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裸眼立体显示及数据获取的研究与实现

作　者: 田丰
导　师: 刘锦高
学　校: 华东师范大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 结构光光平面颜色编码真三维立体显示同步显示接口体素优化视差包容范围数字光投影自由立体显示柱透镜视点视区立体视区交叉干扰最佳观看距离立体度
分类号: TN873
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 623次
引　用: 4次
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内容摘要

裸眼立体显示及数据获取系统是近几百年来人们持续研究的问题。近年来,随着信息技术的飞速发展和应用需求的迅猛提升,裸眼立体显示系统取得了部分关键技术的突破。研究高性能、低成本的裸眼立体显示整机及其演播内容获取的机理方法具有重要的理论意义和应用价值。2010年,国家自然科学基金委员会已经把“裸视三维立体显示理论与关键技术”列入重点研究计划。本文围绕着结构光三维信息获取系统、真三维显示器、大屏幕自由立体显示器展开了系统的研究和探讨,取得了具有自主知识产权的部分成果,并为进一步的研究和应用奠定了基础。论文的主要内容如下：1.三维信息获取的研究。试制了多套手动结构光三维信息获取装置；完成了基于线激光的自动三维信息获取系统,实现了摄像机参数标定、激光中心提取、异常点处理、数据修补、点云处理、三维构型等功能和过程；完成了基于投影技术的自动三维信息获取系统,实现了彩色结构光编码、图像预处理和模型重建。最后生成了裸视立体数据源。2.真三维显示器的研究。真三维显示是基于体成像技术的裸眼立体显示方法,能在空间更真实地显示计算机制作或结构光获取的三维模型。本文分析了高速同步显示接口的优势和传统扫描显示方案的不足,采用处理器阵列实现了一台实用的真三维显示器,并充分利用系统提供的高速带宽实现了体像素的空间分布均匀化与亮度均匀化,获得水平360°与垂直180°的视角范围和高亮显示效果。3.自由立体拍摄方法和软件平台的研究。提出无导轨立体实景拍摄的构图、布光、用色等方法,在探讨立体艺术理论的过程中,研究了人们对立体影像的形态知觉和色彩心理,总结了立体制作的编导方法；给出适合LCD和DLP立体显示的采样合成算法,制作了立体游戏互动平台和大屏幕立体播放器；在测量水平视差极限的基础上,分析了立体包容范围与拍摄间距的关系,建立了立体场景包容范围模型,计算了满足较小场景畸变的多机拍摄间距,并给出最佳机位位移量,为立体实景拍摄和制作提供了理论依据。4.DLP大屏幕自由立体显示的研究。建立了DLP自由立体显示的几何模型,并对视区进行了光能分布仿真,理论上证明采用DLP投影方案能够在最佳观看距离上获得没有互扰的最优立体影像；计算了满足大屏幕自由立体显示的光栅参数,提出了光栅焦平面动态搜索法、焦距微调法、主动匹配纹装配法、被动匹配纹装配法、快速立体度测量法,实现了单屏的快速精密装配和测试；讨论了适合立体显示的背投屏幕材料,提出了大屏幕自由立体显示器的拼接方法；通过测量光能分布,证明了实际立体效果接近理论值。实现了具有立体感和临场感的大屏幕自由立体显示器。本文的裸眼立体显示系统有望在展会上实现应用服务。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-33
  1.1 研究背景  14-18
    1.1.1 技术介绍  14-16
    1.1.2 立体技术的应用  16-18
  1.2 基于结构光的三维信息获取  18-21
    1.2.1 方法介绍  18-19
    1.2.2 国内外研究状况  19-21
  1.3 真三维显示  21-22
    1.3.1 方法介绍  21
    1.3.2 国内外研究状况  21-22
  1.4 自由立体显示  22-24
    1.4.1 方法介绍  22-23
    1.4.2 国内外研究状况  23-24
  1.5 论文的研究思路与内容安排  24-27
  1.6 论文工作的意义和创新点  27-29
  参考文献  29-33
第二章基于结构光的三维信息获取  33-68
  2.1 前言  33
  2.2 基本原理与前期工作  33-47
    2.2.1 基本测距原理  33-34
    2.2.2 结构光测距模块  34-35
    2.2.3 旋转式三维信息获取装置  35-40
    2.2.4 平移式三维信息获取装置  40-42
    2.2.5 基于投影技术的三维信息获取装置  42-47
  2.3 实用的三维信息获取系统  47-65
    2.3.1 线激光扫描系统  47-57
    2.3.2 彩色结构光三维信息获取系统  57-65
  2.4 小结  65-66
  参考文献  66-68
第三章真三维显示器构建  68-96
  3.1 前言  68-69
  3.2 基本原理与方案论证  69-74
    3.2.1 前期工作与真三维显示原理  69-70
    3.2.2 主要部件选型  70-71
    3.2.3 基于扫描和同步输出的真三维显示性能分析  71-74
  3.3 系统设计  74-91
    3.3.1 结构与硬件设计  74-81
    3.3.2 体像素均匀化  81-85
    3.3.3 立体数据生成  85-88
    3.3.4 嵌入式程序设计  88-91
  3.4 立体图像的空间显示  91-93
  3.5 小结  93-95
  参考文献  95-96
第四章自由立体显示中的视差片源获取  96-137
  4.1 前言  96-97
  4.2 自由立体拍摄原理  97-98
  4.3 自由立体拍摄方法  98-103
    4.3.1 器材的准备  98-99
    4.3.2 器材的使用方法  99-103
  4.4 自由立体拍摄艺术  103-110
    4.4.1 立体片源的构图  103-106
    4.4.2 立体片源的布光  106-107
    4.4.3 立体片源的色彩  107-109
    4.4.4 立体相机对焦  109-110
  4.5 自由立体摄像  110-111
  4.6 世博立体动画创作  111-114
  4.7 自由立体显示软件  114-128
    4.7.1 采样合成算法  114-122
    4.7.2 立体场景互动平台  122-124
    4.7.3 立体视频播放器  124-128
  4.8 立体场景的包容范围  128-132
  4.9 满足较小场景畸变的拍摄间距  132-134
  4.10 小结  134-135
  参考文献  135-137
第五章 DLP自由立体显示器构建  137-181
  5.1 前言  137-138
  5.2 基于柱透镜的自由立体显示初探  138-143
    5.2.1 基于柱透镜的自由立体显示原理  138-140
    5.2.2 显示部件与光栅安装方式  140-142
    5.2.3 原型样机的试制  142-143
  5.3 DLP自由立体显示器构建  143-171
    5.3.1 立体视区几何建模  143-149
    5.3.2 柱透镜光栅的参数计算  149-153
    5.3.3 视区仿真与特性研究  153-159
    5.3.4 快速动态装配与立体度测量  159-165
    5.3.5 背投屏幕的选型  165-170
    5.3.6 多自由度机械平台  170-171
  5.4 空间光能分布的测量  171-179
  5.5 小结  179-180
  参考文献  180-181
第六章总结与展望  181-185
  6.1 工作总结  181-182
  6.2 研究展望  182-185
附录  185-191
攻读博士学位期间的主要科研工作  191-193
致谢  193

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