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自20世纪70年代末以来，由于数字技术和微机技术的迅猛发展给数字图像处理提供了先进的技术手段，图像处理技术也由信息处理、自动控制系统理论，成长为旨在研究图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用的崭新学科。
随着图像处理技术基础理论的发展，具有数据量大、运算速度快、算法严密、可靠性强、集成度高、智能性强等特点的各种应用图文系统在国民经济各部门得到广泛的应用，在逐渐深入到家庭生活。有人预言，图像产业将是新世纪影响国民经济、国家防务和世界经济的举足轻重的产业。当前，通信、广播、计算机技术、工业自动化、国防工业乃至印刷、材料科学等部门的尖端课题无一不与图像处理科学的进展密切相关。
随着计算机技术的发展，特别是高速数字信号处理器(DSP)的应用，极大地推动了图像处理技术的发展。图像处理系统分为通用图像处理系统和专用图像处理系统，其发展过程大致可分为三个阶段。
第一阶段大体上是20世纪60年代末到80年代中期，当时的代表英国JOYCELOEBL公司推出的 MAGISCAN图像分析系统以及美国VICOM公司推出VICOM-VEM图像处理工作站、VICOM-VEM机器视觉计算机。MAGISCAN用于医学图像处理和金相分析，VICOM-VEM系统主要用于工业控制。由于这些系统采用机箱式结构，所以系统的体积比较大，虽然功能较强，但价格昂贵。我国图像处理系统的研制起步较晚，主要有清华大学的TS79小型通用图像处理系统、TJ82图像计算机和TS84多功能微机图像处理系统。同样是采用机箱式结构，主流计算机采用小型机。
第二阶段是从80年代中期到90年代初期，该阶段的特点是小型化，外部结构不再是机箱式而是插卡式。通过把图像卡插到计算机内，即可和计算机构成图像处理系统。典型产品有：美国Image Techno logy公司的PCVISION系列图像卡，美国DT公司推出的DT2851图像卡、DT2858图像卡和DT871真彩图像卡。加拿大MATRON公司也推出一系列图像卡。在国内，80年代末到90年代初，中科院自动化研究所成功研制CA系列图像卡，清华大学成功研制TH系列图像卡。由于图像卡体积小、价格低、使用方便，所以很受用户欢迎。这阶段的图像卡大都开始采用大规模集成电路甚或是专用集成电路。这阶段特点是：主流机采用PC，计算机总线采用ISA总线。
第三阶段是从90年代初开始，这阶段的产品出现两大分支，一种仍是采用插卡式，随着PCI总线技术的成熟，使得采用PCI总线的图像卡逐步取代采用ISA总线接口的图像卡。在国内，北京中自技术集团、微视公司等都推出系列PCI图像卡产品。该类产品的特点是：采用PCI总线，在Windows平台上编制图像处理软件。另一种图像卡是采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统。随着DSP芯片集成度、运算速度的大幅度提高，价格大幅度降低，DSP芯片成为脱机图像系统的主流处理器。由于美国TI公司在DSP市场上的主导地位，使得TI公司的图像处理平台在世界上处于领先地位。国内的DSP技术起步较晚，但发展很快。90年代末就有比较成熟的产品出现。典型产品有闻亭公司的T6201P/PA,WT6701P/PA图像处理系统和WT32EA通用图像处理系统。目前，由于PCI总线的诸多优点，在没有特殊限制的场合，采用计算机+PCI接口图像采集卡仍将是图像处理系统的主流配置。但随着半导体技术的飞速发展，基于DSP和大规模集成电路的脱机图像处理系统的开发与应用将达到更高的水平。
几年来，瞬态物理国家重点实验室在研制电视导引头的过程中使用了多种图
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像采集处理系统，例如:PC机+OK卡、TMS320C6711、TMS320C6416和TMS320DM642等。综合考虑各款国内外的图像处理平台的处理速度、图像接口、性价比等因素，TMS320DM642显示出优势。这款TI公司的DSP芯片具有内核速度快(600MHz)、有独立的视频端口、强大的存储器扩展能力、不断下降的价格等特点。
纵观当今国内外图像卡产品的现状，图像采集系统趋于实时性，而且功能实现越来越复杂，FPGA（Field Programmable Gate Array）以其自身优势引起图像处理系统制造商的关注，但一般为国外产品，而且价格相对昂贵。
1.3 研究目标与内容
研究目标是利用虚拟仪器和一些硬件来实现图像的采集并把拍摄的图像合成3D图像。
研究内容有基于现有3D技术的分析、各种3D现实的原理及未来发展趋势。同时学会使用虚拟仪器、能编写一些相关应用的程序。最后能结合软硬件来实现3D图像的采集。
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第2章 3D显示的原理及发展趋势
2.1 3D显示的发展流程
2.1.1 显示技术
显示，一般是指物品的陈列和展示。但随着科学技术的不断发展，显示主要是指对信息的表示，是为了将特定的信息向人们展示而使用的全部的方法和手段。在21世纪的信息工程学领域，显示技术被限定在基于电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容传递给眼睛产生的视觉效果。显示技术已经不在局限于以前的阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）和液晶显示技术（Liquid Crystal Display，LCD），等离子显示板（Plasma Display Panel，PDP）有机电致发光显示器（Organic Light-Emitting Diode，OLED）、立体显示等多种新型的显示技术和显示方式。
显示技术也叫信息显示，利用它可把看不见的电信号转化成发光信号（包括图形、图像或字码等）。信息显示主要由信息源、数据处理和显示器三部分组成，如图2-1所示。
计算机
摄像机
磁盘
传感器
数据处理器 显示器 图2-1 信息显示的基本过程
2.1.2 显示技术的发展
1. 1970年以前的早期显示器
最早的电子显示器是1897年由德国布劳恩（Braue）发明的阴极射线光（CRT），
也称为布劳恩管。1950年，美国RCA发明了荫罩式彩色CRT，CRT用于彩色电视机，使彩色电视机飞速发展。彩色CRT的性价比最好。彩色CRT在正常工作时，必须有电子枪和偏转线圈，因此，使得彩色CRT体积大、质量大。
2. 平板显示的崛起
1970年以后，随着超大规模的集成电路的发展，显示器的外观越来越小，同时功耗小，便于携带。LCD显示器借助于集成电路技术，发展出非晶硅薄膜晶体管（TFT）显示器，即有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）使显示器显示大量信息。LCD的一个缺点是响应速度低，不适于用做视频图像显示，为了使LCD能进入电视机领域，一方面将液晶层做薄；另一方面对液晶材料进行深入研究，开发出一系列适合快速视频显示的材料。
3. 全彩色PDP的产业化
在LCD尚未解决其视角小、响应慢的缺点以前，一致认为PDP是唯一适合
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40英寸以上高清新度显示的显示器。但是PDP在20世纪80年代在单色屏上取得重大成果后，在全彩色化的道路上遇到很大困难。而寿命和发光效率也困扰着PDP的发展。
4. LED的出现
在各种显示屏中，LED解决了前者的不足。LED虽然是主动发光，但分辨率低。它属于发光二极管。基本上是利用半导体制造工艺，在一个圆片上制出众多小芯片，经分割后，通过后工序制成单芯片或多芯片的LED，工艺复杂，分辨力也提高困难。
5. 立体显示的到来
随着社会的进步，人们对物质和精神的追求越来越高。20世纪90年代以来，随着液晶显示技术的成熟，以液晶、等离子为代表的新一代显示设备以其全彩色精致影像画质、节省能源、无辐射、无闪烁等优点获得了快速发展。立体显示技术的研究方向也已经集中于基于液晶平板显示器的裸眼立体显示技术。2004年，经过多年研发，Super立体影像工作站正式问世，实现商用。它成功的实现了液晶显示器和裸眼立体显示技术的巧妙结合，具有近乎完美的自由立体图像显示功能，给人们带来一场全新的视觉盛宴。
进入21世纪，3D已成为当前最受欢迎的显示技术，这已成不争的事实。可是，当人们沉浸过“身临其境”感后，头晕目眩的感觉也令人倍感不安。我们暂且不考虑3D眼镜给消费者所带来的成本，对于近视观众来说，在近视眼镜上再加上一副眼镜，想想都是一件很累、很复杂的事情。科技的本质就是把好的东西带给人类，并使之一切更加容易、更加简单、更加便捷，因此，裸眼3D是未来显示技术发展的必然趋势。
与二维显示相比，立体显示技术的诞生解决了虚拟现实领域的视觉显示问题，能在一定程度上给观察者以生临其境的感受，可以真实的重现客观世界的景象，表现图像的深度感、层次感和真实性。
2.2 3D显示的种类及原理
2.2.1 3D显示的种类
立体知觉的作用分为两眼起作用和单眼起作用两种情况。前者包括两眼视差和复合，后者包括焦点运动和运动视差。它们都是直接影响立体效果的因素，此外，经验知识等也是重要因素。
当用摄像机从不同角度拍摄同一景物时，所得到的图像会有一些微小的差异。与此同理，人在用两只眼睛看同一物体时，左右眼视网膜成的像也是不一样的，两眼作用就是利用这种差异来判断前后关系的，这就是两眼视差，它担负着立体视的核心任务。例如，有一个位于远处的大球和一个位于近处的小球，如果球上没有图案或阴影，那么单眼是很难判断它们的远近。而如果用两只眼睛来观察，他们的前后关系和大小就显而易见了。两眼视差作用的大小由此可见。此外，眼睛还要为注视某个点儿工作，这时，其光轴就要对准注视点而向内运动，这就是称为辐辏的功能。
单眼作用是一只眼睛收集立体信息。眼睛里有一种透镜，看远处和看近处时透镜厚度被调节在不同的大小上，这种透镜焦点调节功能可以给出前后关系的判
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断。一般情况下，焦点被调节在与辐辏相同的位置上。运动视差是当人和物体移动时视见度的变化。假定是水平方向的移动，则观看物体的角度就会发生变化，物体上的一些遮挡部位就能看到了。此外，远处景物的时间度不怎么变化而近处物体则是以很快的速度变化的，这种经验知识也是立体感的重要因素。
人们早就知道两眼视差在立体感中起到了巨大作用。显示的分类出了以上的方法外，现在一般分为眼睛方式和非眼睛方式。眼睛方式和非眼睛方式又可以按左右图像的显示方式分为空间切割方式和时间切割方式。眼睛方式中，具有代表性的空间分割方式有窥视镜方式、偏振光眼镜方式、立体照片方式、普尔费里其方式。时间分割方式中，快门眼镜方式已广为人知，它也有偏振光眼镜方式。非眼镜方式有视差栅方式、条形透镜方式、积分照相方式等。这些非眼镜方式中，观看者所看到的图像是随观看位置变化而变化的，能看到不同图像的区域取决于视差图像的个数。也可以按视差图像个数的多少分为两眼式和多眼式。
2.2.2 几种立体显示的原理
1. 色差式3D 立体成像
色差式3D历史最为悠久，成像原理简单，实现成本低廉，但是3D画面效果也是最差的，需要配合色差式3D眼镜才能看到3D效果。色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，人的每只眼睛都看见不同的图像。目前我们较为最常见的滤光片颜色通常是红蓝，红绿，或者红青，立体眼镜的左、右眼镜片分别是红色或蓝色滤光片，它使得戴红色滤光片的左眼只能看到红色图像，戴蓝色滤光片的右眼只能看到蓝色图像，经大脑融合形成立体图像。目前采用这种技术的影院已经越来越少了，毕竟跟不上用户体验度的需求。
优点：技术难度低，成本低廉。
缺点：3D画质效果不理想，图像和画面边缘容易偏色。
2. 快门式3D 技术
快门式3D技术,使用一付主动式LCD快门眼镜，交替开关左眼和右眼,让左右眼看到的两幅图像在我们的大脑中融合成一体来实现，从而产生单幅图像的3D 深度感。目前三星、LG、SONY等国际大厂所推出的3D电视主要使用的就是这种3D显示技术。在PC领域的NVIDIA的3D stereo、在投影领域的德州仪器的DLP Link，XPAND 3D系统也都是属于快门式3D技术。
快门式3D技术的原理是根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)，左眼和右眼以60Hz的快速刷新图像才会让人对图像不会产生抖动感，并且保持与2D视像相同的帧数，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉，便观看到立体影像。主动快门式眼镜都采用的是液晶控制开合，通过液晶分子的运动控制左眼或右眼感知画面，刷新频率为60Hz，这样就是为什么3D电视要求面板刷新率最低为120Hz的原因。目前市面上有些机子的刷新频率很低，达不到120Hz，所以在商场试机的时候会有明显的闪烁，特别对着日光灯的时候，因为频率的不同步造成的闪烁感特别明显。刷新频率越低，闪烁感越大，120Hz其实才刚刚达到可用的要求，用过CRT显示器的同学都知道，刷新率越高，画面越稳定，眼睛越不容易疲劳。在电视机端采用RF或IR的方式发射同步信号，眼镜里的MCU 接收到信号后进行处理，分离出R/L的开关信号，经升压电路做升压处理（约10V）后作为眼镜
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