一種基于Ｎｖｉｄｉａ顯示驅動實現立體三維顯示的方法

摘要立體顯示技術是未來信息顯示系統的發展方向之一，本文對立體顯示技術做了簡要介紹，并給出如何利用目前個人PC機的主流顯卡Nvdia的顯示驅動實現立體顯示的方法。通過利用立體眼鏡以及我們自行研制的立體顯示器測試表明目前在利用立體三維顯示技術改進和提高多媒體裝備和多媒體教學質量的方案中，采用Nvidia顯卡進行實現是最為簡便、成本最低的最佳方式之一。

關鍵詞 立體顯示;雙目視差成像;Nvidia;多媒體

中圖分類號：G40-057 文件標識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）06-0082-03

Method on Realizing Stereoscopic 3D Display based on Nvidia Display Drive//Hu Yuehui， Hu Qiuhua

Abstract The stereo display is one of the developing directions for the future information display system. In this study， Method to implement stereo display based the popular used Nvidia display driver in PC was proposed， after the stereo display was introduced briefly. The tests were carried out by the stereo glass and the custom-developed stereo monitor， and the results showed that in order to improve and develop the multimedia equipments and teaching quality by stereoscopic 3D display， using the Nvidia display card was one of the best ways， which was very easy and inexpensive.

Key words stereoscopic display; binocular parallax imaging;Nvidia; Multimedia

Author’s address

1.Academe of Opto-electronic Engineering Technology， Hefei Univ. of Tech.， Hefei 230009 2.Key Lab. of Special Display Technology， Ministry of Education， Hefei 230009.

3. School of Liberal Arts Economics， Hefei Univ. of Tech.， Hefei 230009

1 引言

在當今多媒體時代，立體顯示技術正在逐步成為是一項不可缺少的技術，因為它不僅可以再現生動的立體景象，而且還可以精確地描繪物體的遠近、縱深和圖像的現實分布狀況，從而使觀察者獲得更加全面的信息。立體顯示技術除了應用于廣告和娛樂產品，在教育、醫學、軍事等領域也有廣泛的應用前景。

目前立體顯示設備已經開發出包括立體眼鏡、立體顯示器、立體投影設備等在內的多種產品。其中常見的是雙目視差(Binocular Parallax)原理的立體成像技術[1，2]，即利用人的雙眼從不同的方位獲取同一景物的信息，各自得到關于景物的二維圖像，在視網膜上所形成的光學像略有差異，人的大腦通過對左右兩幅圖像以及兩幅圖像的視差進行分析和處理后，可以得到關于景物的光亮度、形狀、色彩、空間分布等信息，將視場(即眼睛所觀看到的景物區域)中的物體區別出遠近，感受到所看到物體的立體層次而產生立體感。

立體顯示技術的發展趨勢是裸眼立體自由成像技術[1，2]，即無需佩戴任何輔助立體裝置即可實現立體模式的顯示技術。但是目前裸眼立體顯示器還存在著硬件上成本昂貴，缺乏軟件平臺支持以及立體信息數據來源（如立體影視資料等）有限的問題。相對而言，立體眼鏡盡管存在一定的佩戴不便，但低廉的價格，使得它在現階段可以大量普及使用。同發展中的裸眼立體顯示技術相比，立體眼鏡除了成本低廉之外，也存在著軟件支持匱乏以及立體顯示數據來源嚴重不足的問題。各立體顯示技術研發機構發展商盡管開發了相應的軟件開發包以對各自立體顯示產品提供二次應用軟件開發支持，但是都有局限性，比如對于缺乏軟件開發經驗的廣大用戶來說仍舊存在著需要自己開發立體顯示應用軟件的困難。

2 基于NVIDIA 3D StereoDriver的立體顯示方案

目前教育領域已廣泛采用PC機來構建多媒體教學平臺，隨著世界兩大顯卡生產廠商之一Nvidia公司3D StereoDriver顯卡立體驅動程序[3]出現，已經可以在不需要配合使用其它立體驅動軟件的條件下實現大部分基于OpenGL或DirectX 3D的三維大型軟件的立體顯示，因而對用戶的軟件編程要求大大降低甚至直接使用即可。這種立體驅動還支持立體瀏覽靜態圖片的功能，對于SS格式的立體圖均可正確顯示。而對于開發者來說，該驅動提供了一個API接口，支持DirectX9可執行程序擴展，因而具有很強的實用性。以下給出了我們通過實驗證明切實可行的性價比較高的2種利用Nvidia 3D Stereo Driver的立體顯示方案。

1）立體眼鏡＋普通顯示器方式

立體眼鏡利用了時間復用技術，它的左右鏡片由具有不同極性的透鏡組成，兩個鏡片由傳感器聯到一個由時間驅動的電子轉換器上。左右透視圖對在屏幕上快速切換，電子轉換器以相同頻率同步開關左右鏡片，以確保左眼只看到左圖，右眼只看到右圖。這種方式的優點在于使用普通的CRT顯示器即可實現立體顯示。

時分復用技術可以有3種方式：分色、分光、分時。目前市場上的立體眼鏡大多基于分色技術，其基本原理是讓某些顏色的光只進入左眼，另一部分只進入右眼。分色技術在第一次過濾時要把左眼畫面中的藍色、綠色去除，右眼畫面中的紅色去除，再將處理過的這兩套畫面疊合起來，但不完全重疊，左眼畫面要稍微偏左邊一些。第二次過濾是觀眾帶上專用的濾色眼鏡，眼鏡的左邊鏡片為紅色，右邊的鏡片是藍色或綠色，由于右眼畫面同時保留了藍色和綠色的信息，因此右邊的鏡片不管是藍色還是綠色都是一樣的。 以紅、綠眼鏡為例，紅、綠兩色互補，紅色鏡片會削弱畫面中的綠色，綠色鏡片削弱畫面中的紅色，這樣就確保了兩套畫面只被相應的眼睛看到。

分色技術的立體眼鏡原理簡單、成本低、百元左右的價格非常利于教育系統普及。在配置有Nvidia顯卡并安裝了立體顯示驅動的普通PC上，左右透視圖對的快速轉換問題已由Nvidia顯卡完成，因此只需選配一個立體眼鏡即可實現立體顯示。

2）直接使用桌面型立體顯示器進行立體顯示

目前基于雙目視差的大部分立體顯示設備均支持以下4種立體顯示圖像存放格式[3]，其中以ss格式最為常見：

①SS方式（Side by Side）：左右眼圖按照左右的次序合成一幅輸出圖像，抽取左圖的奇數列放置于輸出圖左邊，抽取右圖的偶數列置于在輸出圖的右側，高度保持不變。圖1顯示的就是一幅按SS格式存儲的立體圖像對。

②TB方式（Top and Bottom）：左右眼圖按照上下的次序合成一幅輸出圖像，其中左圖奇數行壓縮放于輸出圖上端，右圖偶數行生成于輸出圖下端，寬度保持不變。

③行交叉方式：左眼圖奇數行與右眼圖的偶數行抽取出來，復制到輸出圖的同樣位置行復合成輸出圖像。

④列交叉方式：左眼圖奇數列與右眼圖的偶數列抽取出來，復制到輸出圖的同樣位置列復合成輸出圖像。

隨著液晶顯示器的普及和制造成本的降低，基于液晶平板顯示器件的立體顯示設備價格也大大減少，目前硬件已可以做到普通液晶顯示器的2倍價格左右，并且目前市場上的此類立體顯示設備均可在普通顯示模式和立體顯示模式下自由轉換，沒有佩戴立體眼睛而帶來的不適感，所以通過Nvidia立體驅動解決軟件和應用支持的情況下，利用基于Nvidia顯卡的PC機系統與立體顯示設備一起構建新型立體顯示多媒體教學平臺也是一種性價比非常高的方案。例如在我們自行研制的裸眼自由立體液晶顯示器上，只要選擇Nvidia立體顯示模式為SS格式，同時使立體顯示器工作在SS模式，目前流行的大型網絡游戲“魔獸世界（WOW）”立刻以生動的三維立體顯示方式呈現在眼前。以下對將Nvidia 3D StereoDriver的安裝和使用做進一步介紹。

3 NVIDIA 3D Stereo Driver的安裝與使用

在安裝立體驅動之前，要求預先安裝普通的NVIDIAForceWare Graphics driver驅動，而且立體驅動的版本必須和該驅動版本相匹配，比如你的電腦安裝了77.77版本的驅動，那么必須也安裝77.774版本的立體驅動。安裝完成以后，重啟計算機之后在系統的屬性欄就會新增一個NVIDIA圖像控制頁。單擊它就可以進入主NVIDIA面板。

在主NVIDIA面板中，點擊“立體屬性”項（圖2 A），彈出立體屬性設置的主頁面，大部分相應的設置都是在這里完成的。首先要設置立體顯示的類型（圖2 C），包括立體眼鏡、立體顯示器等，這里我們設置為立體眼鏡，使用的顯卡為Geforce 6800。

在初次開啟立體驅動運行3D軟件前，需要進行立體功能測試。程序會在設置完成以后自動運行，這個測試是為了檢測使用者對立體圖像的敏感程度，當使用者清晰看到屏幕上的立體圖像以后，按Esc退出，程序則記錄使用者的一些視覺參數，以確保使用者在使用該機器立體操作時，在同樣的位置可以得到很好的深度感。立體顯示過程中顯示的亮度，可通過gamma參數來調節（圖2 F）。也可以利用圖2D的測試圖像自行進行立體效果測試。

設置好立體設備類型以后，還得打開立體顯示功能（圖2 B），否則驅動將不會工作。如果你想只在需要的時候激活它，可以選擇“熱鍵激活”項。系統默認的熱鍵是Ctrl+T打開關閉立體顯示功能，Alt+F1保存圖像，Ctrl+F4增加立體間距，Ctrl+F3減小立體間距，Ctrl+G增加gamma值，Alt+G減小gamma值。熱鍵設置界面如圖3B。

立體間距是指左右眼圖像的水平位差，水平位差越大，深度感就越強，立體效果就越好，但是另一方面，如果水平位差過大的話，雙眼會不能有效融合立體圖像，產生重影，甚至看不到立體效果。因此立體驅動需要依據用戶選擇的顯示器尺寸（通過圖3A來設置）自動計算出適合的最大立體間距。以后為了得到更好的眼睛舒適度和立體感，還可以在屬性頁進一步微調（圖2E），也可以通過熱鍵來微調節立體間距以增強立體感。

4 結束語

立體顯示技術是未來顯示技術的發展方向，有著廣闊的市場和應用前景。而NVIDIA公司的立體驅動程序支持目前市面上的大部分通用立體顯示設備，利用目前市場上常見的立體眼鏡和我們自主開發的立體顯示器上的運行情況表明，該驅動滿足了立體顯示的一系列要求，畫面流暢，運行穩定。由于它對只需用戶具有立體顯示的一些基本知識來完成安裝和調試立體顯示驅動，就可以完成用戶基于OpenGL或DirectX 3D的三維應用大型軟件的立體顯示，避免了用戶為了進行立體顯示而需要自行進行二次軟件技術開發編程的困難，因而對于立體顯示技術在教育領域的推廣和應用具有重要意義。

Nvidia立體顯示驅動也有一定的局限性，一方面首先它只能對基于OpenGL或DirectX 3D三維軟件中的三維模型進行立體顯示，對普通影視資源等通過單目成像方式形成的顯示數據無法立體顯示。而這一部分工作必須通過深入研究基于圖像的三維重建和立體感增強技術才能實現。其次，這種驅動的立體顯示原理是基于如前提到的雙目視差原理，但是它生成的立體圖像總是假定觀察者與待觀察三維物體的立體視角恒定不變，因而造成觀察者雙眼位置在空間移動時看到的不一定是正確的立體角立體投影成像圖，需要在觀察者大腦幫助下合成正確立體角情況下的立體圖像，因而容易產生大腦疲勞，即多視角問題。上述兩個問題同時也是立體顯示技術目前研究的焦點和熱點問題之一。有待我們進一步的研究、探索和解決。

參考文獻：

[1] Neil A.D. Autostereoscopic 3D Displays. IEEE. August 2005. 0018-9162

[2] Sexton I.， Surman P. Stereoscopic and Autostereoscopic display systems. IEEE.1999， vol.16

[3]NVIDIA Corporation. NVIDIA 3D Stereo User's Guide (for Release 75)， NVIDIA Corporation， July 18， 2005. Revision 7.5