［7］刘伟.立体显示性能测试及评估方法研究［D］.南京:东南大学物理电子学系，2008.

［8］SU P，MA J－S，LI Y，et al.A New Type of Stereoscopic 3D Mini － projector［J］.Proc.SPIE，2011，8202:820203.