实时显微立体成像系统中闪烁问题的分析和解决

　　1　引　　言

　　微操作系统用于完成微进给、微注射等微米尺度级操作。在生命科学领域,使用微操作系统可以完成基因导入、细胞分割等微细操作[1][2]。显微成像系统是从微观世界向宏观世界传递视觉信息的通道,观察者使用显微成像系统观察微观场景,操纵微进给工作台、微针、微夹钳等器件进行微操作。目前微操作系统上所用的显微成像系统主要采用平面成像观测方式,只能观测到二维平面图像,操作者对微观场景没有深度感,操作对准困难[3]。因此,研制一种基于显示器的新型显微立体成像系统是微操作系统研究的重要课题。

　　大连理工大学微机电系统研究中心研制的实时显微立体成像系统由体视显微镜、两台CCD彩色摄像机、彩色图像采集卡、微型计算机、液晶眼镜和视频同步控制器组成。两台彩色CCD摄像机和体视显微镜的目镜光学接口对接,从左、右方向模拟人眼同时摄取微观场景,经图像采集卡将图像信息传至计算机缓冲区,由计算机控制将左、右摄像机图像交替显示在计算机显示器屏幕;视频同步控制器驱动液晶眼镜和图像显示同步交替开合,使配带液晶眼镜的观察者左眼只能看到左眼图像,右眼只能看到右眼图像,经大脑融合处理产生有深度感的立体图像[4]。

　　该系统的主要问题是存在交替闪烁,影响立体效果。本文分析了闪烁现象的产生根源,提出立体视觉多缓冲自适应刷新图像方法,解决了实时显微立体成像系统中的闪烁问题。

　　2　闪烁问题的分析

　　2.1　产生闪烁的原因

　　人眼受脉冲光照射,当重复频率低于临界闪烁频率时,会产生忽明忽暗的闪烁感觉,这是由于有光和无光在亮度上有可分辨的差异所致。如果将重复频率提高到临界频率以上,人眼就感觉是被连续光照射,闪烁现象消失。临界闪烁频率和很多因素有关,一般认为临界脉冲频率在45.8Hz左右。

　　采用分时立体显示工作方式,当观察者左眼看到图像时,右眼被液晶光阀遮挡,只能看到一片暗区,这样每只眼睛所能感受的脉冲光频率只是实际脉冲光的一半,所以使配带立体眼镜的观察者不感觉闪烁的临界闪烁频率应是常规临界脉冲频率的二倍:91.6Hz。由此可知,提高交替显示频率高于91.6Hz是解决实时彩色显微立体成像系统闪烁问题的关键[5][6]。由于标准摄像机的帧频为25Hz,其正常交替传送频率只有50Hz,远远低于临界显示频率,必须采用一定措施来提高交替显示频率,才能获得无闪烁效果。

　　2.2　提高交替显示频率的常用方法

　　目前提高交替显示频率主要有以下两种途径。国外的分时立体显示系统一般采用高场频摄像机来提高传输场频,从而提高交替显示频率。如日本NHK的研究人员采用场频120Hz的高速摄像机,研制了场顺序制立体电视,获得无闪烁效果。但高场频摄像机价格昂贵,经济和技术上都有一定限制。另一种方法是“慢存快放”技术。“慢存快放”是指以标准场频50Hz分别将左摄像机的视频信号和右摄像机的视频信号经解码、转换、采集至内存缓冲区中,然后以同步于显示器刷新速度,将两幅图重复、交替地显示至开始采集下一帧的左、右摄像机视频信号。由于目前计算机显示频率可达到140Hz,采用“慢存快放”方法提高交替显示频率以消除闪烁感是可行的[7]。研究“慢存快放”技术时发现,虽然实际单眼图像平均显示频率可达到45Hz,能产生较强的立体感,但仍存在有规律的低频闪烁和无规律的随机闪烁,影响了立体成像效果。