1 引言
虛擬現(xiàn)實" title="虛擬現(xiàn)實">虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)是一種新興的,、極有應(yīng)用前景的計算機綜合性技術(shù)。采用以計算機技術(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" title="立體顯示">立體顯示是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)并利用現(xiàn)有的微機平臺，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個方面獲得深度(距離)線索：靜態(tài)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(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具有視差的二維圖像稱為立體圖像對,。若模仿產(chǎn)生這一對平面圖像,，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(jù)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(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(yīng)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(shù)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<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(shè)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,。
4 OpenGL" title="OpenGL">OpenGL實現(xiàn)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(tǒng)和硬件環(huán)境，適用于從個人計算機到工作站的廣泛計算機環(huán)境,。
OpenGL在三維真實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)量的動畫效果,。借助Windows編程環(huán)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(yè)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(yīng)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(shè)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(yīng)的立體透視投影點,，即可得該立方體的立體圖像對。用數(shù)組vertex[8][3]存儲頂點,，數(shù)組translatevertexr[8][3]存儲右眼投影計算后坐標,，數(shù)組translatevertexl[8][3]存儲左眼投影計算后的坐標，對相應(yīng)的點進行投影計算：
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，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(),；／／計算立體圖像對并繪制
同理繪制左眼的圖像,，如圖3所示。
OpenGL提供雙緩存技術(shù),，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(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,，當顯示器刷新時，緩存區(qū)進行交換,，畫面就不會閃爍,。
OpenGL也支持立體觀察，實現(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,。可在初始化時,，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，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緩存,。
例如,，繪制右眼圖像時使用右后緩存區(qū)glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)，繪制左眼時使用左后緩沖區(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(fā)現(xiàn),，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(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,。
根據(jù)立體顯示原理,，采用雙目視差算法" title="雙目視差算法">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(shù)的引入增強了人在虛擬環(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練等多種場合。