虛擬現(xiàn)實(shí)中立體顯示技術(shù)研究

1 引言
    虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是一種新興的、極有應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)綜合性技術(shù)。采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)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(huán)境。立體顯示是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它使人在虛擬世界里具有更強(qiáng)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(shù)并利用現(xiàn)有的微機(jī)平臺(tái)，結(jié)合相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)在平面顯示器上顯示立體視景。

2 立體視覺概述
    據(jù)研究，人的大腦能從以下4個(gè)方面獲得深度(距離)線索：靜態(tài)圖像中的深度線索、由運(yùn)動(dòng)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(dāng)用雙眼看同一景物時(shí)，由于左、右眼在空間所處位置不同，兩只眼晴的視角會(huì)有所不同，看到的圖像也不一樣，會(huì)有視差，如圖1a所示。具有視差的雙眼圖像經(jīng)大腦融合，可產(chǎn)生含有立體深度信息的立體圖像。一般將雙目所見的一對(duì)具有視差的二維圖像稱為立體圖像對(duì)。若模仿產(chǎn)生這一對(duì)平面圖像，并采取技術(shù)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(tǒng)就會(huì)融合該二維空間中一對(duì)稍有差別的圖像，從而生成具有立體感受的圖像。根據(jù)投影面、人眼以及觀察對(duì)象之間的相對(duì)位置，可有正視差(圖1b)、負(fù)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(duì)的產(chǎn)生是由于左、右眼觀察到的物體透視結(jié)果不同。因此在立體顯示的視景仿真中設(shè)置兩只虛擬的眼睛，一個(gè)獲取左眼的圖像，另一個(gè)獲取右眼的圖像，分別將左右眼的圖像傳送給相應(yīng)的眼睛。因此。在立體顯示中，需要采用包含兩個(gè)視點(diǎn)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(diǎn)Leye和右視點(diǎn)Reye均位于X軸上，兩視點(diǎn)間的距離為e，兩視點(diǎn)連線中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則左視點(diǎn)的坐標(biāo)為(-e／2，0，0)，右視點(diǎn)的坐標(biāo)為(+e／2，0，0)。投影平面平行于XY平面，到左右視點(diǎn)的距離均為d。三維空間中一點(diǎn)P(xp，yp，zp)在左視點(diǎn)投影中的坐標(biāo)為(xl，yl，zl)，在右視點(diǎn)投影中的坐標(biāo)為(xr，yr，zr)，則zl=zr=d。點(diǎn)P(xp，yp，zp)和Reye投影線的參數(shù)方程為：
   
    在投影平面上z=d，可得
   
    將式(2)帶入式(1)得點(diǎn)P在投影平面的坐標(biāo)(xr,yr)：
   
    同理，點(diǎn)P和Leye的投影線在投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)是：
   
    可得水平視差：
   
    由此可見，當(dāng)zp>d時(shí)，0<E<e，此時(shí)為正視差；當(dāng)zp<d時(shí)，E<0，此時(shí)為負(fù)視差；而當(dāng)zp=d時(shí)，E=0，此時(shí)為零視差。采用雙中心投影算法，設(shè)置雙視點(diǎn)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(duì)。

4 OpenGL實(shí)現(xiàn)立體顯示
    開放性圖形庫OpenGL(Open Graphic Library)是一個(gè)三維計(jì)算機(jī)圖形和模型庫。它獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境，適用于從個(gè)人計(jì)算機(jī)到工作站的廣泛計(jì)算機(jī)環(huán)境。
    OpenGL在三維真實(shí)感圖形制作中具有優(yōu)秀的性能，用該圖形庫不僅能方便地制作出高質(zhì)量的靜止彩色圖像，還能創(chuàng)造出高質(zhì)量的動(dòng)畫效果。借助Windows編程環(huán)境還可控制模型的人機(jī)交互。由于其開放性和高度的可重用性，目前已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
4．1 立體圖像對(duì)的繪制
    按上述投影算法計(jì)算出立體圖像對(duì)后，應(yīng)用OpenGL繪制立體圖像對(duì)，分別用紅、綠兩種顏色繪制右眼和左眼的圖像。以一個(gè)變長為10 cm，中心點(diǎn)在原點(diǎn)的正方體為例，設(shè)兩視點(diǎn)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(gè)頂點(diǎn)(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(duì)8個(gè)頂點(diǎn)分別計(jì)算后，連接相應(yīng)的立體透視投影點(diǎn)，即可得該立方體的立體圖像對(duì)。用數(shù)組vertex[8][3]存儲(chǔ)頂點(diǎn)，數(shù)組translatevertexr[8][3]存儲(chǔ)右眼投影計(jì)算后坐標(biāo)，數(shù)組translatevertexl[8][3]存儲(chǔ)左眼投影計(jì)算后的坐標(biāo)，對(duì)相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行投影計(jì)算：

   
    使用OpenGL的透視投影變換，需設(shè)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(jì)算視野的高度
    ViewWidth2=ViewHeight2*ratio；／／計(jì)算視野的寬度
    計(jì)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，F(xiàn)ar)；
    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(jì)算立體圖像對(duì)并繪制
    同理繪制左眼的圖像，如圖3所示。

4．2 雙緩存區(qū)的使用
    OpenGL提供雙緩存技術(shù)，支持兩個(gè)完整顏色緩存的硬件或軟件。繪制一個(gè)緩存時(shí)，顯示另一個(gè)緩存中的內(nèi)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(dāng)顯示器刷新時(shí)，緩存區(qū)進(jìn)行交換，畫面就不會(huì)閃爍。
    OpenGL也支持立體觀察，實(shí)現(xiàn)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?？稍诔跏蓟瘯r(shí)，分別使用參數(shù)PFD_DOUBLEBUFFER和PFD_STERE-O_DONTCARE支持立體顯示和雙緩存。使用雙緩存時(shí)，通常只繪制后緩存，使用函數(shù)glDrawBuffer()還可指定將立體圖像渲染到具體的某個(gè)緩存。
    例如，繪制右眼圖像時(shí)使用右后緩存區(qū)glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)，繪制左眼時(shí)使用左后緩沖區(qū)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(shí)驗(yàn)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(dāng)使用濾光鏡觀察計(jì)算機(jī)屏幕上的立體圖像對(duì)時(shí)，就會(huì)看到具有深度感受的圖像。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，刷新頻率對(duì)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(huì)出現(xiàn)一只眼睛可看到兩幅圖像的現(xiàn)象。將顯示的刷新頻率設(shè)置合適，在程序中設(shè)置圖像刷新頻率設(shè)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(jié)論
    根據(jù)立體顯示原理，采用雙目視差算法對(duì)物體進(jìn)行立體顯示，利用OpenGL生成立體圖像對(duì)，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(shù)的引入增強(qiáng)了人在虛擬環(huán)境中的沉浸感，可廣泛應(yīng)用于建筑物和視景漫游、虛擬戰(zhàn)爭演練場和各種模擬訓(xùn)練等多種場合。