北京理工大学信息与电子学部主任王涌天

 
    北京理工大学光电学院在光学系统设计和CAD领域处于国内领先地位，成功地研制了资源卫星中继光学系统、飞行仿真头位跟踪球幕视景系统、高速动态物质状态测量光学系统等大型、军用、复杂光学系统。目前正在系统地开展对自由曲面光学设计、加工、检测技术的研究。课题组依托光电成像技术与系统教育部重点实验室(筹)，得到教育部“211”、“985”工程建设项目的连续支持，拥有CODEV和LightTools光学工程软件、系列光学干涉仪。
    近年来，在国家杰出青年基金项目、国家自然科学基金仪器专项、国家863项目、国防预研项目、教育部长江学者和创新团队发展计划项目、北京市科技计划项目和广东省省部产学研重大专项的支持下，其在头盔式立体显示技术、裸眼立体显示技术、真三维显示技术以及应用方面开展了卓有成效的研究。

    拍摄领域寻求突破

    视差性立体显示器通过为用户左右眼生成两幅有视差的图像，从而使用户产生深度知觉(立体视觉)。在视差型立体显示技术方面，北京理工大学课题组利用这一原理已经研发出简易3D立体显示器、轴对称式立体头盔显示系统以及自由曲面光学透视式头盔显示器等相关产品。
    在裸眼立体显示技术方面，课题组目前已研发出多投影机柱面栅屏幕立体显示系统、基于斜光栅的自由立体显示器以及360°悬浮显示方法和系统等。
    在进行立体拍摄显示技术研究时我们发现，由于人眼的视觉生理机理和立体显示原理不同，立体图像往往都存在畸变，畸变使立体影像缺乏真实深度感，影响立体显示效果。同时在一些对深度信息要求比较严格的应用领域，例如遥感遥测、机器人视觉、手术导航和立体观测等，其要求立体影像与真实场景尽可能一致，否则将影响观看者充分利用立体显示的空间深度信息，无法做出准确的形状和位置判断。2006年，课题组经研究提出了一种可消畸变的立体拍摄显示系统设计方法，首次将拍摄、显示和观看等系统综合考虑，用户采用该设计方法可以获得正面小视场观看时一定深度范围内的无畸变影像。
    另外，目前基于视差栅的自由立体显示器尚有一个重要环节不完善，就是它的图像源都是采用计算机技术加工的图像，无法解决真实性和实时性的问题，无法完成实拍实显，而且图像动画开发周期长，投资较大，表面内容不丰富。在医疗手术、机械装配、气象分析和空中交通管理、军事指挥以及广告娱乐等领域中，这一问题则更为突出。目前我们正在开发一种多视角立体摄像装置，通过硬件同步采集多视角图像，并对图像进行实时编码处理，配合现有的自由立体显示器还原真实的立体场景。

    舒适度问题有待解决

    大屏幕立体显示系统立体展示效果好，临场感强，在大型立体影院中深受广大观众喜爱。尤其是2009年上映的3D电影《阿凡达》更是将视差型立体显示技术展现到了极致，获得了空前的成功，标志着立体电影时代的开始。但在实际应用中，大屏幕立体显示系统也暴露出一些问题，例如长时间观看3D电影会导致头晕和视疲劳，观看位置、屏幕大小影响观看效果以及立体影像存在畸变,画面缺乏真实深度感等问题。
    北京理工大学课题组自2009年起开始进行立体显示舒适度研究，将影响舒适度的因素分为系统安装制造引起的畸变(视差图形状和颜色差异、投影机安装、刷新率)和立体显示机理与人眼视觉生理不同而引起的畸变。前者可通过大量实验研究按照相应标准对系统安装调试进行要求来解决；后者则可以进行理论研究，选择合适的拍摄显示观看参数，将不舒适性降低到人体可接受范围之内。目前这方面的研究正在进行当中，同时我们还在进行与人眼主观观看效果一致的立体显示系统畸变检测方法研究，研究完成后可对3D节目制作(实拍或者电脑制作)进行指导，对立体显示系统和观看场所的设计进行检测评价。

    着眼真三维触摸技术

    除进行视差型立体显示技术、裸眼立体显示技术的研究之外，2007年，课题组研制成功了拥有完全独立知识产权的基于多投影机的全彩色真三维显示系统。基于该系统，课题组申请了发明专利———“基于多投影机旋转屏的体三维显示系统”，并于2009年获得广东省产学研重大项目支持。目前我们正在进行第二代样机的研制，力求进一步增大显示空间。
    为使用户可以零距离接触真三维立体影像，并与真三维显示系统进行交互，2008年，课题组开始真三维显示可触摸技术的研究，申请发明专利———“基于多投影机旋转屏三维影像可触摸的真三维显示方法”。系统将光学悬浮成像技术、人机交互技术和真三维显示技术三者结合，使用户可通过不同的手部位置和姿态对真三维图像进行平移、旋转、缩放等实时操作，实现虚拟装配、虚拟三维雕塑、虚拟立体绘画等功能。同时，用户也可通过手指或三维鼠标进行三维体元的选控，实现图像上部分内容的标示可用手指点击等功能，使系统在实时性、鲁棒性以及用户使用舒适度方面具有较高的水平。
    我们下一步的工作重点包括：
    第一，为提高头盔显示器的舒适程度，采用新型光学元件，改进头盔光学系统的设计，进一步减小系统的体积质量，进而减轻整体系统的质量。
    第二，为满足宽视场高分辨率的要求，开展新型结构的探索，研究新的设计方法，实现具有高度浸没感的3D头盔显示技术。
    第三，建立立体显示舒适度评价标准和客观检测方法，进一步扩大基于多投影机的真三维显示系统显示空间，提高图像亮度，并实现在医疗和游戏娱乐领域的应用。
    第四，开展无扫描运动机构、无噪声、无振动、可靠性高、成本相对较低、无需佩戴任何辅助设备也无需头部跟踪、可360度周视观看、可实现水平视差和垂直视差的3D显示系统的研究。

 
课题组研发的简易3D立体显示器


 

基于平板显示器的斜光栅自由立体显示器

 

360°悬浮显示系统