中心議題：

• 立體視覺概述
• OpenGL實現立體顯示

解決方案：

• 雙中心投影算法
• 立體圖像對的繪製

虛擬現實(VirtualReality)是一種新興的
、極有應用前景的計算機綜合性技術。采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視覺
、聽覺、觸(chu)覺(jiao)一(yi)體(ti)化(hua)的(de)特(te)定(ding)範(fan)圍(wei)的(de)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)。立(li)體(ti)顯(xian)示(shi)是(shi)虛(xu)擬(ni)現(xian)實(shi)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)，它(ta)使(shi)人(ren)在(zai)虛(xu)擬(ni)世(shi)界(jie)裏(li)具(ju)有(you)更(geng)強(qiang)的(de)沉(chen)浸(jin)感(gan)，立(li)體(ti)顯(xian)示(shi)的(de)引(yin)入(ru)可(ke)以(yi)使(shi)各(ge)種(zhong)模(mo)擬(ni)器(qi)的(de)仿(fang)真(zhen)更(geng)加(jia)逼(bi)真(zhen)。研(yan)究(jiu)立(li)體(ti)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)並(bing)利(li)用(yong)現(xian)有(you)的(de)微(wei)機(ji)平(ping)台(tai)，結(jie)合(he)相(xiang)應(ying)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)係(xi)統(tong)在(zai)平(ping)麵(mian)顯(xian)示(shi)器(qi)上(shang)顯(xian)示(shi)立(li)體(ti)視(shi)景(jing)。

立體視覺概述

據研究，人的大腦能從以下4個方麵獲得深度(距離)線索：靜態圖像中的深度線索、由運動造成的深度線索
、生理上的深度線索以及雙目視差線索，這裏僅研究雙目視差線索。當用雙眼看同一景物時
，由於左、右眼在空間所處位置不同，兩隻眼晴的視角會有所不同


，看到的圖像也不一樣

，會有視差，如圖1a所suo示shi。具ju有you視shi差cha的de雙shuang眼yan圖tu像xiang經jing大da腦nao融rong合he，可ke產chan生sheng含han有you立li體ti深shen度du信xin息xi的de立li體ti圖tu像xiang。一yi般ban將jiang雙shuang目mu所suo見jian的de一yi對dui具ju有you視shi差cha的de二er維wei圖tu像xiang稱cheng為wei立li體ti圖tu像xiang對dui。若ruo模mo仿fang產chan生sheng這zhe一yi對dui平ping麵mian圖tu像xiang，並bing采cai取qu技ji術shu措cuo施shi
，使shi左zuo眼yan隻zhi能neng看kan見jian右you邊bian的de圖tu像xiang，而er右you眼yan隻zhi能neng看kan見jian左zuo邊bian的de圖tu像xiang
，則ze人ren類lei的de視shi覺jiao係xi統tong就jiu會hui融rong合he該gai二er維wei空kong間jian中zhong一yi對dui稍shao有you差cha別bie的de圖tu像xiang，從cong而er生sheng成cheng具ju有you立li體ti感gan受shou的de圖tu像xiang。根gen據ju投tou影ying麵mian、人眼以及觀察對象之間的相對位置，可有正視差(圖1b)、負視差(圖1c)和零視差(圖1d)之分。

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雙中心投影算法

由以上研究可知，立體圖像對的產生是由於左、右(you)眼(yan)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)物(wu)體(ti)透(tou)視(shi)結(jie)果(guo)不(bu)同(tong)。因(yin)此(ci)在(zai)立(li)體(ti)顯(xian)示(shi)的(de)視(shi)景(jing)仿(fang)真(zhen)中(zhong)設(she)置(zhi)兩(liang)隻(zhi)虛(xu)擬(ni)的(de)眼(yan)睛(jing)
，一(yi)個(ge)獲(huo)取(qu)左(zuo)眼(yan)的(de)圖(tu)像(xiang)
，另(ling)一(yi)個(ge)獲(huo)取(qu)右(you)眼(yan)的(de)圖(tu)像(xiang)，分(fen)別(bie)將(jiang)左(zuo)右(you)眼(yan)的(de)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)送(song)給(gei)相(xiang)應(ying)的(de)眼(yan)睛(jing)。因(yin)此(ci)。在(zai)立(li)體(ti)顯(xian)示(shi)中(zhong)，需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)包(bao)含(han)兩(liang)個(ge)視(shi)點(dian)的(de)透(tou)視(shi)投(tou)影(ying)方(fang)法(fa)一(yi)雙(shuang)中(zhong)心(xin)投(tou)影(ying)算(suan)法(fa)。圖(tu)2為雙中心投影。



左視點Leye和右視點Reye均位於X軸上，兩視點間的距離為e，兩視點連線中心為坐標原點，則左視點的坐標為(-e／2
，0，0)，右視點的坐標為(+e／2
，0，0)。投影平麵平行於XY平麵，到左右視點的距離均為d。三維空間中一點P(xp
，yp
，zp)在左視點投影中的坐標為(xl，yl，zl)，在右視點投影中的坐標為(xr
，yr，zr)
，則zl=zr=d。點P(xp，yp，zp)和Reye投影線的參數方程為：

在投影平麵上z=d
，可得

將式(2)帶入式(1)得點P在投影平麵的坐標(xr,yr)：

同理，點P和Leye的投影線在投影平麵上的投影點坐標是：

可得水平視差：

由此可見，當zp>d時，0<E<e，此時為正視差；當zp<d時，E<0

，此時為負視差；而當zp=d時，E=0

，此時為零視差。采用雙中心投影算法
，設置雙視點就可獲取三維空間中物體的左右眼圖像
，從而生成立體圖像對。
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OpenGL實現立體顯示

開放性圖形庫OpenGL(OpenGraphicLibrary)是一個三維計算機圖形和模型庫。它獨立於操作係統和硬件環境，適用於從個人計算機到工作站的廣泛計算機環境。
OpenGL在zai三san維wei真zhen實shi感gan圖tu形xing製zhi作zuo中zhong具ju有you優you秀xiu的de性xing能neng，用yong該gai圖tu形xing庫ku不bu僅jin能neng方fang便bian地di製zhi作zuo出chu高gao質zhi量liang的de靜jing止zhi彩cai色se圖tu像xiang，還hai能neng創chuang造zao出chu高gao質zhi量liang的de動dong畫hua效xiao果guo。借jie助zhuWindows編程環境還可控製模型的人機交互。由於其開放性和高度的可重用性
，目前已成為業界標準。

1立體圖像對的繪製

按上述投影算法計算出立體圖像對後，應用OpenGL繪製立體圖像對

，分別用紅
、綠兩種顏色繪製右眼和左眼的圖像。以一個變長為10cm，中心點在原點的正方體為例
，設兩視點間距離e為5cm
，投影麵距高觀察者d為40cm
，考察正方體的一個頂點(5，5，5)，由上述投影算法可得：xr=32cm
，xl=48cm
，yl=yr=4040cm
，zr=zl=d=40cm對8個頂點分別計算後
，連接相應的立體透視投影點，即可得該立方體的立體圖像對。用數組vertex[8][3]存儲頂點

，數組translatevertexr[8][3]存儲右眼投影計算後坐標，數組translatevertexl[8][3]存儲左眼投影計算後的坐標，對相應的點進行投影計算：


使用OpenGL的(de)透(tou)視(shi)投(tou)影(ying)變(bian)換(huan)，需(xu)設(she)置(zhi)前(qian)後(hou)裁(cai)剪(jian)麵(mian)到(dao)觀(guan)察(cha)者(zhe)的(de)距(ju)離(li)及(ji)前(qian)裁(cai)剪(jian)麵(mian)的(de)寬(kuan)度(du)和(he)高(gao)度(du)等(deng)。前(qian)裁(cai)剪(jian)麵(mian)的(de)寬(kuan)度(du)用(yong)該(gai)寬(kuan)度(du)與(yu)高(gao)度(du)的(de)比(bi)值(zhi)表(biao)示(shi)
，取(qu)顯(xian)示(shi)窗(chuang)口(kou)的(de)寬(kuan)度(du)和(he)高(gao)度(du)之(zhi)比(bi)。
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doubleNear．Far；／／前後裁剪麵距觀察者的距離
intratio=width／height；／／顯示屏的寬和高之比
ViewHeight2=Near*tan(radians)；／／計算視野的高度
ViewWidth2=ViewHeight2*ratio；／／計算視野的寬度

計算右眼的視野範圍；
left=-ViewWidth2-0．5*e*0．3

；
right=ViewWidth2-0．5*e*0．3；

投影並繪製模型：
glFrustum(left，right，bottom，top，Near，Far)
；
glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)；／／使用右後緩存
gluLookAt(0+e／2。0，5。0+d／2

，0
，-5，0，1
，0)；
／／確定右眼位置
glColor3f(1．0，0．0，0．0)；／／用紅色繪製
draw()；／／計算立體圖像對並繪製

同理繪製左眼的圖像，如圖3所示。



2雙緩存區的使用

OpenGL提供雙緩存技術
，支持兩個完整顏色緩存的硬件或軟件。繪製一個緩存時，顯示另一個緩存中的內容。每繪製好一幀便交換緩存

；這樣剛才被顯示的緩存被用來繪製，而用來繪製的緩存被顯示。這樣
，當顯示器刷新時，緩存區進行交換，畫麵就不會閃爍。

OpenGL也支持立體觀察
，實現左顏色緩存和右顏色緩存，它們分別用於左立體圖像和右立體圖像。可在初始化時，分別使用參數PFD_DOUBLEBUFFER和PFD_STERE-O_DONTCARE支持立體顯示和雙緩存。使用雙緩存時
，通常隻繪製後緩存
，使用函數glDrawBuffer()還可指定將立體圖像渲染到具體的某個緩存。

例如，繪製右眼圖像時使用右後緩存區glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)
，繪製左眼時使用左後緩衝區glDraw-Buffer(GL_BACK_LEFT)。

3立體圖像的觀察

使用簡單的濾光鏡就可觀察有立體感的圖像。其原理是：由於濾光片(實驗中使用紅
、綠濾光片)吸收其他光線，隻讓相同顏色的光線通過
，因此左、右(you)眼(yan)各(ge)透(tou)過(guo)不(bu)同(tong)顏(yan)色(se)的(de)光(guang)。當(dang)使(shi)用(yong)濾(lv)光(guang)鏡(jing)觀(guan)察(cha)計(ji)算(suan)機(ji)屏(ping)幕(mu)上(shang)的(de)立(li)體(ti)圖(tu)像(xiang)對(dui)時(shi)，就(jiu)會(hui)看(kan)到(dao)具(ju)有(you)深(shen)度(du)感(gan)受(shou)的(de)圖(tu)像(xiang)。在(zai)實(shi)驗(yan)中(zhong)發(fa)現(xian)，刷(shua)新(xin)頻(pin)率(lv)對(dui)圖(tu)像(xiang)立(li)體(ti)效(xiao)果(guo)的(de)形(xing)成(cheng)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。刷(shua)新(xin)頻(pin)率(lv)過(guo)低(di)，由(you)於(yu)人(ren)眼(yan)所(suo)維(wei)持(chi)的(de)圖(tu)像(xiang)已(yi)消(xiao)失(shi)
，不(bu)能(neng)得(de)到(dao)三(san)維(wei)立(li)體(ti)感(gan)受(shou)
；刷新頻率過高就會出現一隻眼睛可看到兩幅圖像的現象。將顯示的刷新頻率設置合適，在程序中設置圖像刷新頻率設置為50Hz，利用紅綠濾光鏡觀察模型的立體成像，得到較明顯的立體視覺效果。

根據立體顯示原理，采用雙目視差算法對物體進行立體顯示，利用OpenGL生sheng成cheng立li體ti圖tu像xiang對dui，並bing借jie助zhu紅hong綠lv濾lv光guang眼yan鏡jing觀guan察cha
，得de到dao了le較jiao好hao的de立li體ti視shi覺jiao效xiao果guo。立li體ti顯xian示shi技ji術shu的de引yin入ru增zeng強qiang了le人ren在zai虛xu擬ni環huan境jing中zhong的de沉chen浸jin感gan，可ke廣guang泛fan應ying用yong於yu建jian築zhu物wu和he視shi景jing漫man遊you、虛擬戰爭演練場和各種模擬訓練等多種場合。