基于移動(dòng)設(shè)備的圖像體視化系統(tǒng)

趙作林，黃心淵

（北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100083）

立體顯示技術(shù)作為當(dāng)今一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)受到越來越多的重視，各國(guó)科研人員研究出多種立體顯示方法，極大地豐富了人們的視覺體驗(yàn)[1-2]。一般立體顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大多都基于計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)屏幕上展示效果[3]。但是由于計(jì)算機(jī)不易移動(dòng)的特點(diǎn)，大大降低了其便攜性和可操控性。因此，有必要在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行立體顯示技術(shù)的相關(guān)研究，提高其靈活方便的特性，便于實(shí)時(shí)地進(jìn)行即時(shí)性立體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而為科學(xué)研究和實(shí)地應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)單宜行的解決方案。

本文將設(shè)計(jì)一個(gè)基于Android平臺(tái)的圖像體視化系統(tǒng)，通過紅藍(lán)互補(bǔ)色眼鏡，實(shí)現(xiàn)圖像的立體顯示，使用戶可以通過移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地體驗(yàn)立體圖像。

1 立體視覺原理

根據(jù)研究，人眼在感知一個(gè)三維對(duì)象時(shí)，由于兩只眼睛的位置在水平上略有距離，所以觀測(cè)到的物體圖像也是略有差別的，因此通過視覺神經(jīng)傳遞到大腦進(jìn)行分析，可以感受到物體三維深度的變化，這就是立體視覺的原理。如果左右眼分別獨(dú)立地看到兩幅不同位置的圖像，就可以感受到立體空間感。通過紅藍(lán)眼鏡觀察圖像的立體效果采用的是濾色的方式來分開圖片，因此也被稱為分色技術(shù)，用戶帶上紅藍(lán)眼鏡后，左右眼分別只能看到圖像的左片和右片，從而產(chǎn)生立體視覺。

2 生成體視圖像的方法[4-5]

對(duì)于圖像，在讀取圖像數(shù)據(jù)后，要對(duì)其圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，通過平移、柱面投影變換、球面投影變換，得到體視化圖像，然后通過互補(bǔ)色體視生成方法將變換得到的圖像對(duì)進(jìn)行合成，從而生成需要的立體圖像[2]。

2.1 平移方法

把一幅圖像分成奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)，假設(shè)奇數(shù)場(chǎng)為右通道，即右眼，偶數(shù)場(chǎng)為左通道，即左眼（下述兩種方法同理）。由于模擬的是負(fù)視差情形，因此成像點(diǎn)投影到平面的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)右眼場(chǎng)景向左偏、左眼場(chǎng)景向右偏的情況，在這里將奇數(shù)場(chǎng)向左平移P/2像素（P為水平視差），偶數(shù)場(chǎng)向右平移P/2像素，如圖1所示，從而得到兩幅圖像，形成了稍有差異的體視圖像對(duì)。

景深感隨著偏移距離的增加而增強(qiáng)，但當(dāng)偏移距離超出有效的區(qū)域，人的雙眼便不能將奇偶數(shù)場(chǎng)結(jié)合到一起。經(jīng)過多次測(cè)試，當(dāng)像素的偏移量超過圖像寬度（width）的5%的時(shí)候，人眼便不能很好地觀察到體視效果，從而得出水平時(shí)差與圖像寬度的關(guān)系公式，即P≤width×5%。

2.2 柱面投影方法

一幅平面圖像，分別通過左右眼視線投射到半圓柱面形狀的投影面上，得到兩幅圖像，組成體視圖像對(duì)，如圖2所示。

由于雙眼的垂直視差為零，并且半圓柱在y軸方向與成像面每行像素之間的垂直距離均相同，所以對(duì)于左（右）眼視圖來說，只需記錄雙眼對(duì)成像面中一行像素在半圓柱面上的投影點(diǎn)，其余行在半圓柱面上的投影點(diǎn)與其相同就可以。

設(shè)柱面投射到xoz面的方程為

式中：width是成像面的寬度，r是柱面橫截面的短半徑，d是成像面到柱面前凸面最近點(diǎn)的垂直距離。處理圖像平面的方程為

左右眼坐標(biāo)方程分別為

式中：pz是兩視點(diǎn)距離。左視點(diǎn)對(duì)應(yīng)奇數(shù)場(chǎng)（偶數(shù)場(chǎng)）投影后所得點(diǎn)x，坐標(biāo)為

式中，h是投影前圖像上一點(diǎn)的x坐標(biāo)值，0≤h＜width。

根據(jù)式（5），可求得在柱面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。為了取直線與半圓柱面的前凸面交點(diǎn)坐標(biāo)，在h≤Xl時(shí)，公式取“+”號(hào)，h＞Xl時(shí)，公式取“-”號(hào)。

同理可求得右視點(diǎn)在柱面上對(duì)圖像的偶數(shù)場(chǎng)（奇數(shù)場(chǎng)）的投影點(diǎn)，從而得到柱面投影的體視圖像對(duì)。

2.3 球面投影方法

球面投影的原理和柱面投影基本相同。原理圖見圖3，由于雙眼的垂直視差為零，并且半圓柱在y軸方向與成像面每行像素之間的垂直距離均相同，所以對(duì)于左（右）眼視圖來說，設(shè)球面方程為

式中：width是成像面寬度，r是球面半徑。

成像面投影到xoz面是以原點(diǎn)為起點(diǎn)的x軸上一段長(zhǎng)為width的直線，在xoy面是以原點(diǎn)為左下角的矩形，即

左右眼坐標(biāo)方程分別為

式中：pz是兩視點(diǎn)距離，y'是成像面像素點(diǎn)的y坐標(biāo)。左視點(diǎn)對(duì)奇數(shù)場(chǎng)（偶數(shù)場(chǎng)）投影后所得點(diǎn)x坐標(biāo)同式（5），只是在c的取值上有所不同，即

根據(jù)式（5），同樣可求得在球面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。為了取直線與球面的前凸面交點(diǎn)坐標(biāo)，在h≤Xl時(shí)，公式取“+”號(hào)，h＞Xl時(shí)，公式取“-”號(hào)。

同樣可求得右眼視線對(duì)于圖像在球面上的投影點(diǎn)，分別取兩幅圖像的奇偶行進(jìn)行合成，即可得到體視圖像。

2.4 互補(bǔ)色體視生成方法介紹

上面所述3種方法，都是在原圖的基礎(chǔ)上，生成另一副圖像，組成圖像對(duì)。在組成圖像對(duì)后，還要通過Alpha透明圖像合成的方法，將圖像對(duì)合成為體視圖像，方可通過紅綠眼鏡觀看到立體效果。

通過把圖像對(duì)分別只保留紅色和綠色通道，然后進(jìn)行Alpha透明圖像合成。圖像合成技術(shù)很重要，其實(shí)質(zhì)是將兩幅或兩幅以上的圖像信息融合在一起，在進(jìn)行圖像合成的時(shí)候可以采用Alpha值的方法，Alpha透明圖像合成的方法介紹如下。

合成圖像的各點(diǎn)像素值是由用來制作合成圖的兩張圖像相應(yīng)點(diǎn)的像素值按一定比例混合而成的，這個(gè)比例由Alpha值決定，具體計(jì)算公式如

式中：Pixel1ValR/G/B代表圖像1的當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值；Pixel2ValR/G/B代表圖像2的當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值；Alpha的取值范圍從0到255，表示兩個(gè)像素在最終合成的結(jié)果中所占的權(quán)重，通過修改Alpha的值，就可以改變合成后的圖像中用來合成的兩張圖像各自所占的比值，改變合成后的顯示效果。

3 移動(dòng)設(shè)備上體視技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，JDK版本為6.0，Android SDK版本為3.2。系統(tǒng)的整體框架圖如圖4所示。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

1）平移方法代碼如下：

2）柱面投影方法及球面投影方法代碼。

柱面投影的原理和球面投影基本相同，所以只列出相對(duì)較復(fù)雜的球面投影的代碼，代碼如下：

通過平移方法、柱面投影方法及球面投影方法生成的立體圖像如圖5、圖6、圖7所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3種方法生成的體視化圖像，通過互補(bǔ)色眼鏡觀看雖然都能夠產(chǎn)生立體效果，但是效果略有不同。平移方法可以產(chǎn)生一定的景深感，柱面和球面變換方法可以解決水平觀察和非水平觀察的問題。通過平移方法產(chǎn)生的圖像對(duì)光軸平行，在遠(yuǎn)處沒有聚焦點(diǎn)，所以生成的體視圖像在觀察位置水平移動(dòng)或者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，都不能正確對(duì)焦，體視化效果較差。柱面投影方法和球面投影方法，光軸不再平行，而是交于屏幕前或后一點(diǎn)，兩眼觀察有重疊區(qū)域，這樣得到的體視圖像有聚焦點(diǎn)，觀察效果較好。

4 結(jié)束語

本文通過理論知識(shí)支撐與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方法，闡明了體視化圖像生成的相關(guān)技術(shù)及原理，從而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)設(shè)備的圖像體視化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于移動(dòng)設(shè)備的圖像體視化技術(shù)方法具有使用簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，其體視效果明顯，易于觀察，對(duì)于體視技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用和研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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