基于3DMAX的自由立體顯示功能實(shí)現(xiàn)

摘 要

本文基于列插合成模式的自由立體顯示的基本原理并結(jié)合3DMAX插件體系，在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了3DMAX的立體顯示功能，并詳細(xì)闡述了立體攝像機(jī)創(chuàng)建過(guò)程，同時(shí)也分析了立體攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)與立體深度對(duì)其產(chǎn)生的影響，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)效果與應(yīng)用前景等進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】3DMAX立體顯示功能立體攝像機(jī)

自由立體顯示器是在軟件技術(shù)和攝影技術(shù)支持下，利用人的視差因素來(lái)分別截取左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片，然后通過(guò)同時(shí)投射到顯示屏上利用光電設(shè)備把左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片分別送入人的左右眼，3DMAX是目前主流的模型建構(gòu)、動(dòng)畫制作、虛擬設(shè)計(jì)軟件，所以將自由立體顯示功能引入到3DMAX可以幫助用戶獲得三維模型的立體視覺(jué)效果。

1 立體視差尺度和深度感分析

圖1是立體視差尺度和深度感的研究示意圖，投射在顯示屏幕上的實(shí)際物體位置A相對(duì)應(yīng)的位置分別是LA和RA，我們可以很直觀的觀察到在LA和RA的左邊有一個(gè)很明顯的水平位差，而在實(shí)際中我們的眼睛就是通過(guò)這個(gè)位差信息來(lái)確定實(shí)際物體存在于屏幕中，同時(shí)也為人營(yíng)造一種立體深度的感覺(jué)而形成三維立體圖像內(nèi)景。實(shí)際物體的位置B點(diǎn)在相對(duì)于立體圖片上的位置分別是LB和RB，由于實(shí)際物體的位置B點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的LB是位于RB的右方，所以在實(shí)際中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的水平位差，而我們也是通過(guò)這個(gè)位差的信息來(lái)確定實(shí)際物體的位置B是在屏幕外面，因此在實(shí)際運(yùn)用中通過(guò)產(chǎn)生負(fù)立體深度來(lái)形成三位立體圖像的前景。通過(guò)圖1對(duì)立體視差尺度和深度感之間關(guān)系的研究我們可以在深度為T、尺度s、觀看距離l及瞳距d的情況下，將立體視覺(jué)差尺度和深度感之間的管理表達(dá)式設(shè)定為T=sl（d-s），從表達(dá)式中我們可以明確正位差產(chǎn)生的深度要大于負(fù)位差產(chǎn)生的深度?？茖W(xué)理論認(rèn)為人的裸眼所能承受的屏幕上最大的水平位差是和雙眼瞳距基本相等，但是如果要在顯示器上來(lái)實(shí)現(xiàn)這一理論這會(huì)直接導(dǎo)致立體深度增大，而當(dāng)眼睛在瀏覽顯示器時(shí)會(huì)受到位差因素的影響使其聚焦在不同的深度，這樣會(huì)使眼睛在對(duì)顯示器進(jìn)行瀏覽的過(guò)程中出現(xiàn)疲勞度，所以水平位差在實(shí)際上要略小與眼睛的瞳距距離，所以在正常情況下在視力進(jìn)行聚焦不大于2s時(shí)眼睛可以承受51o左右的張角。

2 立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置

基于3DMAX的自由立體顯示功能在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置是最為重要的環(huán)節(jié)，常見(jiàn)立體攝像機(jī)是由2臺(tái)基本參數(shù)相同的攝像機(jī)構(gòu)成，而在3DMAX軟件中的空間取景是需要通過(guò)立體攝像機(jī)來(lái)完成，所以本文中實(shí)現(xiàn)自由立體顯示功能是采用了列插合成模式的立體顯示技術(shù)，并且在設(shè)置過(guò)程中要求2臺(tái)攝像機(jī)要的立體圖片只能有水平位差。透視投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要保持2攝像機(jī)拍攝方向的平行，確定2臺(tái)攝像機(jī)在拍攝過(guò)程中的x軸都要在一個(gè)平面上，2臺(tái)攝像機(jī)之間的相互距離為t是立體攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，針對(duì)正交投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要將2臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，同時(shí)也要保證2臺(tái)攝像機(jī)在實(shí)際使用中的x軸要保持在同一個(gè)平面上。

3DMAX規(guī)定的空間體系中由矩形代表空間對(duì)象在坐標(biāo)系中的位置，所以在立體攝像機(jī)建立過(guò)程中可以將原來(lái)的攝像機(jī)作為其左攝像機(jī)，左攝像機(jī)的CL-nodeTM矩陣及其對(duì)應(yīng)目標(biāo)的CL-nodeTM矩陣便可以實(shí)現(xiàn)，右攝像機(jī)的獲得是整個(gè)立體攝像機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在構(gòu)建立體攝像機(jī)時(shí)必須構(gòu)建夠攝像機(jī)的CR-nodeTM矩陣及其CR-nodeTM目標(biāo)矩陣。透視投射的立體攝像機(jī)中的右攝像機(jī)的位置矩陣可以在左攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)取得，如圖2。

那么我們?cè)谟覕z像機(jī)實(shí)際建立中的坐標(biāo)系空間位置矩陣為：CR-nodeTMR=PTMRCL-nodeTML。正交投射的立體攝像機(jī)中右攝像機(jī)的目標(biāo)矩陣可以在做攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)獲得，如圖3。

在這個(gè)公式中的d是左攝像機(jī)到目標(biāo)的距離，因此我們可以判斷右攝像機(jī)在坐標(biāo)系中位置矩陣為：CR-nodeTMR=OTMRCL-nodeTML，而且在實(shí)際使用中的左攝像機(jī)目標(biāo)和右攝像機(jī)目標(biāo)在坐標(biāo)系中的方位是相同的。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中需要進(jìn)行3-D場(chǎng)景到視口的映視過(guò)程，這便需要將坐標(biāo)系中的先是對(duì)象通過(guò)技術(shù)手段變成攝像機(jī)的坐標(biāo)系，然后在攝像機(jī)中將其轉(zhuǎn)換成視口上的2-D圖像，在實(shí)際操作中要適當(dāng)調(diào)整立體攝像機(jī)中左攝像機(jī)和右攝像機(jī)的位置關(guān)系，這樣才能實(shí)現(xiàn)立體顯示內(nèi)容在實(shí)際中的深度不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而保證前景及內(nèi)景的位差在實(shí)際上不會(huì)超出眼睛可以承受的尺度極限。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中要獲取立體顯示對(duì)象的3-D模型尺度，并要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段立體攝像機(jī)可以完成對(duì)應(yīng)投射變換，這樣才能在實(shí)際使用中得到顯示對(duì)象上與2個(gè)攝像機(jī)的正負(fù)位差的極限值，并使用所對(duì)應(yīng)的公式來(lái)計(jì)算出立體攝像機(jī)中立體圖像的深度。

3 創(chuàng)建縮移視口

基于列插合成模式的自由立體顯示的合成圖像是由立體顯示器硬件作為支撐，將顯示屏上左右分置的兩幅圖片通過(guò)列插合成技術(shù)將其投射到顯示屏上，這樣會(huì)使左右攝像機(jī)在實(shí)際使用中創(chuàng)建的立體圖片需要對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行縮小變形處理，同時(shí)只有左右攝像機(jī)視口的顯示內(nèi)容必須具有水平移動(dòng)功能，這樣才能滿足立體攝像機(jī)調(diào)整立體圖像的前景和內(nèi)景深度的需求，而且立體攝像機(jī)這種水平移動(dòng)與同步移動(dòng)攝像機(jī)及其目標(biāo)所實(shí)現(xiàn)的平移是存在本質(zhì)差異的，這事因?yàn)榱Ⅲw攝像機(jī)需要將視口平面點(diǎn)的x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成x/2+c，y坐標(biāo)不變，并且確定c為立體攝像機(jī)的平移量。根據(jù)基于3DMAX的自由立體顯示功能這一特性可以利用兩種方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，首先我們可以通過(guò)更新攝像機(jī)投射矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)視口平面移動(dòng)，MAXSDK提供的Graphics Window可以同步更新攝像機(jī)視矩陣和投射矩陣，同時(shí)我們也可以通過(guò)創(chuàng)建縮移視口來(lái)滿足立體攝像機(jī)需求，創(chuàng)建縮移視口的根據(jù)是可以更新世界空間到攝像機(jī)空間的變換矩陣。3DMAX中的MAXSDK的功能沒(méi)有提供直接實(shí)現(xiàn)視口收縮平移的手段，但是其在設(shè)置過(guò)程中允許通過(guò)改變視矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)縮移視口的目標(biāo)。

4 基于3DMAX的自由立體顯示功能的效果

本文按照以上思路完成了基于3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能進(jìn)行一系列測(cè)試，在常規(guī)Camera-L和Camera-R視圖中發(fā)現(xiàn)模型的左手在最前、右腳在最后，但是正常的立體顯示效果應(yīng)該是左手和頭部構(gòu)成前景，而雙腳在實(shí)際上應(yīng)該在顯示屏內(nèi)而構(gòu)成內(nèi)景，所以本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)模型的左手右腳在實(shí)際上構(gòu)成了負(fù)位差，這樣會(huì)導(dǎo)致用戶在使用中雙眼出現(xiàn)嚴(yán)重的不適感。但是本文研制出的自由立體顯示器的立體視覺(jué)效果相對(duì)較好，并有效解決了在3DMAX中實(shí)現(xiàn)基于列插合成模式的立體顯示功能問(wèn)題，同時(shí)本文也認(rèn)為自由立體顯示技術(shù)是未來(lái)顯示技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

自由立體顯示技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究?jī)?nèi)容涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、心理生理學(xué)、加工制造技術(shù)等，立體顯示技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)非常熱門的研究方向，一旦得以廣泛推廣必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文文，杜江.3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[2]范德超.基于3DMAX的自由立體顯示功能實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2010.

[3]王元慶.基于LCD的自由立體顯示技術(shù)[J].液晶與顯示，2013.

作者簡(jiǎn)介

唐學(xué)軍，大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為新疆工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。主研領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)基礎(chǔ)、多媒體制作。

作者單位

新疆工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830013endprint

摘 要

本文基于列插合成模式的自由立體顯示的基本原理并結(jié)合3DMAX插件體系，在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了3DMAX的立體顯示功能，并詳細(xì)闡述了立體攝像機(jī)創(chuàng)建過(guò)程，同時(shí)也分析了立體攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)與立體深度對(duì)其產(chǎn)生的影響，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)效果與應(yīng)用前景等進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】3DMAX立體顯示功能立體攝像機(jī)

自由立體顯示器是在軟件技術(shù)和攝影技術(shù)支持下，利用人的視差因素來(lái)分別截取左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片，然后通過(guò)同時(shí)投射到顯示屏上利用光電設(shè)備把左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片分別送入人的左右眼，3DMAX是目前主流的模型建構(gòu)、動(dòng)畫制作、虛擬設(shè)計(jì)軟件，所以將自由立體顯示功能引入到3DMAX可以幫助用戶獲得三維模型的立體視覺(jué)效果。

1 立體視差尺度和深度感分析

圖1是立體視差尺度和深度感的研究示意圖，投射在顯示屏幕上的實(shí)際物體位置A相對(duì)應(yīng)的位置分別是LA和RA，我們可以很直觀的觀察到在LA和RA的左邊有一個(gè)很明顯的水平位差，而在實(shí)際中我們的眼睛就是通過(guò)這個(gè)位差信息來(lái)確定實(shí)際物體存在于屏幕中，同時(shí)也為人營(yíng)造一種立體深度的感覺(jué)而形成三維立體圖像內(nèi)景。實(shí)際物體的位置B點(diǎn)在相對(duì)于立體圖片上的位置分別是LB和RB，由于實(shí)際物體的位置B點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的LB是位于RB的右方，所以在實(shí)際中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的水平位差，而我們也是通過(guò)這個(gè)位差的信息來(lái)確定實(shí)際物體的位置B是在屏幕外面，因此在實(shí)際運(yùn)用中通過(guò)產(chǎn)生負(fù)立體深度來(lái)形成三位立體圖像的前景。通過(guò)圖1對(duì)立體視差尺度和深度感之間關(guān)系的研究我們可以在深度為T、尺度s、觀看距離l及瞳距d的情況下，將立體視覺(jué)差尺度和深度感之間的管理表達(dá)式設(shè)定為T=sl（d-s），從表達(dá)式中我們可以明確正位差產(chǎn)生的深度要大于負(fù)位差產(chǎn)生的深度?？茖W(xué)理論認(rèn)為人的裸眼所能承受的屏幕上最大的水平位差是和雙眼瞳距基本相等，但是如果要在顯示器上來(lái)實(shí)現(xiàn)這一理論這會(huì)直接導(dǎo)致立體深度增大，而當(dāng)眼睛在瀏覽顯示器時(shí)會(huì)受到位差因素的影響使其聚焦在不同的深度，這樣會(huì)使眼睛在對(duì)顯示器進(jìn)行瀏覽的過(guò)程中出現(xiàn)疲勞度，所以水平位差在實(shí)際上要略小與眼睛的瞳距距離，所以在正常情況下在視力進(jìn)行聚焦不大于2s時(shí)眼睛可以承受51o左右的張角。

2 立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置

基于3DMAX的自由立體顯示功能在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置是最為重要的環(huán)節(jié)，常見(jiàn)立體攝像機(jī)是由2臺(tái)基本參數(shù)相同的攝像機(jī)構(gòu)成，而在3DMAX軟件中的空間取景是需要通過(guò)立體攝像機(jī)來(lái)完成，所以本文中實(shí)現(xiàn)自由立體顯示功能是采用了列插合成模式的立體顯示技術(shù)，并且在設(shè)置過(guò)程中要求2臺(tái)攝像機(jī)要的立體圖片只能有水平位差。透視投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要保持2攝像機(jī)拍攝方向的平行，確定2臺(tái)攝像機(jī)在拍攝過(guò)程中的x軸都要在一個(gè)平面上，2臺(tái)攝像機(jī)之間的相互距離為t是立體攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，針對(duì)正交投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要將2臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，同時(shí)也要保證2臺(tái)攝像機(jī)在實(shí)際使用中的x軸要保持在同一個(gè)平面上。

3DMAX規(guī)定的空間體系中由矩形代表空間對(duì)象在坐標(biāo)系中的位置，所以在立體攝像機(jī)建立過(guò)程中可以將原來(lái)的攝像機(jī)作為其左攝像機(jī)，左攝像機(jī)的CL-nodeTM矩陣及其對(duì)應(yīng)目標(biāo)的CL-nodeTM矩陣便可以實(shí)現(xiàn)，右攝像機(jī)的獲得是整個(gè)立體攝像機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在構(gòu)建立體攝像機(jī)時(shí)必須構(gòu)建夠攝像機(jī)的CR-nodeTM矩陣及其CR-nodeTM目標(biāo)矩陣。透視投射的立體攝像機(jī)中的右攝像機(jī)的位置矩陣可以在左攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)取得，如圖2。

那么我們?cè)谟覕z像機(jī)實(shí)際建立中的坐標(biāo)系空間位置矩陣為：CR-nodeTMR=PTMRCL-nodeTML。正交投射的立體攝像機(jī)中右攝像機(jī)的目標(biāo)矩陣可以在做攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)獲得，如圖3。

在這個(gè)公式中的d是左攝像機(jī)到目標(biāo)的距離，因此我們可以判斷右攝像機(jī)在坐標(biāo)系中位置矩陣為：CR-nodeTMR=OTMRCL-nodeTML，而且在實(shí)際使用中的左攝像機(jī)目標(biāo)和右攝像機(jī)目標(biāo)在坐標(biāo)系中的方位是相同的。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中需要進(jìn)行3-D場(chǎng)景到視口的映視過(guò)程，這便需要將坐標(biāo)系中的先是對(duì)象通過(guò)技術(shù)手段變成攝像機(jī)的坐標(biāo)系，然后在攝像機(jī)中將其轉(zhuǎn)換成視口上的2-D圖像，在實(shí)際操作中要適當(dāng)調(diào)整立體攝像機(jī)中左攝像機(jī)和右攝像機(jī)的位置關(guān)系，這樣才能實(shí)現(xiàn)立體顯示內(nèi)容在實(shí)際中的深度不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而保證前景及內(nèi)景的位差在實(shí)際上不會(huì)超出眼睛可以承受的尺度極限。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中要獲取立體顯示對(duì)象的3-D模型尺度，并要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段立體攝像機(jī)可以完成對(duì)應(yīng)投射變換，這樣才能在實(shí)際使用中得到顯示對(duì)象上與2個(gè)攝像機(jī)的正負(fù)位差的極限值，并使用所對(duì)應(yīng)的公式來(lái)計(jì)算出立體攝像機(jī)中立體圖像的深度。

3 創(chuàng)建縮移視口

基于列插合成模式的自由立體顯示的合成圖像是由立體顯示器硬件作為支撐，將顯示屏上左右分置的兩幅圖片通過(guò)列插合成技術(shù)將其投射到顯示屏上，這樣會(huì)使左右攝像機(jī)在實(shí)際使用中創(chuàng)建的立體圖片需要對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行縮小變形處理，同時(shí)只有左右攝像機(jī)視口的顯示內(nèi)容必須具有水平移動(dòng)功能，這樣才能滿足立體攝像機(jī)調(diào)整立體圖像的前景和內(nèi)景深度的需求，而且立體攝像機(jī)這種水平移動(dòng)與同步移動(dòng)攝像機(jī)及其目標(biāo)所實(shí)現(xiàn)的平移是存在本質(zhì)差異的，這事因?yàn)榱Ⅲw攝像機(jī)需要將視口平面點(diǎn)的x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成x/2+c，y坐標(biāo)不變，并且確定c為立體攝像機(jī)的平移量。根據(jù)基于3DMAX的自由立體顯示功能這一特性可以利用兩種方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，首先我們可以通過(guò)更新攝像機(jī)投射矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)視口平面移動(dòng)，MAXSDK提供的Graphics Window可以同步更新攝像機(jī)視矩陣和投射矩陣，同時(shí)我們也可以通過(guò)創(chuàng)建縮移視口來(lái)滿足立體攝像機(jī)需求，創(chuàng)建縮移視口的根據(jù)是可以更新世界空間到攝像機(jī)空間的變換矩陣。3DMAX中的MAXSDK的功能沒(méi)有提供直接實(shí)現(xiàn)視口收縮平移的手段，但是其在設(shè)置過(guò)程中允許通過(guò)改變視矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)縮移視口的目標(biāo)。

4 基于3DMAX的自由立體顯示功能的效果

本文按照以上思路完成了基于3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能進(jìn)行一系列測(cè)試，在常規(guī)Camera-L和Camera-R視圖中發(fā)現(xiàn)模型的左手在最前、右腳在最后，但是正常的立體顯示效果應(yīng)該是左手和頭部構(gòu)成前景，而雙腳在實(shí)際上應(yīng)該在顯示屏內(nèi)而構(gòu)成內(nèi)景，所以本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)模型的左手右腳在實(shí)際上構(gòu)成了負(fù)位差，這樣會(huì)導(dǎo)致用戶在使用中雙眼出現(xiàn)嚴(yán)重的不適感。但是本文研制出的自由立體顯示器的立體視覺(jué)效果相對(duì)較好，并有效解決了在3DMAX中實(shí)現(xiàn)基于列插合成模式的立體顯示功能問(wèn)題，同時(shí)本文也認(rèn)為自由立體顯示技術(shù)是未來(lái)顯示技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

自由立體顯示技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究?jī)?nèi)容涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、心理生理學(xué)、加工制造技術(shù)等，立體顯示技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)非常熱門的研究方向，一旦得以廣泛推廣必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文文，杜江.3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[2]范德超.基于3DMAX的自由立體顯示功能實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2010.

[3]王元慶.基于LCD的自由立體顯示技術(shù)[J].液晶與顯示，2013.

作者簡(jiǎn)介

唐學(xué)軍，大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為新疆工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。主研領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)基礎(chǔ)、多媒體制作。

作者單位

新疆工程學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830013endprint

摘 要

本文基于列插合成模式的自由立體顯示的基本原理并結(jié)合3DMAX插件體系，在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了3DMAX的立體顯示功能，并詳細(xì)闡述了立體攝像機(jī)創(chuàng)建過(guò)程，同時(shí)也分析了立體攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)與立體深度對(duì)其產(chǎn)生的影響，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)效果與應(yīng)用前景等進(jìn)行了討論。

【關(guān)鍵詞】3DMAX立體顯示功能立體攝像機(jī)

自由立體顯示器是在軟件技術(shù)和攝影技術(shù)支持下，利用人的視差因素來(lái)分別截取左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片，然后通過(guò)同時(shí)投射到顯示屏上利用光電設(shè)備把左視點(diǎn)圖片和右視點(diǎn)圖片分別送入人的左右眼，3DMAX是目前主流的模型建構(gòu)、動(dòng)畫制作、虛擬設(shè)計(jì)軟件，所以將自由立體顯示功能引入到3DMAX可以幫助用戶獲得三維模型的立體視覺(jué)效果。

1 立體視差尺度和深度感分析

圖1是立體視差尺度和深度感的研究示意圖，投射在顯示屏幕上的實(shí)際物體位置A相對(duì)應(yīng)的位置分別是LA和RA，我們可以很直觀的觀察到在LA和RA的左邊有一個(gè)很明顯的水平位差，而在實(shí)際中我們的眼睛就是通過(guò)這個(gè)位差信息來(lái)確定實(shí)際物體存在于屏幕中，同時(shí)也為人營(yíng)造一種立體深度的感覺(jué)而形成三維立體圖像內(nèi)景。實(shí)際物體的位置B點(diǎn)在相對(duì)于立體圖片上的位置分別是LB和RB，由于實(shí)際物體的位置B點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的LB是位于RB的右方，所以在實(shí)際中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的水平位差，而我們也是通過(guò)這個(gè)位差的信息來(lái)確定實(shí)際物體的位置B是在屏幕外面，因此在實(shí)際運(yùn)用中通過(guò)產(chǎn)生負(fù)立體深度來(lái)形成三位立體圖像的前景。通過(guò)圖1對(duì)立體視差尺度和深度感之間關(guān)系的研究我們可以在深度為T、尺度s、觀看距離l及瞳距d的情況下，將立體視覺(jué)差尺度和深度感之間的管理表達(dá)式設(shè)定為T=sl（d-s），從表達(dá)式中我們可以明確正位差產(chǎn)生的深度要大于負(fù)位差產(chǎn)生的深度?？茖W(xué)理論認(rèn)為人的裸眼所能承受的屏幕上最大的水平位差是和雙眼瞳距基本相等，但是如果要在顯示器上來(lái)實(shí)現(xiàn)這一理論這會(huì)直接導(dǎo)致立體深度增大，而當(dāng)眼睛在瀏覽顯示器時(shí)會(huì)受到位差因素的影響使其聚焦在不同的深度，這樣會(huì)使眼睛在對(duì)顯示器進(jìn)行瀏覽的過(guò)程中出現(xiàn)疲勞度，所以水平位差在實(shí)際上要略小與眼睛的瞳距距離，所以在正常情況下在視力進(jìn)行聚焦不大于2s時(shí)眼睛可以承受51o左右的張角。

2 立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置

基于3DMAX的自由立體顯示功能在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，立體攝像機(jī)的建立和參數(shù)配置是最為重要的環(huán)節(jié)，常見(jiàn)立體攝像機(jī)是由2臺(tái)基本參數(shù)相同的攝像機(jī)構(gòu)成，而在3DMAX軟件中的空間取景是需要通過(guò)立體攝像機(jī)來(lái)完成，所以本文中實(shí)現(xiàn)自由立體顯示功能是采用了列插合成模式的立體顯示技術(shù)，并且在設(shè)置過(guò)程中要求2臺(tái)攝像機(jī)要的立體圖片只能有水平位差。透視投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要保持2攝像機(jī)拍攝方向的平行，確定2臺(tái)攝像機(jī)在拍攝過(guò)程中的x軸都要在一個(gè)平面上，2臺(tái)攝像機(jī)之間的相互距離為t是立體攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，針對(duì)正交投射型攝像機(jī)在建立立體攝像機(jī)時(shí)要將2臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，同時(shí)也要保證2臺(tái)攝像機(jī)在實(shí)際使用中的x軸要保持在同一個(gè)平面上。

3DMAX規(guī)定的空間體系中由矩形代表空間對(duì)象在坐標(biāo)系中的位置，所以在立體攝像機(jī)建立過(guò)程中可以將原來(lái)的攝像機(jī)作為其左攝像機(jī)，左攝像機(jī)的CL-nodeTM矩陣及其對(duì)應(yīng)目標(biāo)的CL-nodeTM矩陣便可以實(shí)現(xiàn)，右攝像機(jī)的獲得是整個(gè)立體攝像機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在構(gòu)建立體攝像機(jī)時(shí)必須構(gòu)建夠攝像機(jī)的CR-nodeTM矩陣及其CR-nodeTM目標(biāo)矩陣。透視投射的立體攝像機(jī)中的右攝像機(jī)的位置矩陣可以在左攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)取得，如圖2。

那么我們?cè)谟覕z像機(jī)實(shí)際建立中的坐標(biāo)系空間位置矩陣為：CR-nodeTMR=PTMRCL-nodeTML。正交投射的立體攝像機(jī)中右攝像機(jī)的目標(biāo)矩陣可以在做攝像機(jī)建立的三維空間內(nèi)獲得，如圖3。

在這個(gè)公式中的d是左攝像機(jī)到目標(biāo)的距離，因此我們可以判斷右攝像機(jī)在坐標(biāo)系中位置矩陣為：CR-nodeTMR=OTMRCL-nodeTML，而且在實(shí)際使用中的左攝像機(jī)目標(biāo)和右攝像機(jī)目標(biāo)在坐標(biāo)系中的方位是相同的。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中需要進(jìn)行3-D場(chǎng)景到視口的映視過(guò)程，這便需要將坐標(biāo)系中的先是對(duì)象通過(guò)技術(shù)手段變成攝像機(jī)的坐標(biāo)系，然后在攝像機(jī)中將其轉(zhuǎn)換成視口上的2-D圖像，在實(shí)際操作中要適當(dāng)調(diào)整立體攝像機(jī)中左攝像機(jī)和右攝像機(jī)的位置關(guān)系，這樣才能實(shí)現(xiàn)立體顯示內(nèi)容在實(shí)際中的深度不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而保證前景及內(nèi)景的位差在實(shí)際上不會(huì)超出眼睛可以承受的尺度極限。立體攝像機(jī)在建立過(guò)程中要獲取立體顯示對(duì)象的3-D模型尺度，并要通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段立體攝像機(jī)可以完成對(duì)應(yīng)投射變換，這樣才能在實(shí)際使用中得到顯示對(duì)象上與2個(gè)攝像機(jī)的正負(fù)位差的極限值，并使用所對(duì)應(yīng)的公式來(lái)計(jì)算出立體攝像機(jī)中立體圖像的深度。

3 創(chuàng)建縮移視口

基于列插合成模式的自由立體顯示的合成圖像是由立體顯示器硬件作為支撐，將顯示屏上左右分置的兩幅圖片通過(guò)列插合成技術(shù)將其投射到顯示屏上，這樣會(huì)使左右攝像機(jī)在實(shí)際使用中創(chuàng)建的立體圖片需要對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行縮小變形處理，同時(shí)只有左右攝像機(jī)視口的顯示內(nèi)容必須具有水平移動(dòng)功能，這樣才能滿足立體攝像機(jī)調(diào)整立體圖像的前景和內(nèi)景深度的需求，而且立體攝像機(jī)這種水平移動(dòng)與同步移動(dòng)攝像機(jī)及其目標(biāo)所實(shí)現(xiàn)的平移是存在本質(zhì)差異的，這事因?yàn)榱Ⅲw攝像機(jī)需要將視口平面點(diǎn)的x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成x/2+c，y坐標(biāo)不變，并且確定c為立體攝像機(jī)的平移量。根據(jù)基于3DMAX的自由立體顯示功能這一特性可以利用兩種方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，首先我們可以通過(guò)更新攝像機(jī)投射矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)視口平面移動(dòng)，MAXSDK提供的Graphics Window可以同步更新攝像機(jī)視矩陣和投射矩陣，同時(shí)我們也可以通過(guò)創(chuàng)建縮移視口來(lái)滿足立體攝像機(jī)需求，創(chuàng)建縮移視口的根據(jù)是可以更新世界空間到攝像機(jī)空間的變換矩陣。3DMAX中的MAXSDK的功能沒(méi)有提供直接實(shí)現(xiàn)視口收縮平移的手段，但是其在設(shè)置過(guò)程中允許通過(guò)改變視矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)縮移視口的目標(biāo)。

4 基于3DMAX的自由立體顯示功能的效果

本文按照以上思路完成了基于3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)基于3DMAX的自由立體顯示功能進(jìn)行一系列測(cè)試，在常規(guī)Camera-L和Camera-R視圖中發(fā)現(xiàn)模型的左手在最前、右腳在最后，但是正常的立體顯示效果應(yīng)該是左手和頭部構(gòu)成前景，而雙腳在實(shí)際上應(yīng)該在顯示屏內(nèi)而構(gòu)成內(nèi)景，所以本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)模型的左手右腳在實(shí)際上構(gòu)成了負(fù)位差，這樣會(huì)導(dǎo)致用戶在使用中雙眼出現(xiàn)嚴(yán)重的不適感。但是本文研制出的自由立體顯示器的立體視覺(jué)效果相對(duì)較好，并有效解決了在3DMAX中實(shí)現(xiàn)基于列插合成模式的立體顯示功能問(wèn)題，同時(shí)本文也認(rèn)為自由立體顯示技術(shù)是未來(lái)顯示技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

自由立體顯示技術(shù)是許多相關(guān)學(xué)科域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究?jī)?nèi)容涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、心理生理學(xué)、加工制造技術(shù)等，立體顯示技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)非常熱門的研究方向，一旦得以廣泛推廣必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文文，杜江.3DMAX自由立體顯示功能的實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[2]范德超.基于3DMAX的自由立體顯示功能實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2010.

[3]王元慶.基于LCD的自由立體顯示技術(shù)[J].液晶與顯示，2013.

作者簡(jiǎn)介

唐學(xué)軍，大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為新疆工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。主研領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)基礎(chǔ)、多媒體制作。

作者單位

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