立体显示是未来显示技术发展的重要方向，而左右眼视图颜色不一致是立体显示中常见的现象，会导致人眼观看时视觉不舒适。在立体显示条件下，不一致颜色的双目融合研究是传统颜色视觉研究的扩展和补充，不仅对了解人眼视觉系统视信息处理过程及机理有一定的科学意义，而且对解决现有立体显示技术视觉不舒适难题也有应用价值。本文对人眼双目颜色融合的相关研究文献进行了整理，从双目颜色融合、颜色融合与立体融合的交互作用及双目颜色融合对立体显示视觉舒适度的影响三个方面展开分析，总结了双目颜色融合的研究现状，指出目前对视觉系统的双目颜色融合与立体融合的交互机制仍然不完全清楚，研究结果多停留在现象描述上，缺乏定量的实验数据来建立双目颜色融合模型。并提出双目颜色不一致会影响立体显示视觉舒适度，而基于立体显示技术的图像增强方法将成为未来的研究热点。

随着医疗显示技术的进步, 医疗内窥镜摄像系统已经由主流的2D(Two Dimensions)显示向3D(Three Dimensions)显示发展, 图像清晰度也从高清(High Definition, HD)向超高清(Ultra High Definition, UHD)转变。因此, 本文设计开发了一种基于FPGA的4K(3 840×2 160)裸眼立体显示系统。首先, 系统对双路3G-SDI图像采集并进行YUV到RGB的格式转换。其次, 使用Xilinx提供的VPSS核实现图像的缩放, 同时解决高速图像数据带宽与DDR3存储器带宽间的匹配问题。最后, 通过SBS(Side by Side)的拼接方式, 将满足立体图像输出格式的视频源通过立体显示器输出。该系统从前端立体图像的采集到后端立体图像的输出, 需要经过格式变换、缩放、缓存、同步以及拼接等多个处理过程。实验结果表明, 采用参考时钟为148.5 MHz的双路SDI输入, 经FPGA的实时处理后可实现分辨率为3 840×2 160、刷新率为60 Hz的SBS拼接格式图像, 该图像可直接驱动裸眼立体显示器。

研究了狭缝光栅开口率和3D串扰之间的关系。先采用固定式的狭缝光栅显示器件进行实验, 发现2%~4%光栅开口率的增加导致了0.2%~2%串扰的增加, 初步验证了“光栅开口率越高, 3D串扰越大”的规律。考虑到2D显示产品的个体性能差异以及在贴合过程中的操作误差都可能对这个结果产生影响, 又用TN 盒制作成活动式狭缝光栅, 通过改变电压来改变狭缝光栅的开口率, 从而在其他条件都一致的情况下, 测试出狭缝光栅透过率和3D串扰之间的关系。对于2视点的裸眼3D设备, 随着控制电压从4 V增大到15 V, 串扰逐步减小了1.6%, 从而最终确认了“开口率越高, 3D串扰越大”的规律。

利用TracePro仿真软件对狭缝光栅自由立体LED显示器件的串扰进行仿真。首先, 通过对狭缝光栅的设计原理分析, 并基于LED模块的发光像素面积2 mm×2 mm, 黑矩阵的面积1 mm×1 mm, 设定最佳观看距离为5 m的两视点狭缝光栅自由立体LED显示器件, 计算出光栅的狭缝宽度和挡光宽度都为2.87 mm。其次, 利用这些参数, 通过TracePro软件建立狭缝光栅自由立体LED显示器件的仿真模型, 通过仿真运算得到左、右视频的光照度分布图, 并通过归一化发现它们的光照度均匀性较差, 观看时会导致“眩晕”现象。最后, 借助自由立体显示器件串扰的测量方法, 根据仿真左、右视频照度分布图的交叉曲线, 定性分析了仿真结果, 并结合Orign 9.1软件定量对仿真的串扰值进行计算, 得出其串扰值为42.4%。这为进一步优化狭缝光栅自由立体LED显示器件的设计和性能提供了理论依据和技术支持。

基于双目视觉原理，利用Unity3D游戏引擎开发了一种增强现实环境下的信息物理融合(cyber-physical systems, CPS)虚拟装配系统。通过研究快速定位算法识别特征标记点建立虚拟模型与实物装配单元的配准关系，融合虚拟模型投影图像与实物装配体图像实现虚拟装配仿真，实时输出在视频眼镜结构中显示。经过试验验证，该系统满足CPS实时性、稳定性以及信息世界与物理世界融合的要求。

结合人眼在观看立体影像时的融合位差, 重新推导了观看立体影像的舒适区范围, 并对平行式立体拍摄系统的基线长度范围进行重新的界定。根据推导结果, 在舒适区条件下以基线长度所允许的最小值为基准, 获取5组不同基线长度下的视差图, 再通过虚拟现实立体显示器验证了推导结果的正确性。结果显示可指导舒适区条件下双目立体系统的搭建。

基于双目视差的立体显示系统中, 不恰当的图像景深分布是引起视疲劳的主要原因, 因此提出一种新颖的立体深度调整方法以提高立体显示观看视觉舒适度。该方法以原始立体图像作为输入, 应用图像谱残差提取的方法获得立体图像的视觉显著性, 结合特定的观看条件建立视疲劳指标模型, 获取特定图像在特定观看条件下的最佳零视差平面(ZDP)。根据最佳ZDP对原始输入左右视图进行视差调整, 从而获得视疲劳指标最小的立体图像。为了进一步验证该方法对立体显示视觉舒适度的提升效果, 设计并完成了相应的视觉感知实验。实验结果表明, 该方法显著提高了立体显示观看舒适度。

在多视点自由立体显示中, 针对柱透镜光栅参数与显示器像素不匹配造成的串扰问题, 提出利用图像插值的合成方法对图像进行缩放处理。以9视点为例, 提出缩放比例系数k, 实现双线性插值算法的改进。嵌入式样机测试结果表明, 该方法能够满足显示器像素宽度与柱透镜参数的完全匹配, 串扰度从13.55%降低到1.40%, 降低了12.15%, 图像分辨率明显提高, 立体显示效果更好。

目前的柱栅式裸眼立体显示技术已经能够在UHD模式下具有良好的2D显示性能, 但是随着分辨率的提高, 立体显示图像的合成所需要处理的数据量急剧增加。为此, 我们在x86架构运行环境下, 提出了一种采用SIMD指令集来实现显示图像实时合成的算法。实验表明, 相比于通用算法, 该算法可大幅减少运算时间, 速度提高了1个数量级以上。有效满足柱栅式立体显示系统图像的实时合成, 具有一定的工程实际意义。