光柵立體圖像 視覺(jué)新魅力

雷跳+陳娜+馬先鐸+章小春

光柵立體印刷通過(guò)使用光柵板而使經(jīng)過(guò)立體處理的平面圖像再現(xiàn)立體感。由于光柵立體印刷品具有真實(shí)立體感或動(dòng)畫(huà)、異變等效果，相對(duì)傳統(tǒng)印刷品，其更具視覺(jué)沖擊力和吸引力，而且經(jīng)過(guò)立體處理后的線(xiàn)狀像素合成圖像相當(dāng)于進(jìn)行了光學(xué)加密處理，具有良好的防偽效果。因此，光柵技術(shù)已廣泛應(yīng)用于酒包裝防偽設(shè)計(jì)，如五糧液應(yīng)用的版紋防偽，便是一種典型的光柵技術(shù)，不僅起到很好的防偽作用，還能提升酒的附加值。

3DMAX是模型建構(gòu)、動(dòng)畫(huà)制作、虛擬設(shè)計(jì)的主流軟件，其功能強(qiáng)大，通過(guò)構(gòu)建模型，可以生成立體視覺(jué)環(huán)境。本文將重點(diǎn)介紹基于3DMAX三維模型的光柵立體圖像的生成，期望為光柵技術(shù)更好地應(yīng)用于酒包裝防偽提供更多新思路。

光柵立體圖像立體成像原理

光柵立體圖像根據(jù)雙眼立體視覺(jué)的生理特性，將模擬雙眼視差的序列視差圖像抽條、合成后通過(guò)光柵板立體再現(xiàn)。

1.立體視覺(jué)

雙眼瞳孔之間在水平方向上有一定距離，在觀看物體時(shí)與物體之間會(huì)形成一定的夾角，所以，物體在左右兩眼視網(wǎng)膜上的成像不完全一樣，即雙眼視差。如圖1所示，當(dāng)觀看F點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)會(huì)分別在左右兩眼的視網(wǎng)膜f與f′的位置成像。而比F點(diǎn)距離遠(yuǎn)的E點(diǎn)和比F距離近的G點(diǎn)分別在e、e′和g、g′的位置成像。顯然，E、F、G這三點(diǎn)在左右兩眼的視網(wǎng)膜上成像的幾何位置不同，于是大腦綜合分析左右兩眼得到的不同影像之后，就會(huì)產(chǎn)生縱深感。一般用α、β、γ表示會(huì)聚角（輻輳角），用（β-α）、（γ-α）表示相應(yīng)的視差角。物體在左右兩眼所形成的圖像在一定的視差范圍內(nèi)能很好地融合成一體，構(gòu)成深度和位置的信息，于是人們便產(chǎn)生立體視覺(jué)感。

2.立體再現(xiàn)

當(dāng)人眼直接觀看光柵立體圖像時(shí)，只能看到模糊不清的豎狀條紋影像，只有經(jīng)過(guò)相應(yīng)光柵板的折射分像，才能再現(xiàn)立體效果。

光柵板是由多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能完全相同的柱透鏡通過(guò)線(xiàn)性排列組成的透明塑料板。柱透鏡的一面是曲面，另一面是平面，在柱透鏡相互排列的水平方向上，每一個(gè)柱透鏡均相當(dāng)于會(huì)聚透鏡，起到成像作用，其平面為焦平面。

光柵立體圖像位于光柵板的焦平面上，圖像上的任一點(diǎn)經(jīng)柱透鏡折射后形成平行光束，以柱透鏡的光軸為對(duì)稱(chēng)中心，光軸左側(cè)的光線(xiàn)經(jīng)折射后形成一束平行光向右側(cè)折射，形成左視圖，光軸右側(cè)的光線(xiàn)經(jīng)折射后形成一束平行光向左側(cè)折射，形成右視圖。這兩束平行光相互獨(dú)立，互不干擾，形成的左右視圖分別進(jìn)入左右眼睛，經(jīng)大腦融合便產(chǎn)生具有縱深感的立體圖像。

基于3DMAX三維模型的光柵立體圖像的生成

基于3DMAX三維模型通過(guò)虛擬立體攝影獲取序列視差圖像，并將其抽條、合成處理為光柵立體圖像后輸出在光柵板上，從而實(shí)現(xiàn)圖像的自由立體再現(xiàn)。

1. 獲取序列視差圖像

通過(guò)在3DMAX中虛擬立體攝影，設(shè)定虛擬相機(jī)線(xiàn)列，獲取序列視差圖像。虛擬立體攝影關(guān)鍵技術(shù)主要有：立體攝影方式的選擇、立體攝影鏡間距的計(jì)算以及虛擬相機(jī)的參數(shù)設(shè)定等。

（1）立體攝影方式

立體攝影方式主要有會(huì)聚法和平行法兩種。

會(huì)聚法是將相機(jī)以被攝物中心點(diǎn)為圓心做小段的圓弧移動(dòng)，每隔相同的夾角進(jìn)行拍攝，照相機(jī)的光軸始終對(duì)著被攝物中心。會(huì)聚法得到的圖像效果更接近于人眼觀察的效果，攝取的立體圖像也比較圓潤(rùn)、清晰，有較強(qiáng)的真實(shí)感和立體感。但會(huì)聚法立體攝影方式會(huì)因?yàn)楣廨S沒(méi)有和被攝物體所在的平面垂直，從而產(chǎn)生梯形失真現(xiàn)象。梯形失真使人眼對(duì)物點(diǎn)產(chǎn)生垂直視差，從而造成視覺(jué)干擾，梯形失真一般只會(huì)影響到圖像的邊緣兩側(cè)，對(duì)中心主體部位的影響不大。因此，會(huì)聚法適合拍攝主體物體較為集中的三維場(chǎng)景。

平行法是相機(jī)進(jìn)行平行移動(dòng)，進(jìn)行等間距拍攝，相機(jī)的光軸始終垂直于被攝物體所在平面。平行移動(dòng)法拍攝過(guò)程中不需要旋轉(zhuǎn)相機(jī)鏡頭，鏡頭始終與被攝物所在平面垂直，從而避免了梯形失真現(xiàn)象。但采用平行法時(shí)相鄰圖幅重疊區(qū)域較小，因此立體視區(qū)容易受到限制。

（2）立體攝影鏡間距

立體攝影鏡間距決定著立體圖像空間前后縱長(zhǎng)的深度，影響著立體影像與原景物空間的比例關(guān)系，并與立體視覺(jué)是否舒適有關(guān)，因此必須采用規(guī)定的計(jì)算公式，通過(guò)仔細(xì)的計(jì)算才能確定。

（3）3DMAX三維建模

利用3DMAX進(jìn)行三維建模首先應(yīng)先進(jìn)行三維場(chǎng)景布局，再建立場(chǎng)景中的各種模型，然后添加燈光和材質(zhì)，最后渲染輸出。

三維場(chǎng)景布局要符合立體攝影的基本要求。三維場(chǎng)景的色彩和空間層次應(yīng)多樣化，使立體影像效果更加明顯、豐富。立體攝影著重于空間與層次的再現(xiàn)，因此在采光時(shí)應(yīng)以自然光為主，而非人為布光，以制造強(qiáng)烈的明暗對(duì)比，強(qiáng)化被拍物體的立體效果。

（4）3DMAX中照相機(jī)的使用

完成三維建模之后模擬雙眼立體視覺(jué)，需要將該三維場(chǎng)景進(jìn)行投射或移動(dòng)，以得到序列視差圖像。3DMAX提供了照相機(jī)對(duì)象，其能夠簡(jiǎn)化投影過(guò)程。

①度量單位

由于3DMAX中高級(jí)光照特性是使用真實(shí)世界尺寸進(jìn)行計(jì)算的，其要求建立的模型與真實(shí)世界的尺寸一致。因此，可以利用3DMAX對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬，對(duì)圓弧法和平移法立體攝影進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，借助3DMAX軟件平臺(tái)得到序列視差圖像。

②照相機(jī)對(duì)象

在3DMAX中可以生成照相機(jī)對(duì)象（目標(biāo)照相機(jī)和自由照相機(jī)），其作用與真實(shí)世界的照相機(jī)一樣，用于記錄靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的圖像。

照相機(jī)在創(chuàng)建后就被指定了默認(rèn)的參數(shù)，包括：鏡頭，視野和目標(biāo)參數(shù)，鏡頭和視野是相關(guān)的，即改變鏡頭焦距，照相機(jī)視野也會(huì)隨之改變。人眼所能聚焦的角度是48°，立體攝影是利用相機(jī)模擬人眼對(duì)物體的觀看模式進(jìn)行拍攝。為了生成更符合人眼視覺(jué)的立體圖像，一般選用與人眼視角48°最為相近的50mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭進(jìn)行拍攝。目標(biāo)距離指照相機(jī)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，在鏡頭確定的情況下，可通過(guò)改變目標(biāo)距離來(lái)獲取合適的立體場(chǎng)景。

③渲染輸出

渲染輸出時(shí)根據(jù)立體圖像像素總數(shù)來(lái)設(shè)置相應(yīng)的渲染像素總數(shù)。

2.序列視差圖像抽樣、合成光柵立體圖像

如圖2所示，將序列視差圖像同名點(diǎn)進(jìn)行匹配后，間隔抽樣、合成光柵立體圖像，合成時(shí)須逆序排列，同時(shí)使每一組抽樣條充滿(mǎn)一個(gè)光柵柵距。對(duì)序列視差圖像進(jìn)行抽樣時(shí)，一般以像素為單位。另外，為了保證生成光柵立體圖像與光柵板的精確匹配，序列視差圖像的分辨率設(shè)定為柱鏡光柵分辨率的N倍，一般取8≤N≤24。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用實(shí)際分辨率為75.55lpi的光柵板。由于主體模型占據(jù)了整個(gè)立體場(chǎng)景，因此選擇平行法立體攝影方式。在3DMAX中照相機(jī)鏡頭設(shè)定為50mm，測(cè)得目標(biāo)距離為590m，通過(guò)計(jì)算，立體攝影鏡間距設(shè)定為11.8m，依次平行設(shè)置8臺(tái)照相機(jī)，如圖3所示。

光柵立體圖像尺寸為28×12cm，渲染設(shè)定像素總數(shù)為7000×3000個(gè)，批量渲染輸出后得到8幅序列視差圖像（如圖4）。

在Photoshop軟件中設(shè)定序列視差圖像的分辨率為光柵板分辨率的8倍（604.4lpi），依次抽樣組合為數(shù)字光柵立體圖像，如圖5所示。將數(shù)字光柵立體圖像采用EPSON R2880打印機(jī)直接打印在涂有吸收層的75.55lpi光柵板上，便可獲得富有立體感的光柵立體圖像。

基于3DMAX三維模型采用虛擬立體攝影方式生成序列視差圖像，再經(jīng)抽樣、合成輸出到光柵板上，經(jīng)光柵折射分像再現(xiàn)立體感，實(shí)驗(yàn)證明具有良好的可行性。在光柵板上獲得立體視覺(jué)效果，用戶(hù)不通過(guò)顯示器便可獲得三維模型的立體視覺(jué)效果，不僅擴(kuò)大了3DMAX的應(yīng)用領(lǐng)域，更重要的是為光柵立體圖像的生成提供了一條有效途徑。endprint