虛擬現實中立體顯示技術研究

　1 引言

　　虛擬現實(Virtual Reality)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、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境。立體顯示是虛擬現實的關鍵技術之一，它使人在虛擬世界里具有更強的沉浸感，立體顯示的引入可以使各種模擬器的仿真更加逼真。研究立體成像技術并利用現有的微機平臺，結合相應的軟硬件系統在平面顯示器上顯示立體視景。

　　2 立體視覺概述

　　據研究，人的大腦能從以下4個方面獲得深度(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，這里僅研究雙目視差線索。當用雙眼看同一景物時，由于左、右眼在空間所處位置不同，兩只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所示。具有視差的雙眼圖像經大腦融合，可產生含有立體深度信息的立體圖像。一般將雙目所見的一對具有視差的二維圖像稱為立體圖像對。若模仿產生這一對平面圖像，并采取技術措施，使左眼只能看見右邊的圖像，而右眼只能看見左邊的圖像，則人類的視覺系統就會融合該二維空間中一對稍有差別的圖像，從而生成具有立體感受的圖像。根據投影面、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。

　　3 雙中心投影算法

　　由以上研究可知，立體圖像對的產生是由于左、右眼觀察到的物體透視結果不同。因此在立體顯示的視景仿真中設置兩只虛擬的眼睛，一個獲取左眼的圖像，另一個獲取右眼的圖像，分別將左右眼的圖像傳送給相應的眼睛。因此。在立體顯示中，需要采用包含兩個視點的透視投影方法一雙中心投影算法。圖2為雙中心投影。

　　左視點Leye和右視點Reye均位于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)。投影平面平行于XY平面，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：
??
在投影平面上z=d，可得
??
將式(2)帶入式(1)得點P在投影平面的坐標(xr,yr)：
??
同理，點P和Leye的投影線在投影平面上的投影點坐標是：
??
可得水平視差：

　　由此可見，當zp>d時，0

　　4 OpenGL實現立體顯示

　　開放性圖形庫OpenGL(Open Graphic Library)是一個三維計算機圖形和模型庫。它獨立于操作系統和硬件環境，適用于從個人計算機到工作站的廣泛計算機環境。

　　OpenGL在三維真實感圖形制作中具有優秀的性能，用該圖形庫不僅能方便地制作出高質量的靜止彩色圖像，還能創造出高質量的動畫效果。借助Windows編程環境還可控制模型的人機交互。由于其開放性和高度的可重用性，目前已成為業界標準。

?　　4．1 立體圖像對的繪制

　　按上述投影算法計算出立體圖像對后，應用OpenGL繪制立體圖像對，分別用紅、綠兩種顏色繪制右眼和左眼的圖像。以一個變長為10 cm，中心點在原點的正方體為例，設兩視點間距離e為5 cm，投影面距高觀察者d為40 cm，考察正方體的一個頂點(5，5，5)，由上述投影算法可得：xr=32 cm，xl=48 cm，yl=yr=4040 cm，zr=zl=d=40 cm對8個頂點分別計算后，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]存儲右眼投影計算后坐標，數組translatevertexl[8][3]存儲左眼投影計算后的坐標，對相應的點進行投影計算：

　使用OpenGL的透視投影變換，需設置前后裁剪面到觀察者的距離及前裁剪面的寬度和高度等。前裁剪面的寬度用該寬度與高度的比值表示，取顯示窗口的寬度和高度之比。

double Near．Far；／／前后裁剪面距觀察者的距離
int ratio="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

　　計算右眼的視野范圍；

left=-ViewWidth2-0．5*e*0．3；
right=ViewWidth2-0．5*e*0．3；

　　投影并繪制模型：

glFrustum(left，right，bottom，top，Near，Far)；
glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)；／／使用右后緩存
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)；／／用紅色繪制
draw()；／／計算立體圖像對并繪制

　　同理繪制左眼的圖像，如圖3所示。

　　4．2 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。繪制一個緩存時，顯示另一個緩存中的內容。每繪制好一幀便交換緩存；這樣剛才被顯示的緩存被用來繪制，而用來繪制的緩存被顯示。這樣，當顯示器刷新時，緩存區進行交換，畫面就不會閃爍。

　　OpenGL也支持立體觀察，實現左顏色緩存和右顏色緩存，它們分別用于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，通常只繪制后緩存，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，繪制右眼圖像時使用右后緩存區glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)，繪制左眼時使用左后緩沖區glDraw-Buffer(GL_BACK_LEFT)。

　　4．3 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：由于濾光片(實驗中使用紅、綠濾光片)吸收其他光線，只讓相同顏色的光線通過，因此左、右眼各透過不同顏色的光。當使用濾光鏡觀察計算機屏幕上的立體圖像對時，就會看到具有深度感受的圖像。在實驗中發現，刷新頻率對圖像立體效果的形成具有重要作用。刷新頻率過低，由于人眼所維持的圖像已消失，不能得到三維立體感受；刷新頻率過高就會出現一只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50 Hz，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。

　　5 結論

　　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生成立體圖像對，并借助紅綠濾光眼鏡觀察，得到了較好的立體視覺效果。立體顯示技術的引入增強了人在虛擬環境中的沉浸感，可廣泛應用于建筑物和視景漫游、虛擬戰爭演練場和各種模擬訓練等多種場合。