虚拟现实中立体显示技术研究

1 引言
    虚拟现实(Virtual Reality)是一种新兴的、极有应用前景的计算机综合性技术。采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。立体显示是虚拟现实的关键技术之一，它使人在虚拟世界里具有更强的沉浸感，立体显示的引入可以使各种模拟器的仿真更加逼真。研究立体成像技术并利用现有的微机平台，结合相应的软硬件系统在平面显示器上显示立体视景。

2 立体视觉概述
    据研究，人的大脑能从以下4个方面获得深度(距离)线索：静态图像中的深度线索、由运动造成的深度线索、生理上的深度线索以及双目视差线索，这里仅研究双目视差线索。当用双眼看同一景物时，由于左、右眼在空间所处位置不同，两只眼晴的视角会有所不同，看到的图像也不一样，会有视差，如图1a所示。具有视差的双眼图像经大脑融合，可产生含有立体深度信息的立体图像。一般将双目所见的一对具有视差的二维图像称为立体图像对。若模仿产生这一对平面图像，并采取技术措施，使左眼只能看见右边的图像，而右眼只能看见左边的图像，则人类的视觉系统就会融合该二维空间中一对稍有差别的图像，从而生成具有立体感受的图像。根据投影面、人眼以及观察对象之间的相对位置，可有正视差(图1b)、负视差(图1c)和零视差(图1d)之分。

3 双中心投影算法
    由以上研究可知，立体图像对的产生是由于左、右眼观察到的物体透视结果不同。因此在立体显示的视景仿真中设置两只虚拟的眼睛，一个获取左眼的图像，另一个获取右眼的图像，分别将左右眼的图像传送给相应的眼睛。因此。在立体显示中，需要采用包含两个视点的透视投影方法一双中心投影算法。图2为双中心投影。

    左视点Leye和右视点Reye均位于X轴上，两视点间的距离为e，两视点连线中心为坐标原点，则左视点的坐标为(-e／2，0，0)，右视点的坐标为(+e／2，0，0)。投影平面平行于XY平面，到左右视点的距离均为d。三维空间中一点P(xp，yp，zp)在左视点投影中的坐标为(xl，yl，zl)，在右视点投影中的坐标为(xr，yr，zr)，则zl=zr=d。点P(xp，yp，zp)和Reye投影线的参数方程为：
   
    在投影平面上z=d，可得
   
    将式(2)带入式(1)得点P在投影平面的坐标(xr,yr)：
   
    同理，点P和Leye的投影线在投影平面上的投影点坐标是：
   
    可得水平视差：
   
    由此可见，当zp>d时，0<E<e，此时为正视差；当zp<d时，E<0，此时为负视差；而当zp=d时，E=0，此时为零视差。采用双中心投影算法，设置双视点就可获取三维空间中物体的左右眼图像，从而生成立体图像对。

4 OpenGL实现立体显示
    开放性图形库OpenGL(Open Graphic Library)是一个三维计算机图形和模型库。它独立于操作系统和硬件环境，适用于从个人计算机到工作站的广泛计算机环境。
    OpenGL在三维真实感图形制作中具有优秀的性能，用该图形库不仅能方便地制作出高质量的静止彩色图像，还能创造出高质量的动画效果。借助Windows编程环境还可控制模型的人机交互。由于其开放性和高度的可重用性，目前已成为业界标准。
4．1 立体图像对的绘制
    按上述投影算法计算出立体图像对后，应用OpenGL绘制立体图像对，分别用红、绿两种颜色绘制右眼和左眼的图像。以一个变长为10 cm，中心点在原点的正方体为例，设两视点间距离e为5 cm，投影面距高观察者d为40 cm，考察正方体的一个顶点(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对8个顶点分别计算后，连接相应的立体透视投影点，即可得该立方体的立体图像对。用数组vertex[8][3]存储顶点，数组translatevertexr[8][3]存储右眼投影计算后坐标，数组translatevertexl[8][3]存储左眼投影计算后的坐标，对相应的点进行投影计算：

   
    使用OpenGL的透视投影变换，需设置前后裁剪面到观察者的距离及前裁剪面的宽度和高度等。前裁剪面的宽度用该宽度与高度的比值表示，取显示窗口的宽度和高度之比。
    double Near．Far；／／前后裁剪面距观察者的距离
    int ratio=width／height；／／显示屏的宽和高之比
    ViewHeight2=Near*tan(radians)；／／计算视野的高度
    ViewWidth2=ViewHeight2*ratio；／／计算视野的宽度
    计算右眼的视野范围；
    left=-ViewWidth2-0．5*e*0．3；
    right=ViewWidth2-0．5*e*0．3；
    投影并绘制模型：
    glFrustum(left，right，bottom，top，Near，Far)；
    glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)；／／使用右后缓存
    gluLookAt(0+e／2。0，5。0+d／2，0，-5，0，1，0)；
    ／／确定右眼位置
    glColor3f(1．0，0．0，0．0)；／／用红色绘制
    draw()；／／计算立体图像对并绘制
    同理绘制左眼的图像，如图3所示。

4．2 双缓存区的使用
    OpenGL提供双缓存技术，支持两个完整颜色缓存的硬件或软件。绘制一个缓存时，显示另一个缓存中的内容。每绘制好一帧便交换缓存；这样刚才被显示的缓存被用来绘制，而用来绘制的缓存被显示。这样，当显示器刷新时，缓存区进行交换，画面就不会闪烁。
    OpenGL也支持立体观察，实现左颜色缓存和右颜色缓存，它们分别用于左立体图像和右立体图像。可在初始化时，分别使用参数PFD_DOUBLEBUFFER和PFD_STERE-O_DONTCARE支持立体显示和双缓存。使用双缓存时，通常只绘制后缓存，使用函数glDrawBuffer()还可指定将立体图像渲染到具体的某个缓存。
    例如，绘制右眼图像时使用右后缓存区glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT)，绘制左眼时使用左后缓冲区glDraw-Buffer(GL_BACK_LEFT)。
4．3 立体图像的观察
    使用简单的滤光镜就可观察有立体感的图像。其原理是：由于滤光片(实验中使用红、绿滤光片)吸收其他光线，只让相同颜色的光线通过，因此左、右眼各透过不同颜色的光。当使用滤光镜观察计算机屏幕上的立体图像对时，就会看到具有深度感受的图像。在实验中发现，刷新频率对图像立体效果的形成具有重要作用。刷新频率过低，由于人眼所维持的图像已消失，不能得到三维立体感受；刷新频率过高就会出现一只眼睛可看到两幅图像的现象。将显示的刷新频率设置合适，在程序中设置图像刷新频率设置为50 Hz，利用红绿滤光镜观察模型的立体成像，得到较明显的立体视觉效果。

5 结论
    根据立体显示原理，采用双目视差算法对物体进行立体显示，利用OpenGL生成立体图像对，并借助红绿滤光眼镜观察，得到了较好的立体视觉效果。立体显示技术的引入增强了人在虚拟环境中的沉浸感，可广泛应用于建筑物和视景漫游、虚拟战争演练场和各种模拟训练等多种场合。