第13卷第4期安徽机电学院学报Vol.13No.41998年12月JournalofAnhuiInstituteofMechanical&ElectricalengineeringDec.1998自由立体图像的计算机生成原理及实现王元庆徐晓光(安徽机电学院芜湖241000)摘要自由立体图像的计算机生成技术,是一比较先进的立体图像显示方法,它采用一种价廉而使用方便的柱镜板作为辅助的硬件设备,用计算机生成具有正确视差的图像,通过柱镜板的折射,可在CRT或LCD上直接提供具有纵深感的立体图像。关键词立体显示自由立体正确视差左右视象柱镜板中图分类号TB863前言随着计算机科学的不断发展,计算机对图像的处理能力也越来越强,立体图像的计算机生成技术也成了目前一个重要的课题。立体图像的计算机生成技术目前是从以下几个方面实现的。它在软件方面采用了合成立体图像算法、基于投影变换原理的左右眼视图生成法,以及基于相关性理论的立体图生成算法,在硬件方面,除了计算机外,还要有能与计算机同步的立体显示设备(如头盔立体镜、头盔单目镜和可移动的视觉显示器),但这种方法至少存在2点不足:(1)设备复杂、使用不便、价格昂贵。(2)需要交替显示,对计算机性能要求很高,所以这种立体显示的使用场合也受到了很大的约束。本文将介绍一种新的立体图像生成技术自由立体图像的计算机生成。它将自由立体图片技术应用到计算机图像方面,所用的硬件设备只是一般的计算机和一块柱镜板。自由立体图像的名称是以自由立体图片技术为参照,自由(auto)的含义是肉眼直接观看而不借助任何限制人眼位置的其它辅助设备,这种最重要的附件就是柱镜板。柱镜板是一种价廉而使用方便的具有特定光学构造的塑料薄板,它将包含立体信息的屏幕图像分离成左、右两个视像,分别提供给用户的双眼,使平面图像转化为具有纵深感的立体图像。1自由立体图片合成与再现原理人的双眼在观看物体时,会产生左、右视差(parallex),这种视差的大小与物点距人眼的距离有关,近物点视差较远物点大,无限远处物点视点视差为零。一般为了问题分析的简化,我们将物点相对于人眼的视差分解为水平视差和垂直视差。在自由立体图片技术中常忽略掉垂直视差再现给图片观看者(在目前虚拟现实技术中也是这样处理的),如图1所示收稿日期:1998-09-2440安徽机电学院学报1998年为自由立体图片的再现原理,其中重要的附件即椎镜板是由许多柱面透镜行紧密排布而成,切距t(相邻柱面透镜中心距)一般小于05mm,透镜元中心厚度d约为透镜元曲面率半径r的3倍(如图1(a));在图片的左、右视象合成过程中,通过特殊的合成设备将左右视象分割成若干等分分,,(a)柱镜板三维图像(b)透镜成像示意别成像于各透镜元的光轴两边如图,1(b)图1柱镜板结构及成像原理所示,并且每一透镜元的左半部都记录同一视像,例如右视像,其右半部则都记录另一视像,例如左视像;而当双眼透过柱镜板观看图片时,柱镜板又将其记录的的左、右视象还原,使人左、右眼分别看到左、右视像,从而人脑中形成一幅有纵深效果的立体图像。2自由立体图像生成技术自由立体图片技术早在本世纪20~30年代就已有人开始研究,并在40年代制作出效果很好的杂志封面,70年代走向成熟并传入东南亚。借助于成熟的自由立体图片技术,我们尝试研究一种新型的计算机图像的立体显示方法。这种方法姑且称作自由立体图像显示。根据柱镜板的成像原理,我们可将柱镜板的切距选取为CRT或LCD偶数个象素的几何宽数(如2个、4个、6个或8个像素宽),然后在显示屏对应位置上依次显示左、右视象的图像,如图2。L处和R处的几何尺图2图像显示结构示意图寸为1个、2个或3个像素宽,它们分别显示左眼、右眼视像,图中的图像对(如RiLi)必须位于柱镜板的某一柱面透镜元内,不应当交错于两个相邻柱面的透镜元之内。为了判断各图像对与所要表现的图像之间的关系,我们可以按照自由立体图片的合成与再现技术加以分析。图3为双画面图片合成示意图,Pr、Pl分别为所要表现的图像(如景物)的左、右视像,它们各自由合成物镜Lr、Ll投影到柱镜板S上,并由透镜板S将其成像于柱镜板的背面。需要说明的是,实际装置中,柱镜板S的节距t相对于合成物镜的中心距E是很小的(一般t<E/200),只是仍直观,我们将图中透镜板节距画得很大。为讨论方便,设置4个坐标系,光学坐标X1-Y1、屏幕坐标X2-Y2和分别对应左、右视像的自然坐标Xl-Yl及Xr