立体投影

前言：上世纪八十年代以来， “虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)”技术诞生并得到了长足的发展。有关虚拟现实的理论、技术以应用系统的研究一时间成为研究热点，各种成果倍出，且在许多领域——军事、医学、建筑以及娱乐等——得到良好的应用。

“虚拟现实”目的是建立一个可进入、可交互的虚拟环境。为了实现可进入，需要仿真人对环境的视觉、听觉、嗅觉等生理感受。视觉是人最主要的生理感受，人对外界环境的认知，有 80%来自视觉，因而视觉仿真是生理感受仿真的重点。一般而言，视觉仿真的沉浸感来自三个方面：真实感图形图像、立体视觉感受和宽视野视景显示。由于宽视野视景显示在技术要求、成本方面都较高，因此多数虚拟现实系统仅仅在真实感图形图像以及立体视觉感受方面做了大量工作。本文将重点讨论立体视觉感受生成技术，特别是被动式立体图像生成技术。所有的工作都将基于普通微机环境，而无需特殊的、专业的硬件。

被动与主动立体

首先，我们需要了解微机立体视觉仿真的基本原理以及实现方式。一般认为，双眼视差是形成立体视觉的基本原因。由于双眼的位置差，导致左右眼所获得的图像是不一样的，即双眼观察的图像存在视差。因此，要获得人工立体视觉，首先必须构造一个具有一定视差的立体像对。除此以外，还有一个关键的条件必须满足：两眼必须分别各看一张像片(即分像)。一旦建立了虚拟场景，立体像对的生成实际上是一个较为简单的问题，只要从两个相关的视点位置分别计算两幅图像即可。在这里所谓的“相关”是指处在同一直线上、间隔一定的距离，且视线方向相交或平行。间隔距离的大小、视线交点（凝视点）的位置可以参考人的眼基线长度、最小凝视距离以及仿真场景的比例尺进行设定。
目前常见的立体像对分像手段主要有两类：主动式立体像对分像和被动式立体像对分像，简称为主动立体和被动立体。分像包括两个问题：一是图像如何显示；二是如何保证左眼只能看到左图像，而右眼只能看到右图像。主动立体中，立体像对通过一个显示通道显示。此时，两幅图像不可能同时显示，而是按照相互间隔的时序交替在同一个显示器或投影仪上显（所以在有些文献中也将之成为时分制视频立体显示） 。配合立体像对的显示，需要产生一个同步信号，该同步信号驱动观看者所佩戴的液晶光阀眼镜。当显示左图像时，左眼的液晶光阀开启，光线可以通过，左眼可以看到所显示的图像，而此时右眼液晶光阀则处于关闭状态光线无法通过，自然右眼也就无法看到当前显示的图像；而如果显示右图像时，则液晶光阀的开闭相反，使得只有右眼才能看到右视图。从其工作原理中我们不难发现，主动立体显示中，单眼图像的显示频率只有显示器件图像刷新率的一半。显示器件的图像刷新率不足，则很容易产生闪烁感。
研究表明 50Hz 是人眼可以明显察觉闪烁感的临界值，因此显示器件的场刷新频率必须高于 100Hz，如果同时要求有足够的显示分辨率（如高于 1280×1024） ，则显示器件的带宽一般要高于 200MHz。多数显示器件都难以达到这样的要求，即使可以达到，其成本也是十分高的。而对于投影系统而言，投影仪的选择范围较小，只有部分 CRT 投影仪和三片式 DLP投影仪可以满足要求。被动立体的图像显示需要通过两个显示通道完成，分别显示左右视图，其分像过程相对简单。在头戴式显示器中， 由于左右眼各自对应一个小型 LCD 显示器， 所以只要分别显示相应的图像即可。而采用投影显示系统时，两台投影仪安装一对偏振方向相反的偏振片，例如，在显示左图的投影仪前加装垂直偏振片，用于右图显示的则加装水平偏振片。而如果用户佩戴偏振眼镜左眼镜片为垂直偏振，右眼为水平偏振，则右图的水平偏振光无法通过左眼镜片，左图的垂直偏振光无法通过右眼镜片，从而达到双眼各看对应视图的目的。由于采用两个相对独立的显示通道，因此左右眼视图可以连续显示，对显示器件的频率要求不高。