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、chujiaoyitihuadetedingfanweidexunihuanjing。litixianshishixunixianshideguanjianjishuzhiyi，tashirenzaixunishijielijuyougengqiangdechenjingan，litixianshideyinrukeyishigezhongmoniqidefangzhengengjiabizhen。yanjiulitichengxiangjishubingliyongxianyoudeweijipingtai，jiehexiangyingderuanyingjianxitongzaipingmianxianshiqishangxianshilitishijing。

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。