毕业论文：3D图像实现技术

毕业论文：3D图像实现技术


摘要
本文主要是对3D图像实现技术的介绍，对双眼立体成像技术、光栅立体影像技术、激光全息立体技术的原理和实现方式进行分析，了解3D图像技术的背景和发展趋势。重点在于对双眼立体成像技术的讨论以及如何实现从普通2D图像到3D图像的初步转换。加深对3D图像形成原理的理解，分析3D图像在人大脑中如何成像，如何将2D图像处理后能够得到模拟3D效果。对于其他3D图像实现方式，将其进行分析，详细说明这些技术之间的优势和不足，以及对3D技术发展方向进行探讨。3D电视和3D电影作为3D技术发展的重要方向，着重介绍进入21世纪之后其研究的主要方向和新产品，新技术的突出对其的影。


关键词：3D 双眼立体成像技术 光栅立体影像技术
激光全息立体技术 3D电视 3D电源 发展趋势


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 录

摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
第二章3D图像技术背景及其发展 2
2.1 3D技术背景 2
2.2 几种3D技术介绍及原理 6
2.3 发展趋势 16
第三章 红蓝（青）3D图像的实现及优化 17
3.1 用PS实现红蓝（青）3D图像 17
3.2基于MATLAB的红蓝3D图像的实现 19
3.3 对于两种方法的比较 30
3.4 方法的缺陷和补充 30
第四章 3D图像实现关键技术总结 32
4.1 双眼成像立体技术总结 32
4.2 其他3D图像实现方式的关键技术 34
第五章 结束语 35
参考文献 36
附 录 37
致 谢 57



第一章 绪论

自3D技术被发明以来，在漫长的岁月中，它不断以各种形式活跃在人们的生活中，影响着各个领域，并且通过不断的创新和开拓中保持自己的活力，以达到越来越大的影响，尤其是近年来，由于3D电影的热映和3D产品如雨后春笋一般，在21世纪我们迎
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2549字，正式会员可完整阅读）……　
R为视差。设坐标系原点在左透镜中心，依据相似三角形关系有：
*/z=*L/f和(*-b)/z=*R/f
求得：z=bf/(*L-*R)
由此可见，物体的深度信息就是通过视差来恢复的，视差越大说明物体离透镜的距离越近；反之，则越远。利用有双镜头的立体摄像机即可获得立体图像对。
立体成像技术可分为三大类：
1）双眼立体成像技术。
2）光栅立体影像技术。
3）激光全息立体技术。
1.双眼立体成像技术，是较为常见的立体成像技术，通过两幅具有视差的图像，配合上辅助的观看装置，如3D红蓝眼镜，偏振片眼镜，液晶光阀眼镜或是3D立体头盔显示器等，实现立体效果。双眼立体成像技术又可大致分为，色差式3D技术，偏振光3D技术，快门式3D技术。
色差式3D技术，从技术层面上来看，这是一种较为简单和廉价的3D实现方式，
对于设备也没什么要求，普通的显示器以及一副色差眼镜就可以满足图像的3D实现。色差3D图像的条件有两个，分别是图像的视差和互补色。两幅分别模拟左右眼视差的图像以互补色合成一张色差3D图像，通过色差眼镜，两个眼镜分别滤去一种颜色的图像，达到两眼得要相信的图像信息的效果，实现3D图像。


两只眼镜看到不同画面

很多小型3D影院采用红蓝滤光技术来播放3D电影，入场时观众都会得到一幅廉价的红蓝眼镜用于观看，通过两个放映机分别放映红蓝两个不同画面，放映机的画面通过红色镜片(左眼)，拍摄时剔除掉的红色像素自动还原，当它通过蓝色镜片(右眼)时大部分被过滤掉，只留下非常昏暗的画面，这就很容易被人脑忽略掉；反之亦然，右放映机拍摄到的画面通过蓝色镜片(右眼)，拍摄时剔除掉的蓝色像素自动还原，产生另一角度的画面，当它通过红色镜片(左眼)时大部分被过滤掉，只留下昏暗画面。这两个角度的画面经过滤光镜之后依然是偏色的，但当人眼传递给大脑后，又会被自动合成从而生成接近原始色彩的立体画面。







色差式技术原理

红蓝3D图像和红蓝3D眼镜
然而，色差3D技术存在先天的缺陷，那就是，通过红蓝（红绿）眼镜你看到的色彩总有一些不真实的感觉，尤其是物体的边缘（这些地方往往左右眼看到的细节不同）会只有一种色彩，使人产生一种晕眩的感觉，加上大部分滤光镜片和所光看的图像不是配套的，观看者也无法确定观看红蓝3D图像时的最佳距离，大大加重了这些不适的感觉。
红蓝3D图像的优点在于，两眼看到的场景在时间上是并行并且连贯的，不会产生闪烁感，因而不会带来真正意义上的头晕和头痛，而且相对于价格而言，色差式3D技术所能带来的3D效果已经算是很不错的。
那么传统色差3D有如此多不足，是否意味着色差3D技术无法得到更好的发展呢，有没有办法优化色差3D技术，使之能焕发出新的活力呢。对色差式3D

技术的不断研究，杜比3D技术成为了色差式3D技术中的佼佼者。杜比技术仍然是以3原色实现3D效果，但是有别于传统的红蓝滤光技术，杜比放映系统采用了安装在放映机内的、快速转动的滤光轮，将红绿蓝各自分为高（H）、低（L）波长两部分，各包含左、右眼图像内容。通过分色滤光眼镜，让观众感受到左右眼各自的彩色画面，产生立体效果。虽然原理和简陋的红蓝虑光相同，但是这种技术在图像的分隔上比早期的红蓝要优秀的多，效果也就不可同日而语了。

杜比成像原理（左）杜比滤光设备（右）

杜比3D眼镜（左）杜比放映效果（右）
偏振式3D技术，可以看做是色差3D技术的发展，用偏振光来取代互补色过滤的效果，能够带来令双眼更加舒适的3D图像。偏振式3D技术主要用于3D电影，通过两个放映机，把两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时银幕上就会出现有重影的画面，如果在每架电影机

前放一块偏振片，使得两部放映机以不同的偏振光投射影像，由于两架放映机前的偏振片偏振化方向相互垂直，所以两束偏振光方向也是相互垂直的，投射到观众眼中的图像就由这两束垂直的偏振光组成，当观众带上偏振眼镜后，左右两片偏振镜的偏振轴互相垂直并与放映镜头前的偏振轴一致，所以每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，实现立体的感觉。

观众要佩戴特制的偏振眼镜看立体电影

偏振眼镜分光原理示意图







非偏振光与偏振光
早期偏振光技术使用线偏振光，这种偏振光要达到3D效果就要求观看者的偏振眼镜一直垂直于偏振光入射方向，这样才能使水平偏振镜片只看到水平偏振光，垂直偏振镜片只看到垂直偏振光，如果镜片倾斜则会产生重影，极大影响观看效果。
之后人们在线偏振技术基础上改进出圆偏振技术，圆偏振技术采用左旋偏振光和右旋偏振光，大大减小两条光束之间的相互干扰，使偏振镜片的通光特性和阻光特性不受观看角度的影响，能够产生良好的立体效果。Real-D和Masterimage的3D放映辅助系统主要采用的就是这种技术。








左旋和右旋偏振光波

Real-D公司的偏振眼镜
偏振式3D技术较色差式3D技术而言，成本会较高于后者，但是对于产生3D的效果远远优于后者，而且逼真的3D效果以及廉价的偏振眼镜能够容易让人接受。但是应用范围较窄，3D系统成本高，只适用于大型3D影院。
如果把双眼成像3D技术分成同步与非同步两类，无疑前面介绍的两种技术都是属于同步信号，人眼在同一时间接收到左右不同的两张图像信息，而与此相对的，主动快门式3D技术就属于非同步的，它的原理是通过轮流切换的方式，一个时间段只让一只眼看到图像，控制进入左右眼的画面，达到3D效果。








快门式3D技术原理示意图
快门式3D技术关键在于信号源和显示设备部分。首先信号源需要具有比2D画面多一倍的帧数（左右眼各一帧），其次显示设备需要具有高速画面刷新能力，例如一个720/50P的3D信号，在2D时代只需要电视机具有每秒50HZ的画面刷新率即可，但是在3D信号下，就需要具有100HZ的画面刷新率。其次眼镜的切换频率要和显示器的切换频率达到同步。在过去，由于显示设备的频率无法达到很高的要求，导致快门式3D技术在显示时总会带来闪烁的画面，所以在当时快门式3D技术毫无用武之地，随着近年来液晶技术的长足发展，液晶甚至等离子面板都已经相继诞生120Hz的产品，液晶分时技术又重新焕发了活力。
快门式3D技术可以完美保留原图像原有的分辨率，达到清晰度高，残影少，3D效果突出，对于刷新频率达到120HZ的设备都可以导入这项技术，使它得到许多3D产商的青睐，许多家用3D产品都采用这种技术。但是频繁的开关镜片如果长期观看会带来眼镜疲劳，导致各种不适症状的出现，而且眼镜价格不菲，厚重、需要电源的支持都是快门式3D技术亟需解决的技术问题。







快门式3D眼镜

2.光栅立体影像技术，通过两幅以上有水平视差的图像合成立体图像，不需要佩戴立体眼镜就可观察到立体效果。多幅视差图像按照一定的规律抽样合成一幅抽样图像，再用光栅板进行分光，使得视差图像分离，进入人脑的图像综合产生立体图像，光栅板取代了眼镜的作用，免除了佩戴眼镜带来的一些不适感。
根据光栅类型的不同，又有柱镜光栅和狭缝光栅。狭缝光栅利用针孔成像的原理实现立体，高精度的狭缝光栅具有非常高的精确性，良好的成像形成强烈的立体效果，但是需要在有背光源的情况下才能光看。柱镜光栅是通过折射原理实现立体，通过对图像的压缩和隔离作用，形成立体效果，它无需背光源或立体眼镜就可以正常观看。对两者进行比较，可以发现，狭缝光栅比柱镜光栅具有更好的分光性能，而柱镜光栅在光能衰减方面远远优于狭缝光栅。
光栅立体影像技术在多媒体显示、广告展示、家庭装饰、婚纱摄影、立体印刷等行业有着广泛的应用





柱镜光栅立体成像原理

柱镜光栅示意图




光栅立体画
3.激光全息立体技术，与前面两种3D图像技术相比，激光全息技术更侧重于对三维概念的体现，使用相干光来记录图像，在全息防伪商标、卡片、包装材料上具有广泛应用，而且还有变焦反光镜技术、凹面（凸透）镜立体立体投影技术、发光晶体成像技术、烟雾和水幕成像等非主流立体显示技术。
全息立体技术客服了观看立体影像时需要佩戴辅助性装置和长期光看使人感到疲劳的缺陷，但是由于其显示需要使用相干光源，而生活中的空间大部分都是反射自然光或本身发光，限制了全息技术的发展。

2.3 发展趋势
3D技术未来的发展倾向于向裸眼3D发展，但是这必须依靠技术性突破或者某种新产品的出现才能真正得以实现，在很长一段时间里，显示器和家用3D产品由偏振式和主动快门式二分天下，国内外的产商在市场需求的推动下必然不断更新自己的技术和产品创意，这些都是为进入裸眼3D的时代做积累。光栅立体技术和全息立体成像技术在其他领域的继续会发挥更为深远的作用，在与医学、工业、科研中有着不可代替的作用，但是在与家庭3D和影院3D的应用上还是略显不足。

第三章 红蓝（青）3D图像的实现及优化

相对于各种3D成像的实现方式而言，红蓝（青）3D图像的实现较为容易实现，而且在普通电脑显示器上就可达到立体效果，所需使用达到的红蓝（青）眼镜也比较常见，利用PS、MATLAB、C语言等工具就可以制作出红蓝（青）3D图像。
根据立体图像的形成原理，要实现2D图像转换为3D图像所需要的必要条件为：1）具有一定视差的两张图像，尽量模拟人双眼观察时左右眼的不同图像信息。2）左右眼图像的互补色提取。3）色分滤光设备。
3.1 用PS实现红蓝（青）3D图像
由于Photoshop强大的图像处理功能，我们可以直接从图像层面来操作来实现红蓝（青）3D效果。在Photoshop中打开一幅图像，我们可以很容易观察到这幅图像RGB数值信息的变化，由于红蓝（青）3D图像是基于色分原理实现3D效果的，所以我们必须保证所使用的素材图像是RGB图像，如果不是，我们使用PS也很容易将其转换为RGB图像。RGB图像的三原色（红绿蓝）的比例来显示每一个像素点的色彩信息，而亮度级用0-255这256级亮度表示，纯黑的RGB值为0,0,0；纯白的RGB值为255，255,255；纯红的RGB值为255,0,0；纯绿的RGB值为0,255,0；纯蓝为0,0,255。而纯黄=纯红+纯绿，也就相当于255,255,0，纯黄也就是蓝色的互补色。
我们要制作红蓝（青）3D图像，假设左眼图像的RGB1=R1，G1，B1;右眼图像RGB2=R2，G2，B2。要实现立体效果所要合成的红蓝图像RGB12=R1，G2，B2或RGB21=R2，G1，B1。这样就可以让左眼图得到右眼图的红色信息，或者让右眼图像得到左眼图像的红色信息，通过红蓝（青）眼镜的分光效果，红色镜片RGB=255,0,0；青色镜片RGB=0,255,255。可以让我们的左眼RGB红=R1，0，0；右眼RGB青=0，G2，R2。这样就让红蓝立体图中的两幅图像分别进入我们的左右眼,通过大脑合成，产生3D效果。

左眼图像

右眼图像

左右图像具有稍微视差
我们使用Photoshop读取左右眼图像，这里我们要保证这两幅图是RGB图像，在PS中我们可以很方便地保证这一点。

RGB图像在PS中是以3个通道图像形式合成的，分别为红通道、绿通道、蓝通道，先选取左眼图像，在通道模式中我们很容易就能找到左眼图像的红通道，选取红通道把它通过复制到新建的窗口中，这样我们就得到了左眼的红色图像。再对右眼图像进行处理，通过删除右眼图像的红通道，就可以得到左眼红通道的互补色图像。
将这两个图像以融合方式进行叠加，就可以得到红蓝（青）3D图像了，我们可以对两个图像的位置进行调整，以更接近人眼视差。

Photoshop实现的红蓝3D效果
3.2基于MATLAB的红蓝3D图像的实现
在MATLAB中的RGB图像，本质上是一个三维的矩阵，每一个维度分别用来存储RGB图像的红绿蓝三个分量。下面用实现来说明RGB图像在MATLAB中的存储方式。

RGB=reshape(ones(64,1)*reshape(jet(64),1,192),[64,64,3]);
imshow(RGB)
%产生一个[64,64,3]的RGB图像，每一维都是[64,64]的矩阵，图像为蓝绿红的渐变图像

接下来提取图像的红绿蓝各个分量
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)
%通过提取RGB图像中的响应维度，RGB（：，：，1）、RGB（：，：，2）、RGB（：，：，3）
%然后将相应的其余两个维度赋值为0矩阵，就可以提取出R、G、B各自的值。

由此可知，只要将 ……（未完，全文共39794字，当前仅显示7157字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：3D图像实现技术》）