立体显示技术在船艇模拟训练系统中的应用研究

龚琳

（陆军军事交通学院镇江校区，江苏 镇江 212003）

1 引言

三维视景系统是船艇模拟训练系统的重要组成部分，它影响着系统的整体逼真度。现有船艇模拟训练系统的视景系统，主要通过平面多通道显示技术实现二维图像。这种平面成像技术给人的深度信息尚不能满足真实感模拟训练的需要，特别是在进行一些专业训练时，如船艇靠离码头、船艇避碰、水上搜救、船艇指挥员心理研究等都需要通过眼睛来估计空间距离，如果能利用立体显示技术，会进一步增强身临其境的感觉，从而提高训练效果。

本文以立体显示技术的原理为基础，通过研究现有的视景立体显示的方法理论，结合船艇模拟训练系统视景显示的特点，对立体显示技术在船艇模拟训练系统中应用的软件实现方法、硬件架构以及可能出现的技术难点进行了详细探讨。

2 立体显示的基本原理

人在观察物体时，两眼的角度是带有略微差别的，所以被观察的目标所展现在两只眼睛的视网膜中的立体成像自然也存在差异，我们通常将此类差异称为双眼的生理视差。视网膜上的两幅具有视差的图像称为立体图像对。立体视觉之所以产生就是因为双眼视差的存在和展现。当大脑视觉神经中枢接收到视感细胞传递来的左右眼在视网膜上所形成的差异，经视神经再对左右眼的视差进行融合处理，人们便能在大脑中很快体验到所观察目标的立体层次感。

综上所述，在人脑中要形成立体视觉的必备条件有：①人眼所观察的目标图像一定存在左右视差；② 左右两眼一定要分别观察并行成左右不同影像，产生双像分离。因此，从理论上可以这样假设，如果我们将普通图像序列进行转换，生成立体图像对序列，然后再对立体图像对进行处理轮流地显示到左右眼，那么根据人眼的视觉暂留特性就可生成三维立体视景。

3 立体显示技术在船艇模拟训练系统中的应用

3.1 立体显示系统的构成

根据立体显示的原理分析，船艇模拟指挥训练系统如果要配备立体视景显示系统需要满足两个条件，首先本来的平面透视视景图像序列必须转成两幅具有左右视差的视景图像序列；然后配上一定的硬件设备使左右两眼分别观察左右相应的影像。因此，从结构上来讲，船艇模拟训练系统的立体视景系统应该由两大部分组成，即立体图像对生成模块、立体显示和观察模块，如图1所示。

图1 立体显示系统结构示意

在该系统中，立体图像对生成模块是研究如何运用视景开发软件生成相应的具有视差的两幅立体图像。立体显示观察模块则主要研究如何利用显示设备等硬件对立体图像对进行快速交叉显示。

3.2 立体图像对的生成方法

立体图像对生成方法是把普通的单视点透视扩展到双视点透视，也就是对每个视点分别计算一幅透视图，从而产生图像的深度感。如果三维场景已经建立好了，就需要将该场景目标同时投影以形成图像坐标系中的左右眼两种视图，这样就形成了立体图像对。这种模拟的办法就像人的左右眼观察目标物体一样。摄像机生成立体成像的工作原理也是模拟人眼形成左右眼的立体图像对。即，首先对场景中的物体目标进行坐标变换；然后，摄像机设备对目标进行透视投影。该目标物体经过摄像机的投影就是机器所拍摄到的底片，监视器上摄像机视口的图像则是摄像底片所冲洗出来的图片。我们将两个完全一样的物体目标分别放置在不同坐标上，将它们之间的距离等同于左右眼的瞳距，然后对同一场景进行拍摄，自然也就生成了立体图像对。

3.3 立体成像投影系统的构建

在船艇模拟训练系统中，需求不仅能将生成的立体视景在某一台计算机上显示，而且能将生成的立体视景通过特定的设备投射到多台计算机、大屏幕或环型屏幕以供多人使用。因此采用基于多通道环形幕的立体视景系统更能满足船艇模拟指挥训练系统多人参与使用的需求。当前，一般的实验室实现立体显示投影技术主要有如下两种：被动式投影和主动式投影。当然，主动式投影和被动式投影都是相对立体眼镜而说的，即被动式立体眼镜是指被动地接收立体图像，该设备本身不需要有任何动作；主动式立体眼镜是指主动地交替开关左右眼镜片以便于左右眼分别接收图像。

（1）被动式投影

被动式立体成像是将两台投影机组合形成同一个通道来产生投影，一台机器投影到左眼并产生图像，另一台机器投影右眼并产生图像。两只眼睛所接收到的图像通过不同方向的偏振光片过滤，使其偏振方向互相垂直，并投影到同一屏幕上。左右眼再佩戴与左右眼图像偏振方向同向的偏振眼镜，使左视图投影光进入左眼，右视图投影光进入右眼，从而使观察者产生立体视觉,如图2所示。

（2）主动式投影

主动式立体成像是接受者在观察时戴有主动式立体眼镜，该立体眼镜的镜片由高速反应液晶制成。投影仪快速交替地将机器生成的左右眼图像分别投射到投影屏幕，通过红外发射设备发射同步的信号。在立体眼镜上显示左眼图像时，计算机通过红外发射设备立即发射出信号，该立体眼镜接收到红外信号后立即向观察者的立体眼镜右眼镜片发送反转电压，该镜片变黑，图像只能在左眼中看到。如此这般，屏幕显示右眼图像时，该立体眼镜的左眼镜片立即变黑，图像只能被右眼看到。

图2 被动式立体成像示意图

（3）被动式投影与主动式投影的区别

被动式投影与主动式投影对比而言，①在硬件设备上，被动式立体显示系统需要两台投影仪并形成一个通道，但主动式的立体显示系统只需要一台，但为满足左右眼各48Hz的显示刷新率，主动式立体显示系统的投影仪必须达到至少96Hz的图像刷新率，同时因为亮度损耗，所使用的投影仪必须满足高亮度条件，所以主动式立体显示系统的投影仪单台成本并不低于被动立体显示系统每通道两台投影仪的成本；②从受众人数来看，被动式立体显示系统适合较多人同时使用，且立体眼镜轻便，易携带，佩戴方便，与此相反，主动式观察设备则较笨重且成本高，适合少数人独立使用；③显示效果方面，采用偏振光技术的被动立体显示系统易产生重影，存在亮度损耗，若两台投影仪显示失真较大会明显影响立体显示效果。主动式立体显示系统相对被动式立体显示系统，亮度损耗更大，在显示刷新率较低时，画面会出现闪烁，容易造成视觉疲劳，出现不适反应。

（4）多屏幕环形系统所需硬件设备及连接方式

从以上分析来看，因为主动立体显示的方式亮度衰减比较多，立体眼镜也较重，观看时间长会出现头晕、眼胀甚至恶心的现象，所以目前不适合用于船艇训练。而被动立体方式因成本低，对投影仪没有要求，而且眼镜比较轻，被很多立体电影院或小型立体视景系统所采用。

基于多通道环形幕的立体视景系统所需设备总结如下：1）配备专业高性能图形加速卡的计算机；2）立体图像转换器（适用于偏振光技术）；3）立体眼镜；4）偏振光片或光谱滤光片；5）普通或高亮度投影幕；6）立体显示视景驱动软件；7）立体显示开发平台；8）三维建模软件。连接方式如图3所示。

图3 被动立体显示投影设备连接方式图

4 技术难点及相关解决措施

随着计算机技术和网络通讯技术的发展，立体显示技术在船艇操纵模拟器上的应用越来越成熟。理论上，只要立体显示原理应用正确，在固定观察范围内进行观察都应能够观察到立体显示效果，但实际操作却并非这么简单。立体显示过程涉及光学、信息技术、生理心理、电子制造和系统论等多方面学科。作为一个多方面协同运作的系统过程，由于有些技术理论和实体产品的不完善，限制了立体显示技术与模拟器的兼容。所以，立体显示系统的影像品质和系统兼容性以及使用者体验仍存在较多问题，现对较典型的三个问题进行讨论。

4.1 立体图像的质量问题

在理想情况下，当左眼的图像投影并显示时，右眼的图像应完全消失；相反，当右眼图像投影并显示时，左眼的图像也应完全消失。然而，目前的技术水平却很难实现这种理想的状态，因为左右眼之间还存在着图像间的串扰问题。而且，这种串扰是由于多重因素综合影响形成的。主要因素是在我们开启与关闭快门时的漏出量。这些因素对图像重影的影响很难由确切的测量方法测出其数量，但对于提高图像的质量而言，它可以提供很有用的依据。图像中的重影直接与明亮度、水平视差的大小和高反差成正比，与原像的复杂性和图像精细度成反比。因此，我们需要通过多次反复调节诸多因素来减轻双目之间的串扰现象，如图像的明度、反差、原像复杂性和水平视差等。

所以，为了使产生的立体效果真实，我们必须要做到以下几点：(1)需要计算得到符合三维特征的立体图像对。(2)选择恰当的双眼视差。如果双眼视差过大，会给人造成不舒适和不真实的感觉；而如果视差过小，就会使场景显示的立体效果受到影响。(3)要选择合适的屏幕与眼睛之间的距离。(4)显示设备的刷新率要足够高，否则将产生“闪烁”现象。

4.2 生成过程中图像校正与投影边缘融合问题

多通道环幕投影显示系统是一种沉浸式环境，其成像方法在技术上也有较高的复杂性，一个完整的多通道环幕投影系统可能存在以下几个技术问题：一是因为屏幕是环形的，所以投影机投射的图像直接投射到具有弧度的屏幕上，就会产生失真；二是各个投影通道之间图形在渲染绘制时如何能够保持同步；三是各个通道与相邻通道所投影的图像之间的边缘过渡时要保持平滑的问题。这都是不利于使用者体验的因素。为了提高模拟指挥训练系统的效能，就必须对图像进行校正以达到水平并将通道间的边缘图像以适度比与全景融合。为此提供以下两种解决方法：

第一，采用边缘融合方法，这是目前最常用的投影边缘处理的方法，即通过对右投影仪的左边重叠部分图像的亮度进行线性增加处理，使重叠区域的亮度与普通投影区的亮度趋于一致。

第二，在对图形图像进行渲染时，穿插进行图像的校正、融合，这主要通过三个过程实现：投影图像叠加、图像融合、伽马校正。

4.3 观察过程中出现的视觉疲劳和不适反应

作为对使用者影响最大的问题，同时也是限制立体显示技术发展的问题，一般视疲劳和不适反应都是由于心理的应激障碍和眼肌的适应性紧张造成的，包括视点辐合角与垂直视差。视点辐合角指两视轴夹角，辐合角过大会导致眼睛肌肉紧张，垂直视差也会导致观察者双眼疲劳及晕眩感。为此，我们通常设置适度的视景深度参数，选取平行投影法。

5 结语

总之，基于立体显示技术的航海模拟器的实际效果，相较平面显示系统的显示效果、真实感、沉浸感以及深度信息都有较大程度的提高，但与现实航海体验相比，在视觉和操纵上仍有巨大的差距。随着科学技术的进步，我们相信在全息立体显示已投入应用的今天，立体显示技术在船艇模拟训练系统上的应用会早日得以实现，并在真实感和沉浸感，以及训练实效和功用上有较大的提高。

参考文献：

[1]张新宇，尹勇，赵猛．船舶操纵模拟器立体视景系统理论、方法和实现的研究[J]．上海海事大学学报，2008，20(3)：20-24．

[2]张新宇，尹勇，任鸿翔，等．航海模拟器配备立体视景系统的方法研究[J]．中国航海，2010，33(3)：10-13．

[3]刘航，王积忠，林峰，等．实验室中基于视景仿真的立体成像与显示技术[J]．实验室研究与探索，2007，26(3)：32-35．