畢業(yè)論文：3D圖像實(shí)現(xiàn)技術(shù)

畢業(yè)論文：3D圖像實(shí)現(xiàn)技術(shù)


摘要
本文主要是對(duì)3D圖像實(shí)現(xiàn)技術(shù)的介紹，對(duì)雙眼立體成像技術(shù)、光柵立體影像技術(shù)、激光全息立體技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析，了解3D圖像技術(shù)的背景和發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)在于對(duì)雙眼立體成像技術(shù)的討論以及如何實(shí)現(xiàn)從普通2D圖像到3D圖像的初步轉(zhuǎn)換。加深對(duì)3D圖像形成原理的理解，分析3D圖像在人大腦中如何成像，如何將2D圖像處理后能夠得到模擬3D效果。對(duì)于其他3D圖像實(shí)現(xiàn)方式，將其進(jìn)行分析，詳細(xì)說(shuō)明這些技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)和不足，以及對(duì)3D技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行探討。3D電視和3D電影作為3D技術(shù)發(fā)展的重要方向，著重介紹進(jìn)入21世紀(jì)之后其研究的主要方向和新產(chǎn)品，新技術(shù)的突出對(duì)其的影。


關(guān)鍵詞：3D 雙眼立體成像技術(shù) 光柵立體影像技術(shù)
激光全息立體技術(shù) 3D電視 3D電源 發(fā)展趨勢(shì)


ABSTRACT
The main purpose of this paper is to introduce 3D images . Analysis of 3D imaging of both eyes, grating 3D imaging technology, laser technology, holographic 3D, to understand the 3D imaging’s background and trends. TO deepen the understand of the principles of the 3D image, analysis of how the 3D images of brain imaging, how to processing the 2D to 3D.FOR other 3D image implementation, detailed description their advantages and disadvantages between the technique. 3D TV and 3D movies 3D technology as an important direction for the 21st century focuses on the main direction of its research and new products, new technology, highlighting the impact of their.

Keywords: 3D stereoscopic imaging grating 3D imaging
3D holographic 3DTV 3D movies trends


目 錄

摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
第二章3D圖像技術(shù)背景及其發(fā)展 2
2.1 3D技術(shù)背景 2
2.2 幾種3D技術(shù)介紹及原理 6
2.3 發(fā)展趨勢(shì) 16
第三章 紅藍(lán)（青）3D圖像的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化 17
3.1 用PS實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)（青）3D圖像 17
3.2基于MATLAB的紅藍(lán)3D圖像的實(shí)現(xiàn) 19
3.3 對(duì)于兩種方法的比較 30
3.4 方法的缺陷和補(bǔ)充 30
第四章 3D圖像實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)總結(jié) 32
4.1 雙眼成像立體技術(shù)總結(jié) 32
4.2 其他3D圖像實(shí)現(xiàn)方式的關(guān)鍵技術(shù) 34
第五章 結(jié)束語(yǔ) 35
參考文獻(xiàn) 36
附 錄 37
致 謝 57



第一章 緒論

自3D技術(shù)被發(fā)明以來(lái)，在漫長(zhǎng)的歲月中，它不斷以各種形式活躍在人們的生活中，影響著各個(gè)領(lǐng)域，并且通過(guò)不斷的創(chuàng)新和開(kāi)拓中保持自己的活力，以達(dá)到越來(lái)越大的影響，尤其是近年來(lái)，由于3D電影的熱映和3D產(chǎn)品如雨后春筍一般，在21世紀(jì)我們迎
……（新文秘網(wǎng)http://120pk.cn省略2549字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
R為視差。設(shè)坐標(biāo)系原點(diǎn)在左透鏡中心，依據(jù)相似三角形關(guān)系有：
*/z=*L/f和(*-b)/z=*R/f
求得：z=bf/(*L-*R)
由此可見(jiàn)，物體的深度信息就是通過(guò)視差來(lái)恢復(fù)的，視差越大說(shuō)明物體離透鏡的距離越近；反之，則越遠(yuǎn)。利用有雙鏡頭的立體攝像機(jī)即可獲得立體圖像對(duì)。
立體成像技術(shù)可分為三大類(lèi)：
1）雙眼立體成像技術(shù)。
2）光柵立體影像技術(shù)。
3）激光全息立體技術(shù)。
1.雙眼立體成像技術(shù)，是較為常見(jiàn)的立體成像技術(shù)，通過(guò)兩幅具有視差的圖像，配合上輔助的觀看裝置，如3D紅藍(lán)眼鏡，偏振片眼鏡，液晶光閥眼鏡或是3D立體頭盔顯示器等，實(shí)現(xiàn)立體效果。雙眼立體成像技術(shù)又可大致分為，色差式3D技術(shù)，偏振光3D技術(shù)，快門(mén)式3D技術(shù)。
色差式3D技術(shù)，從技術(shù)層面上來(lái)看，這是一種較為簡(jiǎn)單和廉價(jià)的3D實(shí)現(xiàn)方式，
對(duì)于設(shè)備也沒(méi)什么要求，普通的顯示器以及一副色差眼鏡就可以滿足圖像的3D實(shí)現(xiàn)。色差3D圖像的條件有兩個(gè)，分別是圖像的視差和互補(bǔ)色。兩幅分別模擬左右眼視差的圖像以互補(bǔ)色合成一張色差3D圖像，通過(guò)色差眼鏡，兩個(gè)眼鏡分別濾去一種顏色的圖像，達(dá)到兩眼得要相信的圖像信息的效果，實(shí)現(xiàn)3D圖像。


兩只眼鏡看到不同畫(huà)面

很多小型3D影院采用紅藍(lán)濾光技術(shù)來(lái)播放3D電影，入場(chǎng)時(shí)觀眾都會(huì)得到一幅廉價(jià)的紅藍(lán)眼鏡用于觀看，通過(guò)兩個(gè)放映機(jī)分別放映紅藍(lán)兩個(gè)不同畫(huà)面，放映機(jī)的畫(huà)面通過(guò)紅色鏡片(左眼)，拍攝時(shí)剔除掉的紅色像素自動(dòng)還原，當(dāng)它通過(guò)藍(lán)色鏡片(右眼)時(shí)大部分被過(guò)濾掉，只留下非�；璋档漠�(huà)面，這就很容易被人腦忽略掉；反之亦然，右放映機(jī)拍攝到的畫(huà)面通過(guò)藍(lán)色鏡片(右眼)，拍攝時(shí)剔除掉的藍(lán)色像素自動(dòng)還原，產(chǎn)生另一角度的畫(huà)面，當(dāng)它通過(guò)紅色鏡片(左眼)時(shí)大部分被過(guò)濾掉，只留下昏暗畫(huà)面。這兩個(gè)角度的畫(huà)面經(jīng)過(guò)濾光鏡之后依然是偏色的，但當(dāng)人眼傳遞給大腦后，又會(huì)被自動(dòng)合成從而生成接近原始色彩的立體畫(huà)面。







色差式技術(shù)原理

紅藍(lán)3D圖像和紅藍(lán)3D眼鏡
然而，色差3D技術(shù)存在先天的缺陷，那就是，通過(guò)紅藍(lán)（紅綠）眼鏡你看到的色彩總有一些不真實(shí)的感覺(jué)，尤其是物體的邊緣（這些地方往往左右眼看到的細(xì)節(jié)不同）會(huì)只有一種色彩，使人產(chǎn)生一種暈眩的感覺(jué)，加上大部分濾光鏡片和所光看的圖像不是配套的，觀看者也無(wú)法確定觀看紅藍(lán)3D圖像時(shí)的最佳距離，大大加重了這些不適的感覺(jué)。
紅藍(lán)3D圖像的優(yōu)點(diǎn)在于，兩眼看到的場(chǎng)景在時(shí)間上是并行并且連貫的，不會(huì)產(chǎn)生閃爍感，因而不會(huì)帶來(lái)真正意義上的頭暈和頭痛，而且相對(duì)于價(jià)格而言，色差式3D技術(shù)所能帶來(lái)的3D效果已經(jīng)算是很不錯(cuò)的。
那么傳統(tǒng)色差3D有如此多不足，是否意味著色差3D技術(shù)無(wú)法得到更好的發(fā)展呢，有沒(méi)有辦法優(yōu)化色差3D技術(shù)，使之能煥發(fā)出新的活力呢。對(duì)色差式3D

技術(shù)的不斷研究，杜比3D技術(shù)成為了色差式3D技術(shù)中的佼佼者。杜比技術(shù)仍然是以3原色實(shí)現(xiàn)3D效果，但是有別于傳統(tǒng)的紅藍(lán)濾光技術(shù)，杜比放映系統(tǒng)采用了安裝在放映機(jī)內(nèi)的、快速轉(zhuǎn)動(dòng)的濾光輪，將紅綠藍(lán)各自分為高（H）、低（L）波長(zhǎng)兩部分，各包含左、右眼圖像內(nèi)容。通過(guò)分色濾光眼鏡，讓觀眾感受到左右眼各自的彩色畫(huà)面，產(chǎn)生立體效果。雖然原理和簡(jiǎn)陋的紅藍(lán)慮光相同，但是這種技術(shù)在圖像的分隔上比早期的紅藍(lán)要優(yōu)秀的多，效果也就不可同日而語(yǔ)了。

杜比成像原理（左）杜比濾光設(shè)備（右）

杜比3D眼鏡（左）杜比放映效果（右）
偏振式3D技術(shù)，可以看做是色差3D技術(shù)的發(fā)展，用偏振光來(lái)取代互補(bǔ)色過(guò)濾的效果，能夠帶來(lái)令雙眼更加舒適的3D圖像。偏振式3D技術(shù)主要用于3D電影，通過(guò)兩個(gè)放映機(jī)，把兩個(gè)攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上。這時(shí)銀幕上就會(huì)出現(xiàn)有重影的畫(huà)面，如果在每架電影機(jī)

前放一塊偏振片，使得兩部放映機(jī)以不同的偏振光投射影像，由于兩架放映機(jī)前的偏振片偏振化方向相互垂直，所以兩束偏振光方向也是相互垂直的，投射到觀眾眼中的圖像就由這兩束垂直的偏振光組成，當(dāng)觀眾帶上偏振眼鏡后，左右兩片偏振鏡的偏振軸互相垂直并與放映鏡頭前的偏振軸一致，所以每只眼睛只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機(jī)映出的畫(huà)面，右眼只能看到右機(jī)映出的畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)立體的感覺(jué)。

觀眾要佩戴特制的偏振眼鏡看立體電影

偏振眼鏡分光原理示意圖







非偏振光與偏振光
早期偏振光技術(shù)使用線偏振光，這種偏振光要達(dá)到3D效果就要求觀看者的偏振眼鏡一直垂直于偏振光入射方向，這樣才能使水平偏振鏡片只看到水平偏振光，垂直偏振鏡片只看到垂直偏振光，如果鏡片傾斜則會(huì)產(chǎn)生重影，極大影響觀看效果。
之后人們?cè)诰�偏振技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)出圓偏振技術(shù)，圓偏振技術(shù)采用左旋偏振光和右旋偏振光，大大減小兩條光束之間的相互干擾，使偏振鏡片的通光特性和阻光特性不受觀看角度的影響，能夠產(chǎn)生良好的立體效果。Real-D和Masterimage的3D放映輔助系統(tǒng)主要采用的就是這種技術(shù)。








左旋和右旋偏振光波

Real-D公司的偏振眼鏡
偏振式3D技術(shù)較色差式3D技術(shù)而言，成本會(huì)較高于后者，但是對(duì)于產(chǎn)生3D的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者，而且逼真的3D效果以及廉價(jià)的偏振眼鏡能夠容易讓人接受。但是應(yīng)用范圍較窄，3D系統(tǒng)成本高，只適用于大型3D影院。
如果把雙眼成像3D技術(shù)分成同步與非同步兩類(lèi)，無(wú)疑前面介紹的兩種技術(shù)都是屬于同步信號(hào)，人眼在同一時(shí)間接收到左右不同的兩張圖像信息，而與此相對(duì)的，主動(dòng)快門(mén)式3D技術(shù)就屬于非同步的，它的原理是通過(guò)輪流切換的方式，一個(gè)時(shí)間段只讓一只眼看到圖像，控制進(jìn)入左右眼的畫(huà)面，達(dá)到3D效果。








快門(mén)式3D技術(shù)原理示意圖
快門(mén)式3D技術(shù)關(guān)鍵在于信號(hào)源和顯示設(shè)備部分。首先信號(hào)源需要具有比2D畫(huà)面多一倍的幀數(shù)（左右眼各一幀），其次顯示設(shè)備需要具有高速畫(huà)面刷新能力，例如一個(gè)720/50P的3D信號(hào)，在2D時(shí)代只需要電視機(jī)具有每秒50HZ的畫(huà)面刷新率即可，但是在3D信號(hào)下，就需要具有100HZ的畫(huà)面刷新率。其次眼鏡的切換頻率要和顯示器的切換頻率達(dá)到同步。在過(guò)去，由于顯示設(shè)備的頻率無(wú)法達(dá)到很高的要求，導(dǎo)致快門(mén)式3D技術(shù)在顯示時(shí)總會(huì)帶來(lái)閃爍的畫(huà)面，所以在當(dāng)時(shí)快門(mén)式3D技術(shù)毫無(wú)用武之地，隨著近年來(lái)液晶技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，液晶甚至等離子面板都已經(jīng)相繼誕生120Hz的產(chǎn)品，液晶分時(shí)技術(shù)又重新煥發(fā)了活力。
快門(mén)式3D技術(shù)可以完美保留原圖像原有的分辨率，達(dá)到清晰度高，殘影少，3D效果突出，對(duì)于刷新頻率達(dá)到120HZ的設(shè)備都可以導(dǎo)入這項(xiàng)技術(shù)，使它得到許多3D產(chǎn)商的青睞，許多家用3D產(chǎn)品都采用這種技術(shù)。但是頻繁的開(kāi)關(guān)鏡片如果長(zhǎng)期觀看會(huì)帶來(lái)眼鏡疲勞，導(dǎo)致各種不適癥狀的出現(xiàn)，而且眼鏡價(jià)格不菲，厚重、需要電源的支持都是快門(mén)式3D技術(shù)亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。







快門(mén)式3D眼鏡

2.光柵立體影像技術(shù)，通過(guò)兩幅以上有水平視差的圖像合成立體圖像，不需要佩戴立體眼鏡就可觀察到立體效果。多幅視差圖像按照一定的規(guī)律抽樣合成一幅抽樣圖像，再用光柵板進(jìn)行分光，使得視差圖像分離，進(jìn)入人腦的圖像綜合產(chǎn)生立體圖像，光柵板取代了眼鏡的作用，免除了佩戴眼鏡帶來(lái)的一些不適感。
根據(jù)光柵類(lèi)型的不同，又有柱鏡光柵和狹縫光柵。狹縫光柵利用針孔成像的原理實(shí)現(xiàn)立體，高精度的狹縫光柵具有非常高的精確性，良好的成像形成強(qiáng)烈的立體效果，但是需要在有背光源的情況下才能光看。柱鏡光柵是通過(guò)折射原理實(shí)現(xiàn)立體，通過(guò)對(duì)圖像的壓縮和隔離作用，形成立體效果，它無(wú)需背光源或立體眼鏡就可以正常觀看。對(duì)兩者進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，狹縫光柵比柱鏡光柵具有更好的分光性能，而柱鏡光柵在光能衰減方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于狹縫光柵。
光柵立體影像技術(shù)在多媒體顯示、廣告展示、家庭裝飾、婚紗攝影、立體印刷等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用





柱鏡光柵立體成像原理

柱鏡光柵示意圖




光柵立體畫(huà)
3.激光全息立體技術(shù)，與前面兩種3D圖像技術(shù)相比，激光全息技術(shù)更側(cè)重于對(duì)三維概念的體現(xiàn)，使用相干光來(lái)記錄圖像，在全息防偽商標(biāo)、卡片、包裝材料上具有廣泛應(yīng)用，而且還有變焦反光鏡技術(shù)、凹面（凸透）鏡立體立體投影技術(shù)、發(fā)光晶體成像技術(shù)、煙霧和水幕成像等非主流立體顯示技術(shù)。
全息立體技術(shù)客服了觀看立體影像時(shí)需要佩戴輔助性裝置和長(zhǎng)期光看使人感到疲勞的缺陷，但是由于其顯示需要使用相干光源，而生活中的空間大部分都是反射自然光或本身發(fā)光，限制了全息技術(shù)的發(fā)展。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)
3D技術(shù)未來(lái)的發(fā)展傾向于向裸眼3D發(fā)展，但是這必須依靠技術(shù)性突破或者某種新產(chǎn)品的出現(xiàn)才能真正得以實(shí)現(xiàn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，顯示器和家用3D產(chǎn)品由偏振式和主動(dòng)快門(mén)式二分天下，國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)商在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下必然不斷更新自己的技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)意，這些都是為進(jìn)入裸眼3D的時(shí)代做積累。光柵立體技術(shù)和全息立體成像技術(shù)在其他領(lǐng)域的繼續(xù)會(huì)發(fā)揮更為深遠(yuǎn)的作用，在與醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科研中有著不可代替的作用，但是在與家庭3D和影院3D的應(yīng)用上還是略顯不足。

第三章 紅藍(lán)（青）3D圖像的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

相對(duì)于各種3D成像的實(shí)現(xiàn)方式而言，紅藍(lán)（青）3D圖像的實(shí)現(xiàn)較為容易實(shí)現(xiàn)，而且在普通電腦顯示器上就可達(dá)到立體效果，所需使用達(dá)到的紅藍(lán)（青）眼鏡也比較常見(jiàn)，利用PS、MATLAB、C語(yǔ)言等工具就可以制作出紅藍(lán)（青）3D圖像。
根據(jù)立體圖像的形成原理，要實(shí)現(xiàn)2D圖像轉(zhuǎn)換為3D圖像所需要的必要條件為：1）具有一定視差的兩張圖像，盡量模擬人雙眼觀察時(shí)左右眼的不同圖像信息。2）左右眼圖像的互補(bǔ)色提取。3）色分濾光設(shè)備。
3.1 用PS實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)（青）3D圖像
由于Photoshop強(qiáng)大的圖像處理功能，我們可以直接從圖像層面來(lái)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)（青）3D效果。在Photoshop中打開(kāi)一幅圖像，我們可以很容易觀察到這幅圖像RGB數(shù)值信息的變化，由于紅藍(lán)（青）3D圖像是基于色分原理實(shí)現(xiàn)3D效果的，所以我們必須保證所使用的素材圖像是RGB圖像，如果不是，我們使用PS也很容易將其轉(zhuǎn)換為RGB圖像。RGB圖像的三原色（紅綠藍(lán)）的比例來(lái)顯示每一個(gè)像素點(diǎn)的色彩信息，而亮度級(jí)用0-255這256級(jí)亮度表示，純黑的RGB值為0,0,0；純白的RGB值為255，255,255；純紅的RGB值為255,0,0；純綠的RGB值為0,255,0；純藍(lán)為0,0,255。而純黃=純紅+純綠，也就相當(dāng)于255,255,0，純黃也就是藍(lán)色的互補(bǔ)色。
我們要制作紅藍(lán)（青）3D圖像，假設(shè)左眼圖像的RGB1=R1，G1，B1;右眼圖像RGB2=R2，G2，B2。要實(shí)現(xiàn)立體效果所要合成的紅藍(lán)圖像RGB12=R1，G2，B2或RGB21=R2，G1，B1。這樣就可以讓左眼圖得到右眼圖的紅色信息，或者讓右眼圖像得到左眼圖像的紅色信息，通過(guò)紅藍(lán)（青）眼鏡的分光效果，紅色鏡片RGB=255,0,0；青色鏡片RGB=0,255,255�？梢宰屛覀兊淖笱跼GB紅=R1，0，0；右眼RGB青=0，G2，R2。這樣就讓紅藍(lán)立體圖中的兩幅圖像分別進(jìn)入我們的左右眼,通過(guò)大腦合成，產(chǎn)生3D效果。

左眼圖像

右眼圖像

左右圖像具有稍微視差
我們使用Photoshop讀取左右眼圖像，這里我們要保證這兩幅圖是RGB圖像，在PS中我們可以很方便地保證這一點(diǎn)。

RGB圖像在PS中是以3個(gè)通道圖像形式合成的，分別為紅通道、綠通道、藍(lán)通道，先選取左眼圖像，在通道模式中我們很容易就能找到左眼圖像的紅通道，選取紅通道把它通過(guò)復(fù)制到新建的窗口中，這樣我們就得到了左眼的紅色圖像。再對(duì)右眼圖像進(jìn)行處理，通過(guò)刪除右眼圖像的紅通道，就可以得到左眼紅通道的互補(bǔ)色圖像。
將這兩個(gè)圖像以融合方式進(jìn)行疊加，就可以得到紅藍(lán)（青）3D圖像了，我們可以對(duì)兩個(gè)圖像的位置進(jìn)行調(diào)整，以更接近人眼視差。

Photoshop實(shí)現(xiàn)的紅藍(lán)3D效果
3.2基于MATLAB的紅藍(lán)3D圖像的實(shí)現(xiàn)
在MATLAB中的RGB圖像，本質(zhì)上是一個(gè)三維的矩陣，每一個(gè)維度分別用來(lái)存儲(chǔ)RGB圖像的紅綠藍(lán)三個(gè)分量。下面用實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明RGB圖像在MATLAB中的存儲(chǔ)方式。

RGB=reshape(ones(64,1)*reshape(jet(64),1,192),[64,64,3]);
imshow(RGB)
%產(chǎn)生一個(gè)[64,64,3]的RGB圖像，每一維都是[64,64]的矩陣，圖像為藍(lán)綠紅的漸變圖像

接下來(lái)提取圖像的紅綠藍(lán)各個(gè)分量
R=reshape([RGB(:,:,1),zeros(64,64),zeros(64,64)],[64,64,3]);
G=reshape([zeros(64,64),RGB(:,:,2),zeros(64,64)],[64,64,3]);
B=reshape([zeros(64,64),zeros(64,64),RGB(:,:,3)],[64,64,3]);
imshow(R)
figure,imshow(G)
figure,imshow(B)
%通過(guò)提取RGB圖像中的響應(yīng)維度，RGB（：，：，1）、RGB（：，：，2）、RGB（：，：，3）
%然后將相應(yīng)的其余兩個(gè)維度賦值為0矩陣，就可以提取出R、G、B各自的值。

由此可知，只要將 ……（未完，全文共39794字，當(dāng)前僅顯示7157字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：3D圖像實(shí)現(xiàn)技術(shù)》）