CN100369063C - 三维彩色动态图像的生成及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维彩色动态图像的生成及显示方法，包括以下步骤：建立三维变换数学模型；选择模型参数，生成立体化源文件；建立位图格栅变换数学模型，生成三维静态显示文件；视频转换；由多帧三维静态显示文件组成动态画面；通过与计算机相连的通用液晶显示器和显示器前的光栅进行立体化动态显示。有益效果是：能够自动处理图形文件并生成对应的动态彩色立体文件，在处理过程中引入了视觉误差修正函数，修正了人的视觉误差，立体图像有更大的景深，观看这种立体动态AVI格式图像的立体感更强，无须配戴立体眼镜即可达到理想的观看效果，立体图像凸出或凹入显示器屏幕的程度可达显示器屏幕对角线长度的二分之一。

Description

三维彩色动态图像的生成及显示方法

技术领域

本发明涉及一种三维图像的显示方法，特别是涉及一种三维彩色动态图像的生成及显示方法。

背景技术

人在观察物体时左眼右眼分别获得不同的信息----两眼观察到的物像之间有一些细微的差别，再经人脑处理从而感知被观察物的远近程度。我们的大脑“知道”：当一个物体在两眼看来“相同”时，即视野误差很小时，被观察物体处于较远位置；当视野误差很大时，被观察物体处于较近位置，由此我们感觉立体空间的存在。视差印像在人的大脑当中形成一个景物深度部分，处理技术复杂，因为视差是一个非线性的误差，被观察物距离远近，人眼的视差是不一样的，视差在一个很小的范围内才是线性的，而在大部分范围内是非线性的，人的视网膜也不是一个理想的球面，使得物体在人脑中的投影上也产生非线性误差，我们在空间观测的任何物体，多数都不可能在平直方向上，投影视差是一个三角函数的关系，三角函数在处理过程中和软件的无缝连接非常复杂。

目前现有三维成像技术领域中，立体电影和立体照片是我们比较熟知的，立体电影和立体照片大多利用两眼的视觉差的方式制作而成。

早期立体图像显示是单色成像，显示器比较小，随着科技的发展，显示器已发展为较大型并可实现多色成像。目前国外的此种多色成像技术较好，但显示器必须特制，软件也需要专门驱动，总体成本昂贵，国内市场大多立体图像显示方法，只是人为地将景深拉开，具有一定的层次感，但立体感不强。例如：公开号是CN 1750040A，名称为《三维图像的生成方法及其显示系统》的中国发明专利申请，公开了一种三维图像的生成方法及其显示系统。该申请可将三维图像或指定的照片通过程序处理后既能生成立体照片，又能将生成立体照片处理后生成立体图像，也可生成用立体相机无法拍摄的图像，并对这些图像进行合成处理。

但在《三维图像的生成方法及其显示系统》中的技术方案存在以下不足：

1.在生成三维图像时，对物体的处理采用线性处理，未考虑人眼观察物体时必然存在的非线性误差并对其进行修正；

2.对源图像投影数目的取值范围是正数，数值越大，为达到同样的景深，源图像必须占有较大的屏幕面积；

3.被处理的图像中心被固定在立体显示屏幕的中心，无法调整；

4.对图像的修改，必须是等比例的缩放，显示效果不是很理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述已有技术的缺点，提供一种图形文件经过本发明数学模型变换后，可在任何通用的液晶显示器上实现静态或动态的立体图像显示，成本低、效果更好的三维彩色动态图像的生成及显示方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：三维彩色动态图像的生成及显示方法，包括以下步骤：

建立三维变换数学模型；在3DMAX或AutoCAD软件里创建立体图或将现有图片导入3DMAX进行立体化数据处理；引入视觉修正函数f(Xw)，f(Yw)，f(Zw)，f(Xw，Yw，Zw)，校正视觉误差；三维变换的数学模型是：设Xw、Yw、Zw为任意一帧动画中组成物体任意一点v在3D max场景中的绝对坐标，其坐标原点到输出文件图像中心的距离分别为X0、Y0；其取值范围：X0、Y0可正、可负、可为0；

Z′w＝f(Zw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]；公式(1)

X′w＝f(Xw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]-

      N(f(Yw))/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]；   公式(2)

式中：Z′w表示渲染后的BMP图像的行坐标，

X′w表示渲染后的BMP图像的列坐标，

Yv为瞳孔位置，Yv为正实数

N为用户需要设定动画文件的投影面的序号；

N＝-P、-P+1、……、0、1、……、P-1，P

P为自然数，因此N为整数，且为负数的N值与为正数的N值一样多，必有且只有一个N值为0，两相邻N值之差的绝对值为1；

上述公式的物理意义为：

令：f(Zw)＝(aZw+b)；f(Xw)＝(cXw+d)；

f(Xw，Yw，Zw)＝Yd；

则(1)(2)公式具有如下形式：

Z′w＝(aZw+b)/[1+(Yw-Yd)/Yv]                 公式(3)

X′w＝(cXw+d)/[1+(Yw-Yd)/Yv]-N(eYw+f)/[1+(Yw-Yd)/Yv]

                                             公式(4)

其中：0≤(Yw-Yd)/Yv≤0.8

经所述三维变换处理的任何一帧图像文件将生成2P+1个BMP图像文件。

选择模型参数，经过所述三维变换数学模型渲染后生成立体化源文件；

所述参数值范围是：

a、c∈(0.2，1.8)；  e∈(0，1)；

b、d∈(-0.2，0.2)； f∈(-0.1，0.1)；

Yv为瞳孔位置，Yv为正实数Yd为明视距离，与液晶屏幕表面重合。

建立位图格栅变换数学模型，生成三维静态显示文件；

所述位图格栅变换数学模型是：

[R1]＝(∑Rv)/(2P+1)

[G1]＝(∑Gv)/(2P+1)

[B1]＝(∑Bv)/(2P+1)

式中Rv，Gv，Bv是所述三维源文件中的某一行中第v列(v＝1，2，……，2P+1)象素的R，G，B值，而[R1]、[G1]、[B1]则是新生成三维静态显示文件唯一的一列对应行的那个象素的R、G、B值。

视频转换；

当指定物体的状态为连续运动时，对所述指定物体不同的运动状态，经过数学模型数据处理后生成对应的多个BMP格式的三维静态显示文件，并将所述多个三维静态显示文件转换成一个AVI格式的视频文件，即可得到立体化动态图像文件。

通过与计算机相连的通用液晶显示器和显示器前的光栅进行三维动态显示。

所述显示器与显示器前方的光栅之间充入 $n=\sqrt{(n_1*n_2)}$ 的折射率匹配物质；在所述匹配物质中掺入气相二氧化硅颗粒，所述气相二氧化硅颗粒的粒度为0.5微米，掺入量按体积比为折射率匹配物质的10％，可提高图像的光学均匀性，扩大图像的视角。

本发明的有益效果是：能够自动处理图形文件并生成对应的BMP或AVI彩色立体文件，在处理过程中引入了视觉误差修正函数，修正了人的视觉误差，转换后的彩色动态立体文件的帧刷新率可达48HZ，可实现24位真彩色显示，达到理想的观看效果。本发明由于对投影平面的两侧都进行了处理，每一个物体都是立体的，即使单独显示也是立体的，不需要陪衬或层次，立体图像有更大的景深，使立体感更强，立体图像凸出或凹入显示器屏幕的程度可达显示器屏幕对角线长度的二分之一；决定图像中心的X0和Y0可由用户从用户界面任意设定，即图像的中心可在屏幕上任意调整，可提高屏幕的利用率；通过a、c两个参数的建立，可以对图像大小进行等比例或不等比例的缩放；引入b、d两个参数，此时(b≠0、d≠0)使屏幕能够显示观察者从不同角度观察物体的立体图像的效果；本发明还可直接处理大量的图形文件能够实现半实时化处理。

附图说明

图1是三维透视变换软件用户界面示意图；

图2是位图栅格变换软件用户界面示意图；

图3是用2P+1个源图像生成一个合成图像的示意图；

图4是图像显示装置示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是三维透视变换软件用户界面示意图；

设Xw、Yw、Zw为任意一帧动画中组成物体任意一点v在3D max场景中的绝对坐标，其坐标原点到输出文件图像中心的距离分别为X0、Y0；其取值范围：X0、Y0可正、可负、可为0，应由用户利用键盘在三维变换用户的界面中输入，默认：X0＝Y0＝0，即坐标原点在输出图像的中心点。

三维透视变换的数学模型包含以下公式：

Z′w＝f(Zw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]；公式(1)

X′w＝f(Xw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]-

N(f(Yw))/[1+(Ywf(Xw，Yw，Zw))/Yv]；    公式(2)

式中符号意义如下：

Z′w表示渲染后的BMP图像的行坐标，

X′w表示渲染后的BMP图像的列坐标，

Yv为瞳孔位置，Yd为明视距离，Yv、Yd为实数(可正，可负，可为0)Yv、Yd应由用户利用键盘在程序的界面中输入。

N为用户需要设定1帧动画文件的投影面的序号，

N＝-P、-P+1、……、0、1、……、P-1、P，P为自然数，应由用户利用键盘在程序的界面中输入，因此N为整数，且为负数的N值与为正数的N值一样多，必有且只有一个N值为0，两相邻N值之差的绝对值为1，N的总数为2P+1个；

例如：P＝1，N可取-1，0，1三个值，共有三个数。

P＝2，N可取-2，-1，0，1，2五个值，共有五个数。N的总数为2P+1个。

该三维变换软件处理的任何一帧动画文件将生成2P+1个BMP图像文件，即：由第0000001号……第000000(2P+1)号组成，在2P+1个BMP图像文件中，Ph为任意一点v的行坐标值，Pw为任意一点v的列坐标值，并且在2P+1个BMP图像文件中该点v在每个BMP文件中的Ph值处的位置均相同，Pw值也相同，但一般Ph≠Pw，将生成2P+1个BMP图像文件，自动存放在如附图1中所示的“Output Path”所指定路径的目录下。生成后的BMP图像的文件名按如下格式被自动命名：*.BMP。

*＝0…0[N+i(2P+1)-P)]

式中i为动画的帧号，i＝1，2，3，……，q(1≤i≤q)

例如：[N+i(2P+1)-P]＝5时，*＝0000005；

      [N+i(2P+1)-P]＝15时，*＝0000015。

下面分析上述公式(1)(2)的物理意义：

引入视觉修正函数f(Xw)，f(Yw)，f(Zw)，f(Xw，Yw，Zw)，校正视觉误差。

在公式：

Z′w＝f(Zw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]               公式(1)

X′w＝f(Xw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]-N(f(Yw))/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]；                             公式(2)

中，令f(Zw)、f(Xw)为如下形式：f(Zw)＝(aZw+b)、f(Xw)＝(cXw+d)；并令f(Xw，Yw，Zw)＝Yd，则上述公式具有如下形式：

Z′w＝(aZw+b)/[1+(Yw-Yd)/Yv]                        公式(3)

X′w＝(cXw+d)/[1+(Yw-Yd)/Yv]-N(eYw+f)/[1+(Yw-Yd)/Yv]公式(4)

而在背景技术中，坐标变换公式为：

X′2WN＝Xw+NXd[Zw-Zd]/Zv]/1-(Zw-Zd)/Zv              公式(5)

Y′2WN＝Yw/1-(Zw-Zd)/Zv                             公式(6)

为使坐标一致，将背景技术中的坐标系做如下变换，Xw＝Xw0，Zw＝-Yw0，Yw＝Zw0，并令Yd＝-Zd，Yv＝Zv则上述公式将变为(5)(6)(相应的平面投影坐标系也变为X′w0，Z′w坐标系)

Z′w＝(Zw0)/[1+(Yw0-Yd)/Yv]                         公式(7)

X′w＝(Xw0)/[1+(Yw0-Yd0)/Yv]+N(eYw0)/[1+(Yw0-Yd)/Yv]

                                                    公式(8)

式中e＝Xd/Yv，由于上述变换矩阵的行列式等于+1，因此上述变换为正交变换，这样变换后的坐标系仍为空间直角坐标系，又因为坐标值与坐标系的符号无关，因此上述公式还可写成：

Z′w＝(Zw)/[1+(Yw-Yd)/Yv]                           公式(9)

X′w＝(Xw)/[1+(Yw-Yd)/Yv]+N(eYw)/[1+(Yw-Yd)/Yv]     公式(10)

从公式(9)(10)和公式(3)(4)比较不难发现，在背景技术中源图像数目N＝7时，本发明N的取值范围是从负3到正3，为达到同样的景深，N的绝对值越大，则源图像必须占有较大的屏幕面积。换言之，在相同大小的屏幕面积条件下，本发明合成的立体图像有更大的景深，这点在Yw的绝对值较大时更为明显。

决定图像中心的XO和YO可由用户从界面任意设定，即图像的中心可在屏幕上任意调整，这就更可提高屏幕的利用率。

本发明中引入了a、c两个参数，a、c∈(0.2，1.8)时可对图像进行等比例或不等比例缩放(a＝c时等比例缩放)。

还引入了b、d两个参数，b、d∈(-0.2，0.2)，这两个参数的引入(b≠0、d≠0)使得物体能够显示斜视立体投影，如同机械图中的斜二轴侧图一样。

用户界面中其它的参数的取值范围为e∈(0，1)，f∈(-0.1，0.1)，P为自然数，Yd为实数。

以上是视觉函数为线性函数的情况，实际上任何一个在其定义域内一致收敛的函数都可表达为多项式，因此还可把视觉函数设为非线性函数，这时经三维变换处理后物体的立体信息将更加丰富。由于非线性函数分析与线性函数的分析类同，此处就不再一一赘述。

图2是位图栅格变换软件用户界面示意图。图3是用2P+1个源图像生成一个合成图像的示意图。

如图2、图3所示，下面阐述在本发明三维动态图像方法中利用数学模型将2P+1个源图像合成为一个静态目标图像的步骤。

位图栅格变换的数学模型是对三维透视变换软件处理后的BMP文件进行再合成，例如：设动画文件共有q帧，则经过三维透视变换处理后共生成(2P+1)q个BMP图像文件，并保存在三维透视变换指定的目录内。先看最前面的第2P+1个文件，即第一帧图像，2P+1个文件都是Pw列，Ph行，令：Pw＝(2P+1)n+r，式中n和r都是整数，且n＞r。

先从第一帧图像即：第0000001号文件最左端截取2P+1列，对列中每一行的象素进行如下公式处理：

[R1]＝(∑Rv)/(2P+1)

[G1]＝(∑Gv)/(2P+1)

[B1]＝(∑Bv)/(2P+1)

式中Rv，Gv，Bv是某一行中第v列(v＝1，2，……，2P+1)象素的R，G，B值，而[R1]、[G1]、[B1]则是新生成一列(只有一列)对应行的所述第V列的那个象素的R、G、B值。此时程序生成一个序号为“0000001”(序号就是文件名)的新文件，并将其放在如附图2所示“栅格路径”所指定路径的目录(由用户指定)内，而由上述处理生成的一列象素作为本文件的第一列。依次处理附图1目录内的第一帧图像生成的第0000002号，第0000003号……第00…0(2P+1)号文件中最左端的2P+1列，所得的各列依次放在“栅格路径”所指定路径的目录中0000001号文件的第2列，……第2P+1列；再依次从附图1中所示的“Output Path”所指定路径的目录内的第1号(即序号为0000001.BMP)文件中截取第2P+2列到第4P+2列象素，进行处理后，排在新文件的第2P+2列……依次类推，直到最后，新文件已自左至右生成(2P+1)n列象素，这时附图1中所示的“OutputPath”所指定路径的目录内的第一帧(2P+1)个文件只有最右端的r(r小于2P+1)列象素未处理，将其做如下处理：

[Rr]＝(∑Rv)/r

[Gr]＝(∑Gv)/r

[Br]＝(∑Bv)/r

V＝n(2P+1)+1、n(2P+1)+2、……、n(2P+1)+r；依次在新文件(文件名“0000001”)中自左向右排列，排列结束，新文件“0000001”生成，新文件共有(n+1)(2P+1)列象素，而新文件的象素行数与生成它的2P+1个文件相同。

通过以上两种数学模型的变换，如果仅仅是对1帧图像进行处理的情况，此时，所生成的三维静态BMP图像文件已能够通过与计算机连接的通用显示器及光栅使观察者能够观看立体图像了，对q帧图像进行处理的情况，所生成的三维静态BMP图像文件即可组成动态画面。

依次对附图1中所示的“Output Path”所指定路径的目录内的各帧图像，如第0…0(2P+2)号、0…0(2P+3)号、……、0…0(4P+2)号文件进行同样处理，在附图2所示“栅格路径”所指定路径的目录中生成“0000002”号文件，类推……直到生成第“0…0q”号文件为止。处理完成后在附图2所示“栅格路径”所指定路径的目录内共有q个文件，文件名分别为：0000001、0000002、……、0…0i、0…0(i+1)、……、0…0q  (1≤i≤q)。

经上述处理合成后成为q帧静态立体的BMP格式图像文件。

如图3所示，通过上述步骤完成了本发明三维动态图像的显示方法中的，将2P+1个源图像合成为一个静态源图像的步骤，再将上述BMP图像再用Premiere Pro等标准视频转换软件进行BMP-AVI格式转换处理后(这种格式转换是自动进行的)即可生成动态AVI视频文件。

如图4所示，通过与计算机4连接的通用液晶显示器1、显示器前方的狭缝或柱镜光栅2，在已有技术中有机玻璃板与显示屏之间充入： $n=\sqrt{(n_1*n_2)}$ 的折射率匹配物质3来消除光学干扰，本发明则进一步在该物质中掺入了气相二氧化硅颗粒，该颗粒粒度为0.5微米，掺入量按体积比为折射率匹配物质的10％，可进一步提高图像的光学均匀性，扩大了图像的视角；要保证立体图条纹的周期和所用光栅的光栅条纹的周期相等，通过操纵计算机就可以看到一种真实的彩色动态立体图像。立体图像有更大的景深，使立体感更强，立体图像凸出或凹入显示器屏幕的程度可达显示器屏幕对角线长度的二分之一。

本发明将茶壶、纽带模型等3DMAX动画转换为三维彩色动态立体图像并在通用显示器为VP2290B，显卡显存为256MB，服务器CPU时钟频率为3GHz，内存为4G(8条512MB)的计算机系统上显示取得良好的效果。

实施例1

茶壶的彩色动态立体图像显示，将茶壶的图片导入3DMAX软件中或通过3DMAX制作立体图，茶壶在3DMAX场景中的中心坐标位于(0，0，0)点，茶壶绕X轴做整周旋转，在3DMAX菜单中选定参数，如图1中所示对话框填入：

要处理的帧数为1至9帧；

图像大小为：800×600；

output paty：输入*.bmp文件的存储路径；

a＝1      b＝0      c＝1

d＝0      e＝0.5    f＝0

Yv＝120             Yd ＝25cm

Xo＝0               Yo＝0

按下render，通过数学公式(1)(2)对茶壶进行渲染，生成9帧(2p+1).bmp文件，利用位图变换的可执行文件输入存储路径，将9帧(2p+1).bmp个文件合成为立体的静态BMP格式的图像文件。再将上述BMP图像用Premiere Pro等标准视频转换软件进行BMP-AVI格式转换处理后，即可生成动态AVI视频文件，通过与计算机相连的通用液晶显示器和显示器前的光栅可以看到茶壶旋转的动态彩色立体图像。

实施例2

纽带的彩色动态立体图像显示，将纽带图片导入3DMAX软件中建立三维动态图，对所述三维动态图在3DMAX场景中的中心坐标位于(0，0，0)点，纽带绕Z轴旋转一周，通过上述操作将在3DMAX中生成含有纽带的大量3DMAX文件，对含有纽带的大量3DMAX文件通过本发明三维变换的数学模型进行数据化处理，在3DMAX单中选定参数，如图1所示的对话框：

要处理的帧数为1至9帧；

图像尺寸为：800×600；

output paty：输入*.bmp文件的存储路径；

a＝1.1      b＝0.1     c＝1.1

d＝0.1      e＝0.3     f＝0.05

Yv＝110                Yd＝23cm

Xo＝0                  Yo＝0

按下render，通过数学公式(1)(2)对纽带进行渲染，对应P＝4时生成9帧(2p+1).bmp文件，利用位图变换的可执行文件输入存储路径，将9帧(2p+1).bmp个文件合成为立体的静态BMP格式的图像文件。再将上述BMP图像用Premiere.Pro6.5等标准视频转换软件进行BMP-AVI格式转换处理后，即可生成动态AVI视频文件，通过与计算机相连的通用液晶显示器和显示器前的光栅可以看到纽带的彩色动态立体图像显示，立体图像有更大的景深，使立体感更强，立体图像凸出或凹入显示器屏幕的程度可达显示器屏幕对角线长度的二分之一。

Claims (1)

1.一种三维彩色动态图像的生成及显示方法，包括以下步骤：

(1)  建立三维变换数学模型；

(2)  选择模型参数，生成立体化源文件；

(3)  建立位图格栅变换数学模型，生成三维静态显示文件；

(4)  视频转换；

(5)  通过与计算机相连的通用液晶显示器和显示器前的光栅进行三维动态显示；

其特征在于：所述三维变换数学模型包括以下步骤：

(1)在3D max或AutoCAD  软件里创建立体图或将现有图片导入3D max进行立体化数据处理；

(2)引入视觉修正函数f(Xw)，f(Yw)，f(Zw)，f(Xw，Yw，Zw)，校正视觉误差；

(3)三维变换的数学模型是：

设Xw、Yw、Zw为任意一帧动画中组成物体任意一点v在3D max场景中的绝对坐标，其坐标原点到输出文件图像中心的距离分别为X0、Y0；其取值范围：X0、Y0可正、可负、可为0；

Z′w＝f(Zw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]； 公式(1)

X′w＝f(Xw)/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]-

N(f(Yw))/[1+(Yw-f(Xw，Yw，Zw))/Yv]；    公式(2)

式中：  Z′w表示渲染后的BMP图像的行坐标，

X′w表示渲染后的BMP图像的列坐标，

Yv为瞳孔位置，为正实数，

N是f(Yw)的系数，N为用户需要设定动画文件的投影面的序号；

N＝-P、-P+1、……、0、1、……、P-1、P，P为自然数，因此N为整数，且为负数的N值与为正数的N值一样多，必有且只有一个N值为0，两相邻N值之差的绝对值为1；

上述公式的物理意义为：

令f(Zw)＝(aZw+b)；f(Xw)＝(cXw+d)；f(Xw，Yw，Zw)＝Yd；

则(1)(2)公式具有如下形式：

Z′w＝(aZw+b)/[1+(Yw-Yd)/Yv]    公式(3)

X′w＝(cXw+d)/[1+(Yw-Yd)/Yv]-N(eYw+f)/[1+(Yw-Yd)/Yv]

公式(4)

其中：0≤(Yw-Yd)/Yv≤0.8

经所述三维变换处理的任何一帧文件将生成2 P+1个BMP图像文件；

所述模型参数的选择，是根据用户要求的显示效果输入参数；经过所述三维变换数学模型渲染后生成立体化源文件；所述参数值范围是：

a、c∈(0.2，1.8)；    e∈(0，1)；

b、d∈(-0.2，0.2)；   f∈(-0.1，0.1)；

Yv为瞳孔位置，Yv为正实数，Yd为明视距离，与液晶屏幕表面重合。

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