硕士学位论文-计算机三维视景立体显示技术的研究.pdf

西北工业大学 硕士学位论文 题目： ( 学位研究生) 让箕扭三维塑基 童签显丞堇苤的婴究 作者：量瞳至 学科专业：信号与信息处理 2 0 0 6 年3 月 8 5 7 7 2 5 两北i ：业大学硕十学位论文摘要 摘要 立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一。若在平面显示设备上显示三维视 景，因这种显示设备本身的二维平而局限性，会导致真实三维世界视景的二维化， 即立体实物的深度信息丢失了。人们只能根据视景中物体的大小、遮挡关系用大 脑来想象和判断物体的深度及位置的远近。本文对在二维的显示平面上显示三维 立体视景的技术，进行了比较系统的研究，所做的主要工作和取得的成果包括： 1 三维真实感图形学理论是虚拟现实系统实现立体显示的基础，本文对其 中诸如矩阵变换、纹理、纹理滤波、层次细节技术等主要问题进行了理论分析， 并进行了一定的仿真，为后续总体性工作打下了基础。 2 实现立体显示的关键环节是首先获取三维视景的立体图像对。本文在研究 了立体视觉的原理、双中心投影算法以及现有的双目视觉模型的基础上，提出了 一种改进的汇聚双目视觉模型，应用本文的视觉模型获得了良好的立体图像对， 体现了本文的一定创新性。 3 为更好地观看立体图像对，本文对有关的分色、分光、分时和光栅等显示 技术以及双眼图像表现在屏幕上的交错式、画面交换、同步倍频、线遮蔽等硬件 格式分别作了研究并给出了总结性说明，在工程上有一定普适性参考价值。 4 在上述工作的基础上，本文基于现有的微机平台和3 d 液晶眼镜等廉价硬 件设备，提出了一个桌面式立体显示系统的设计方案，并应用三维模型制作软件 c r e a t o r 和三维图形开发工具包d i r e c t 3 d 实现了该立体显示系统，有较好的三维 视景立体显示效果，实现了三维视景的立体显示，适用于建筑环境、虚拟战场等 场合实时漫游时的立体显示。 关键词：三维视景，视差，立体硅示，虚拟现实 曲北1 业犬学硕十学位呛文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t e r e od i s p l a yi sak e yt e c h n o l o g yo fv i r t u a lr e a l i t y w h e n3 ds c e n ei s d i s p l a y e do np l a n es c r e e n ，t h e3 dd e p t hi n f o r m a t i o ni s l o s tb e c a u s eo ft h e2 d l i m i t a t i o no ft h ep l a n ed i s p l a yd e v i c e s ow ei m a g et h ed e p t hi n f o r m a t i o na n dt h e l o c a t i o ni n f o r m a t i o no n l yb ys h o wo r d e ra n ds i z eo fo b j e c t s t h i sp a p e rc a r r i e s o u ts y s t e m i cr e s e a r c ho ns t e r e od i s p l a yt e c h n o l o g y t h ew o r k sa n df r u i t sa r ea s f o i l o w s ： 1 i 矗o r d e rt os e tu pf o u n d a t i o no fw h o l et a s kt h ep a p e ra n a l y s e sa n d s i m u l a t e st h i r dd i m e n s i o nt h e o r yw h i c hi st h ef o u n d a t i o no fv i r t u a lr e a l i t y s y s t e m ，s u c ha sm a t r i xt r a n s f o r m ，t e x t u r e ，t e x t u r e f i l t e ra n dl e v e l so fd e t a i l s 2 b e f o r es t e r e od i s p l a yt e c h n o l o g yc o m e st r u eo np l a n es c r e e n ，s t e r e o s c o p i c i m a g e sp a i ro f3 ds c e n em u s tb eg o t b a s e do ns t e r e ov i s i o nt h e o r y , p r o j e c t i o n a r i t h m e t i co ft w oc e n t e r sa n dm o d e lo ft w oe y e s ，t h ep a p e rp r o p o s e sam o d e lo f t w oe y e s w i t ht h em o d e lw eg e tp e r f e c ts t e r e o s c o p i ci m a g e sp a i l 3 f o rt h es a k eo fw a t c h i n gt h es t e r e o s c o p i ci m a g e sp a i r , s o m es t e r e od i s p l a y t e c h n o l o g ya n di m a g e sd i s p l a yf o r m a ta r ei l l u m i n a t e d ，w h i c hh e l pt or e a l i z et h e p r o j e c t 4 w i t ht h ep e r s o n a lc o m p u t e ra n d3 dg l a s s e s ，t h ep a p e rp r o p o s e sas c h e m e o fs t e r e od i s p l a ys y s t e m m o r e o v e rt h ep a p e ri m p l e m e n t st h es t e r e od i s p l a y s y s t e mu s i n gc r e a t o r a n dd i r e c t 3 d t h es y s t e mp r o v i d e sa sw i t hp e r f e c t 3 ds t e r e od i s p l a ye f f e c ta n dc a nb eu s e df o ra r c h i t e c t u r ew a l k t h r o u g h ，v i r t u a l b a t t l e f i e l dw a l k t h r o u g ha n ds oo n k e y w o r d ：3 ds c e n e ，p a r a l l a x ，s t e r e od i s p l a y , v i r t u a lr e a l i t y i ) q j li 。业大学硕十学位沦文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 虚拟现实与立体显示技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是一种综合计算机图形学技术、多媒体技术、传感 器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的计算 机领域的新技术。它是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是 采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范 围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互 作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验掣 虚拟现实系统通常具有以下特征掌 f 1 1 沉浸性( i m m e r s i o n ) 用户可以感觉自己融合到虚拟现实环境中去，能 在真三维图像的虚拟空间中有目的地漫游、观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对 象，而且似乎离开了自身所处的外部环境，沉浸在所研究的虚拟世界之中，成为 系统的组成部分。 ( 2 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) 用户在虚拟世界中所感受到的信息，经过大脑的 思考和分析，形成自己想要实施的动作或策略，经过输入界面反馈给系统，实现 与系统的交互和独立自主地控制系统运行的功能。 ( 3 ) 想象( i m a g i n a t i o n ) 用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身 在系统中的行为，通过联想和逻辑判断等思维过程，随着系统的运行状态变化对 系统运行的未来进展进行想象，以获取更多的知识、认识复杂系统深层次运动机 理和规律性。 立体显示是虚拟现实的关键技术之一，它是一个基本的虚拟现实系统必须具 备的条件。没有深度层次的立体视觉效果就不可能有身临其境的感觉，也就不可 能实现虚拟现实的基本目标。我们人类能够看到立体的景物，是因为人类左右两 眼有问距，造成两眼的视角有些细微的差别，而这样的差别会让两眼分别看到的 景物有一点点的位移。人类的大脑很巧妙地将两眼的图像融合，产生出有空间感 的立体视觉效果。由于计算机屏幕只有一个，而我们却有两个眼睛，必须让左、 右眼分别看到相应的图像，才能有立体视觉。 在平面显示设备上显示图像时，因显示没备本身的二维甲丽局限性，导致真 实的三维世界二维化，我们只能看到平而的图像，无法产生三维立体感。如何在 两一f 归：业大学硕士学位论文第一章绪论 二维的显示器平面上显示三维立体图像是许多从事虚拟现实研究工程人员所关心 的一个问题。为此人们提出了各种解决方案，如立体头盔，3 d 眼镜等；最近有些 国家已经开发出立体显示器。但就现今而言，要配置1 个虚拟现实系统往往需要 一些昂贵的设备，如数据手套、数据衣、头盔显示器及高档图形工作站等等。因 而，如何基于现有的微机平台来实现三维视景立体显示是一个很有现实意义的问 题。其中利用3 d 眼镜，结合相应的软硬件系统在平面显示器上显示立体视景，是 目前比较经济的一种解决方案。此方案通过控制电路送出立体图像讯号连续交替 ( 左眼一 右眼一 左眼一 右眼一 ) 到屏幕，并同时送出同步讯号到3 d 立体眼镜，使 其同步切换左、右眼镜片的开关，实现左眼只看到左眼应该看到的图像，右眼只 看到右眼应该看到的图像，加上人眼视觉暂留的生理特性，就可以看到真正的3 d 立体图像，从而产生三维立体感。 1 2 三维视景立体显示的意义 三维视景立体显示技术赋予传统的微机平台一个全新的功能。由平面显示到 立体显示的转变，其意义十分重大，满足了人们三维视景真实感的需求。基于3 d 眼镜的立体显示技术无论在军事还是民用上都有着广泛的应用前景。在军事上， 为了节省培训费用，同时为了保证飞行员的训练时间，许多国家的空军都配备了 虚拟飞行训练环境。在这种环境中，通过各种传感器以及三维视景立体显示装置， 飞行员可以获得类似于实际训练的体验。在民用上，各种可以向人们提供惊险体 验的娱乐设施应运而生，如各类游乐园、主题公园，以及对青少年进行科普教育 的科技活动中心等。在这类设施中，基于3 d 眼镜的立体显示技术与计算机图像学 紧密结合，向人们展示缤纷多彩的虚拟视景世界。另外该技术还可应用于科学计 算可视化、工业产品的造型设计、三维立体监视、远距离监控、驾驶模拟教学培 训、三维立体游戏等场合。 1 3 本论文的主要工作 三维视景立体显示技术涉及到立体视觉成像原理，3 d 眼镜构造，三维视景建 模，立体显示驱动设计，显示接口板卡设计等方面的知识。本论文的主要工作包 括：研究三维视景娩体显示中应用到的真实感图形学技术、立体视觉成像原理、 双中心投影算法、双目视觉模型、立体图像显示与观看技术以及应用c r e a t o r 构 建三维视景和应用d i r e c t x 丌发三维视景立体显示驱动。奉文提出个改进的汇 曲北r 业大学硕j 学位论文第一章绪沦 聚双目视觉模型，用于从三维视景中获取立体图像对；同时提出了+ 个桌面式立 体显示虚拟现实系统的设计方案，并实现了一个可以用于建筑漫游的立体显示系 统。 第二章二维视景立体显示中的真实感图形学技术 第二章三维视景立体显示中的真实感图形学技术 计算机三维图形学是实现三维视景立体显示的重要理论基础，真实感图形学 是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维 视景的真实感图形( 或图像) 。要想实现逼真的三维视景，获得身临其境的真实感， 必须应用到真实感三维图形学技术。 2 1 三维变换 2 1 1 世界变换 图形变换一般是指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形。我们在 建立三维实体模型时，通常以实体的某一点为坐标原点，比如一个球体，很自然 就用球心作原点，这样构成的坐标系称为本地坐标系( 模型坐标系) 。实体总是位 于某个视景中，而视景采用世界坐标系，因此需要把实体的本地坐标系变换成世 界坐标，这个变换称为世界变换。世界变换可以包含任意数量的平移、旋转和缩 放的合手心设三维图形变换前的顶点坐标为 y ，z ，1 ，变换后为 x 。，y ，z + ，1 。 ( 1 ) 平移变换 瞳眦 1 乩小甜 摆1 0 。：00： 1 i fmn 1 = x + 1 ，y + r n ，z + 行，1 ( 2 - 1 ) 其中，z 、m 、n 分别是顶点沿轴、，轴、z 轴方向的位移量。 ( 2 ) 比例变换 x 。，y + ，z ，1 = x ，y ，z ，1 a0 0e oo 00 o0 00 i0 0 1 其巾，a ，e ，i 是比例变换系数。 删，e y ，i z ，1 ( 2 - 2 ) 两北工业入学硕士。浮位论文 第二章三维视景也体显示中的真实感图形。、 技术 ( 3 ) 旋转变换 坐标系取右于坐标系，设绕坐标轴旋转的角度为0 绕j 轴旋转 绕j ，轴旋转 1000 0c o s 0s i n 00 0 一s i n 0c o s 00 oo01 = j ，y c o s o z s i n 0 ，ys i n 0 + z c o s 0 ，1 i x 。，y ，z 。，1 = 工，y ，z ，1 c o s 00 o1 s i n 00 oo s i n 0 0 o0 c o s 00 01 = z s i n 0 + x c o s o ，y ，z c o s o x s i n o ，1 绕z 轴旋转 x + ，y ，z 。，1 = z ，y ，z ，1 c o s 0 一s i n 0 o o s i n 0 0 0 c o s 000 010 0o 1 = 上c o s o y s i n 0 ，戈s i n 0 + y c o s 0 ，z ，1 2 1 2 投影变换 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 三维世界中的视景要经过投影变换，三维的实体才能显示在二维的计算机屏 幕上。根据投影中心与投影平面之间距离的不同，投影可分为平行投影与透视投 影。平行投影的投影中心与投影面之间的距离为无穷大，而对于透视投影，距离 是有限的，虚拟现实系统主要用到透视投影。透视投影的视线( 投影线) 是从视 点( 观察点) 出发，视线是不平行的掣 如图2 1 ，设投影中心在坐标原点，投影面与z 轴垂直，在z = d 位置上。点 p ( x ，y ，z ) 在投影面l 的投影点为p ，y ，d ) ，根据相似三角形对应边成比剀的 关系，由图2l ( b ) 和( c ) 得： 阳，i lj 业人学硕 学位论文 第一章二维视景、z 体显示中的真实感幽形学技术 可得： x上 dz vv 矗z tx x = z | a v v = 二一。 z d 设透视变换矩阵为t ，则用齐次坐标可将卜述关系表示为 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 【工，y ，z ，h 】；o ，y ，z ，1 ) t = ( x ，y ，z ，z i a ) ( 2 8 ) 这里h = z i d 。可得 工+ ：x 。i h ：三 z | d y “。i h = 寺 z + = z i h = d 卜| | o 0 1 d o ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由( 2 - 7 ) 式可以看出，物体的透视投影的大小与物体到投影中心的距离成反 比，这就是透视投影的近大远小效果，这种效果与人的视觉系统和照相系统十分 相似，因此透视投影在虚拟现实系统中经常被采用。 ( a ) p 点的透视投影( b ) x 方向示意图( c ) y 方向示意图 削2 1 透视投影 曲北t 业人学硕士学仇论文 第章三维说景立体显示中的鲤实感图彤学技术 2 2 明暗处理方法 在真实感绘制过程中，首先计算物体表面的光强值，将它转换为图形软件所 支持的明暗模式，然后对物体表面进行浓淡处理。图形学中常用的几种处理方法 是：f l a t 明暗处理、o o u r a u d 明暗处理、p h o n e 明暗处理法。 f l a t 明暗处理，又叫常量明暗处理，是- 9 最简单也是最快的明暗处理方法。 在这种方法中，它用一种颜色对多边形进行填充，所以这种方法的显示效果较差， 一般用于要求速度重于细节的场合，如生成预览： o o u r a u d 明暗处理的基本思想是在多边形顶点处准确地计算明暗度，而对于 多边形内各点，用顶点的明暗度的线形插值算出掣线性插值可以与扫描线算法配 合，用增量来计算实现。如图2 2 所示，为多边形明暗度线性插值示意图，三个 顶点a ( x 。，y 。) 、b ，y 。) 、c ( x 。，y 。) ，它们的光强分别是，。、j 。、，。，则在点 o ，y 。) 处的光强，为： j 一；! 虹：羔2 ! ! 垫二兰2( 2 1 1 ) 。 x r 一工i ， 其中 c 幽2 - 2g o r e a u d 明暗处理法；r 意幽 描线 b ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 川一 川一 训一。 训一。 一一一一一一一一一一 = = 吒k 札 h i j q j ef ：业大学硕i ：等q f j k 火学硕七学位论文第三章双e t 也体视觉模型及立体幽像对 左眼或者让4 5 度的偏振光只进入右眼，i3 5 度的偏振光只进入左眼。0 度( 或4 5 度) 偏振光搭载右眼图像，g o 度( 或1 3 5 度) 偏振光搭载吉三眼图像。观众戴【：专 用的偏光眼镜观看立体图像对，可以让左右眼分别看到相应的图像。 分时技术：分时技术需要观众配戴液晶快门眼镜。此技术将左右眼图像分开 交替显示在屏幕上，同时发送一个同步信号控制液晶眼镜的左右镜片的状态切换 和显示器的画面的切换保持同步。在某一时刻显示左眼图像，此时液晶眼镜左镜 片关闭，让光线通过，右镜片打开，遮挡了光线，此时左跟看到左眼图像。当屏 幕刷新后显示右眼图像，此时左镜片打开，右镜片关闭，右眼看到了右眼图像。 这样屏幕以极快的速度切换显示左右眼图像，观众在视觉暂留特性的帮助下可以 看到连续的图像。本文所采用的就是分时立体显示技术。 光栅技术：光栅技术将屏幕划分成一条条垂直方向上的栅条，橱条交错显示 左眼和右眼的画面，如1 、3 、5 显示左眼画面，2 、4 、6 显示右眼画面。然后 在屏幕和观众之间设置一层随观众位置改变而作相应改变的“视差障碍学它也是 由垂直方向上的栅条组成的，其作用是阻挡视线，使左眼只看到左眼的栅条，右 眼只看到右眼的栅条，从而实现了左右眼只看到相应的图像。应用此技术观众不 需要配戴立体眼镜，但是要在头上配戴定位设备：同时观众必须在特定的范围内 才能正常观看。 在分时立体显示技术中要应用到液晶快门眼镜，液晶快门眼镜是一种高速的 电子快门眼镜，可根据立体显示驱动发出的同步信号调整开关，达到分离显示器 上显示的左右眼图像，即时的送给左右眼睛，实现左眼只看左眼图像，右眼只看 右眼图像的功能。目前左右眼图像表现在屏幕上的硬件格式有四种：交错式 ( i n t e r l a c i n g ) 、画面交换( p a g ef 1 i p p i n g ) 、同步倍频( s y n cd o u b l i n g ) 、线遮蔽 ( 1 i n eb l a n k l n g j 2 0 j 其中应用较多的是同步倍频和画面交换模式。 ( 1 ) 交错显示( i n t e r l a c i n g ) c r t 的画面是由扫描线组成的，它将- - n 画面分为两场，即奇数场和偶数场。 c r t 扫描时先扫描奇数场，再扫描偶数场，如此循环。交错显示模式的工作原理是 将左目艮图像置于奇数场，右眼图像置于偶数场，使用液晶快门眼镜与此模式搭配， 用场同步信号去控制液晶眼镜的左右开关，使左右眼分别看到相应的图像。此技 术对显示器的刷新频率没有要求，但是其画面解析度较差，此技术基本上已被淘 汰。 ( 2 ) 画面交换( p a g e f 1 i p p l n g ) 画面交换的工作原理是将定右瞅图像交互显示在屏幕上的方式，i 司时配备争 fj 的立体眼镜，将垂直同步讯号作为快门切换同步讯号。画湎交换提供全分辨率 的i 丽丽质量，敞其视觉效果是叫种0 ：体显示馍式中最佧的。但是画丽交换的硬件 阿j b 【业人学硕卜学化论文 第三章舣h 立体视觉模型及立体剀像对 要求也是最高的，需要有专业的显卡支持。 3 画面同步倍频( s y n c d o u b lin g ) 画面i 司步倍频是用硬件线路而不是软件去产生立体讯号。它的： 作原理是通 过外加电路的方式在t ：下画面问多安插一个画面垂直同步讯号，便可使。! 右跟画 面交错地显示在屏幕e ，使用画面垂直同步讯号作为液晶快门切换同步信号，使 左右眼分别看到相应的图像。该模式对硬件要求较低，任一3 d 加速显示卡芯片皆 可支持。由于画面垂直方向上压缩了一半，画质垂直解析度稍差，同时对显示器 的刷新频率要求较高。 4 线遮蔽( l i n eb l a n k i n g ) 线遮蔽的工作原理是将画面储存在缓存器中，送出遮蔽偶数扫描线的画面后 送出一个画面垂直同步讯号，再接着送出遮蔽奇数扫描线的画面，如此周而复始 的送出两个奇偶遮蔽的画面。该显示模式对显卡要求不高，但是垂直解析度差， 只有原画面一半，画质差；同时对显示器的刷新频率要求较高，一般要高于1 0 0 h z 。 我们采用的立体眼镜是天津三维显示技术有限公司生产的3 d c e 1 型立体眼 镜，此眼镜是应用于画面同步倍频显示模式的。此立体眼镜是一个穿透液晶镜片， 通过电路对液晶眼镜开、关进行控制，开可以控制眼镜镜片全黑，眼睛无法看到 图像；关可以控制眼镜镜片为透明的，此时眼睛可以看到图像。使用时需将显示 器分辨率设置为8 0 0 x6 0 0 像素大小，刷新频率设置为6 0 h z 。我们采用了画面同步 倍频显示模式来实现三维视景的立体显示。在三维视景中应用画面同步倍频显示 模式，将使两个虚拟摄像机获取的图像分别显示在屏幕的上下两部分，形成上下 图像对。如图3 1 0 所示。 图3 1 0 上f 图像对 曲i l 。业人：学硕l 学位论文 第四章立体显示系统的设l j 实现 第四章立体显示系统的设计与实现 在虚拟三维视景仿真中，通常的做法是应用专业的建模软件建立物体的三维 模型，然后保存为一文件，当虚拟视景仿真平台运行后，将此模型导入到视景中 并显示此模型。本文根据立体显示的原理和算法，给出了一个立体显示系统的设 计方案，并实现了一个用于建筑漫游的立体显示系统，可用于房地产展示、虚拟 战场以及数字娱乐等。本文所提出的基于微机的立体显示系统设计方案是：应用 m u l t i g e nc r e a t o r 建立物体的三维模型；应用d i r e c t 3 d 将模型导入虚拟视景中，并 应用双中心投影方法和汇聚双目视觉模型，获得三维视景的具有视差的图像，将 具有视差的视景图像显示在屏幕上；人们戴上立体眼镜观看显示器，采用立体显 示倍频器，借助液晶眼镜在高频下轮流遮挡单眼的方法，使左右眼看到不同的图 像，借助人脑对双眼图像的融合作用，从而产生三维立体感，实现了三维视景的 立体显示。 4 1 系统的软硬件配置 一般的立体显示系统都采用头盔显示器和高档图形工作站等，这些设备价格 昂贵，只有一些专业实验室才能配备得起，严重影响了其推广使用面。本立体显 示系统为桌面式虚拟现实系统，采用一般的p c 机和液晶快门眼镜来实现，不需 要专业的显卡，一般的图形显示卡即可，所以其成本很低。本立体显示系统的硬 件连接如图4 - 1 所示，所用的硬件设备有： ( 1 ) p c 机台，配置如下：美格1 7 寸c r t 显示器，在8 0 0 6 0 0 的分辨率 下，刷新频率可达到1 3 0 h z ；n v i d i ag e f o r c e 4m x 4 4 0 显卡，显存1 2 8 m ，支持 双缓冲区绘制；内存5 1 2 m ；i n t e rp e n t i u mi vc p u2 4 g h z ；硬盘8 0 g 。 ( 2 ) 立体显示倍频器，它将显示卡发送过来的含有倍频信号的图像一份为二， 倍频后将左右眼图像分开传送给显示器。 ( 3 ) 立体眼镜，此立体眼镜是一个穿透液晶镜片，在丌关电路的控制下，交 替控制左右镜片的开关。开町以控制眼镜镜片全黑，眼睛无法看到图像：关可以 控制眼镜镜片为透明的，此时眼睛，玎以看到图像。左右镜片以极高的速度交替开 关，从而使左右眼分别看到相应的连续的图像。 婀北i ：业大学硕r 学位论文 第四章立体显示系统的设汁与实现 所有设备按照图41 连接好后，将显示器刷新频率设置为6 0 h z ，同时将其分 辨率设置为8 0 0 6 0 0 像素大小。 软件环境： ( 1 ) 系统平台：鉴于目前p c 机巴常用的操作系统为w i n d o w s 2 0 0 0 和 w i n d o w s x p ，为了本系统的普适性，本文采用了m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。 ( 2 ) 编泽环境：本系统的软件语言是面向对象的高级语言c + + ，由于其具 有封装、继承、多态等特性，给实现立体显示系统带来了极大的便利。编泽环境 采用比较流行的m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 ，此编译环境提供了多种调试工具， 给实现立体显示系统提供了很大的帮助。 ( 3 ) 图形开发工具包：图形开发工具采用m i c r o s o f t 公司提供的d i r e c t 3 d s d k 开发工具包，由于此开发工具包与操作系统、开发语言编译环境均为 m i c r o s o f t 公司开发，因此应用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 可以自动生成系统的 框架，提供了许多集成的模块，给开发带来了极大的便利。 ( 4 ) 三维建模工具：c r e a t o r 是m u l t i g e n p a r a d i g m 开发的功能强大、交互 的三维建模工具，它提供“所见即所得”的建模环境，对建立逼真的三维模型非 常有利，在实时虚拟视景仿真中应用很广泛，因此本系统采用c r e a t o r 来建立物 体的三维模型。 显示器 画萌 4 2 系统的设计框图 显卡回 k 叭 口 u 主机 图4 一l 立体显示装置的连接 如图4 2 ，此图为立体显示系统设计框图。首先应用m u l t i g e n - c r e a t o r 建立物 体的三维模型，模型格式为o p e n f l i g h t 格式，然后用p o l y t r a n s 软件将模型转换为 曲北l ：业人学硕十学位论文第四章立潍显示系统的殴计与实现 d i r e c t 3 d 可识别的x 文件。应用d i r e c t 3 d 实现漫游和立体显示驱动，将x 格式 的物体模型导入视景中。观众通过鼠标、键盘以及摇杆交互地漫游视景，并实时 生成上下格式的立体图像对，将其显示在计算机屏幕上。观众应用立体眼镜来观 看显示器，可以看到逼真的立体视景，获取视景的立体深度信息，从而实现了三 维视景立体显示的目的。 一一 4 3 三维模型的建立 4 。3 1c r e a t o r 介绍 图4 2 系统设计框图 m u l t i g e n c r e a t o r 是由m u l t i g e n p a r a d i g m 公司开发的一个用于对可视化系统 数据库进行创建和编辑的交互工具，它有不同的m u l t i g e n 版本以适应于一系列系 统和平甘掣m u l t i g e n c r e a t o r 系列产品是世界上领先的实时三维数据库生成系统， 用于产生高优化、高精度的实时3 d 内容，可以用来对战场仿真、城市仿真和计 算可视化等领域的视景数据库进行产生，编辑和查看。m u l t i g e n c r e a t o r 软件包是 经济的、交互式的、高度自动化的软件，用它可以高效、实时地产生3 d 数据库 而没有视觉质量地损失。m u l t i g e n c r e a t o r 在满足实时性的前提条件下生成面向仿 真的、逼真性好的大面积视景。它可为2 5 种之多的不同类型的图像发生器提供建 模系统及工具，它的o p e n f l i g h t 格式在实时三维领域成为最流行的图像格式，并 成为仿真领域的行业标准。 o p e n f l i g h t 为m u l t i g e n 数据库的格式，在视景仿真领域中非常流行，它具有 分层的数据结构。o p e n f l i g h t 使用几何图形层次结构和属性来描述三维物体，可 以辣汪从数据库到物体顶点、面的精确控制，便于计算机的实时处理和别+ 各个结 点的编辑? 此数据库应用几俐图形、层次和属性来定义不同的模型，它们分别提 瞬北i 。业人学顾_ _ ：学位沦文第四章立体显示系统的殴计j _ 实现 供了独特的功能。几何图形定义了三维空间中的一系列有序的坐标点，包括多边 形，顶点等，如一个正方形盒子的每个面是由四个顶点组成的。层次定义了一个 额外的结构，用于将各个顶点组合成一个逻辑单位，便于计算机高效地处理，如 层次结构图中一个四边形下面包括四个顶点，此四个顶点组成了一个四边形。属 性则为每个结点提供了附加的特征信息，如颜色、纹理、村质等。数据库的层次 结构图中，包括如下一些基本结点：群、对象、面、顶点等。群结点是逻辑上相 关的对象结点的集合，对象结点是面结点的集合，面结点是有序的、共而的顶点 结点的集合，而顶点结点则是三维空间中的坐标点。图4 3 是一个立方体的层次 结构图，b o x o b j e c t 结点为对象结点，其下面六个面为面结点，每个面下面为顶 点结点。另外层次结构图中还包括一些特殊的结点，包括自由度( d e g r e e so f f r e e d o m ) 结点、层次细节( l e v e l so f d e t a i l ) 结点、光源( l i g h ts o u r c e ) 结点、 声音( s o u n d ) 结点等。自由度结点提供了结点的运动自由度；层次细节结点定 义了在不同的距离内所显示的细节复杂程度：光源结点定义了光源的位置和方向 等；声音结点将一个声音文件与数据库中的结点想关联起来。 b o x o b jo c t f a c e11 | f a e e2 llf a c e3l | f a e e4 llf a i c e5 iif a c e6 掘i ! ；：j i 菊翔幽萌丙丙声两暖l 囱卤碴朋两尚幽五! ： 列2 - 1 习h 匮雁藤 图4 - 3o p e n f l i g h t 模型层次结构图 4 3 2 模型的建立与优化 本文用m u l t i g e n c r e a t o r 建立物体的三维模型。建立模型时，要考虑到现实 中的物体形状、比例等因素，建立的模型耍非常逼真。另外，如果现实中建筑物 尚末建成或末动工兴建，要根据二 ：程图纸巾设计的建筑物来建立三维模型。考虑 系统的实时性要求，物体的模型不能太精细，数据量不要太大。模型的精细逼真 第网章立体显示系统的嫂计与实现 与系统的实时性要求是相互矛盾的，需要合理的解决这个矛盾。为此，在建立好 模型后，充分应用c r e a t o r 提供的各项功能，采用各种优化技术，在保汪视觉效 果的前提下，降低多边形数据量和模型的复杂程度? 在应用c r e a t o r 建立物体的 模型时，应用到了以下优化技术： 实例( i n sl a n e e ) ：一个建筑物中有许多相同的物体，如桌、椅等，在建筑物 模型中使用大量相同的物体几何模型将导致多边形数量增加许多，这将大大增加 系统开销。当视景较大时，模型一般是比较多的，如果一个模型中包含有几十万 甚至上百万个多边形面，就目前一般的显卡而言，要实时绘制这些模型是很难实 现的。因此，必须采取措施减少物体多边形面的数量，此时可应用到实例技术。 实例指的是对本数据库中的几何图形进行引用，它在计算机内存中存放一个模型 的实例，如桌椅，在视景中其他需要相同模型的位置通过几何变换来得到此模型。 应用实例技术，在内存中只有一个几何图形占用内存空间，从而节省了内存的空 间，降低了系统开销。 自由度( d o f ) ：在建筑物中，不是所有的物体都是固定不动的，有些特殊的 物体是可以活动的，如门，因此在建立建筑物的三维模型时，必须考虑到这些因 素，将门的模型制作为可以活动的模型，此时可应用自由度技术。自由度用来定 义模型某一部分的移动和旋转，它建立了一个局部坐标系，用来控制几何图形围 绕坐标系的轴进行运动。此坐标系是用户为模型建立的局部坐标系，而不是数据 库中的坐标系。自由度结点可以实现不同的旋转、比例和移动等，在三维空间中 甚至可是实现全自由度的运动。门等可以活动的模型建成自由度结点，在应用 d i r e c t 3 d 开发漫游驱动时，可以获取此模型结点，并编程控制此模型的移动与旋 转，如当漫游时，人走到门前，此时可以让门打开，这些都可以编程实现。另外， 自由度技术还可以应用在点击拾取中，如用鼠标点击某个模型，可以获取此模型 的相关信息。 纹理：在应用c r e a t o r 建立模型时，需尽量减少物体模型多边形面的数量。 为了降低模型的线条和三角形面的数量，建立模型时可以采用纹理贴图，以代替 局部复杂结构的模型，如：用树的纹理图片代替树，并采用b i l l b o a r d 技术使树 的f 面总是面向观察者。纹理一般通过数码相机拍摄现实中的物体来获取。为了 系统的实时性，纹理的长宽均为2 的幂次方。对于有透明要求的纹理，其纹理格 式需改为r g b a 格式。 细节度( l o d ) ：考虑到系统的实时性，在火视景中，当观察点距离模型较远 时，显示简单的模型，当观察点距离模型较近时，显示精细的模型，此时可以应 用到【( ) d 技术。l o d ( l e v e l so fd e t a i l s ) 技术就是在不影响画面视觉效果的条件 f ，通过逐次简化景物的表面细节柬减少视景的几何复杂度，从而提高绘制算法 汕北_ ：_ 。业大学硕t 学位沦文 筇f j _ q 章立体显示系统的设计与实现 的效率。因此在建模时，要建立一个物体的不同【o d 模型。 声音效果：我们的真实世界空问中是充满了声音的，在三维虚拟空间中也应 当有声音存在。声音效果的添加可以在编程时实现，如应用d i r e c t x 中的d i r e c t s o u n d 模块来实现；也可以在建模时实现，即在一个模型中将某个结点与一个声 音文件相关联起来，从而建立声音结点。然后将此声音结点放在数据库需要播放 声音的地方。对于视景中一些发声的物体，最好能在建模时将声音加进去，如发 声的喇叭等。 外部引用：指的是一个数据库调用另一个数据库中的几何图形。创建外部引 用时，被引用数据库的路径和文件名称被存储在引用数据库中的外部引用结点中， 当读取数据库时，根据其路径和文件名寻找到各个相应的三维模型并将其放在数 据库中的相应位置。对于一个大型的复杂的数据库，外部引用是相当有用的。应 用外部引用，可以大幅度的减少一个大型数据库中的多边形的数据量。例如，在 一个视景中有多个相同的房子，用户可以在外部数据库中创建一个房子，在视景 中创建多个房子的外部引用。这样可以减少本数据库的数据量和用户建模的工作 量，同时外部数据库中房子模型若改变则本数据库中模型都将改变，这样便于编 辑处理。 模型建立后，还要采用模型简化方法来简化物体的模型，其基本的思想是用 户给定一个误差阀值或希望的化简网格数目来对模型进行简化。基本的简化方法 有顶点删除方法、边压缩方法、面片收缩方法等。顶点删除方法是删除网格中的 一个顶点，然后对它的相邻三角形形成的空洞做三角剖分，以保持网格的拓扑一 致性。边压缩方法是把网格上的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角 形退化，其面积为零，而它的两个顶点融合为一个新的顶点。面片收缩方法指的 是把网格上的一个面片收缩为一个顶点，该三角形本身和其相邻的三个三角形都 退化，而它的三个顶点收缩为一个新的顶点。另外还有其它方法，如：基于八叉 树表示的模型简化方法、基于简化信封的模型简化方法、基于超曲面的模型简化 方法等_ j 具体操作时可以采用v i r t u e3 d 模型简化工具来简化模型，此工具可以 自动的简化模型，同时保持模型的纹理、材质、法线等属性不变。 另外，在建模时要合理的组织模型的层次结构，如果层次结构组织不合理， 将会导致模型数据量的增加，同时还会产牛一些意想不到的结果。如图4 4 ，此 图为某个物体的l o d 模型结构层次图，此模型共有三个l o d 模型，分别为m o d e l l 、 m o d e l 2 、m o d e l 3 ，当模型距离视点1 0 0 0 0 一1 5 0 0 0 m 时显示m o d e l l ，当距离为 2 5 0 01 0 0 0 0 m 时显示, n o d e l 2 ，当距离为( ) 一2 5 0 0 m 时显示m o d e l 3 。数据库中采刑两 种结构来存储此模型。图4 4 a 所示的结 勾，根据距离的远近，可以显示m o d e l 和m o d e l 2 ，或者什么都不显示。若数据库采用图44 a 所示结构，m o d e l 3 是无法 曲北一业人学硕l 学位论文第四章立体显示系统的设计与实现 显示的。因此可以改为图4 4 b 所示的结构，这个结构中，m o d e l l 、m o d e l 2 、m o d e l 3 都可以显示出来。 丑 医蓝】习 i “ & l i医10000互-2500_u12500-0 盎l 自由由由 图4 4l o d 模型结构层次图 应用c r e a t o r 建立的模型，既精细逼真，又满足了实时性的要求，图4 - 5 为 建立好的房屋的模型外观图。 图4 5 房屋模型外观图 4 4 漫游及立体显示驱动设计 4 4 1d ir e c t x 介绍 d i r e c t x 是微软开发出的一套主要用在多媒体、2 d 游戏、3 d 游戏的a p i ， 其中包含了各类与制作多媒体功能相关的组件( c o m p o n e n t ) ，各个组件提供了许 多处理多媒体的接口与方法。从d i r e c t x l 0 到d i r e c t x 3 0 ，微软使其d i r e c t x 丌始 在图形领域树立起3 d 的标杆，尽管当时的3 d 还很粗糙，但是雏形已初步形成， 到d i r e c t x 7 0 丌始，随着o p e n g l 和g l i d e 势力f 1 渐衰弱，d i r e c t x 的优势初现， 到d i r e c t x 8 0 发布后，d i r e c t x 已经在3 d 领域树立起它的权威地位，如今新的 d i r e c e t x 9 0 的地位更为明显。微软最新公布的d i r e c t x 9 0 中包岔有d i r e c t x 曲北川k 人+ 、浮颂+ 一学位论文 第四章立体冠示系统的改计与实现 g r a p h j c s ( d i r e c t 引 + d i r e c t d r a w ) 、d i r e c t l n p u t 、d i r e c t p l a y 、d i r e c t s o u n d 、d i r e c t m u s i c 、 d i r e c t s h o w 、d i r e c t xm e d i ao b j e c t s 等多个组件，它提供了一整套的多媒体接口方 安州 mo d i r e c t x 在三维视景仿真中主要应用到的是d i r e c t 3 d 。d i r e c t 3 d 是微软公司 d i r e c t xs d k 集成开发包中的重要部分，适合于多媒体、娱乐、实时3 d 动画等领 域的3 d 图形讨算。白1 9 9 6 年发布以来，d i r e c t 3 d 以其良好的硬件兼容性和友好 的编程方式很快得到了广泛的认可，现在几乎所有的具有3 d 图形加速功能的显 示卡都对d i r e c t 3 d 提供良好的支持。d i r e c t3 d 电随着d i r e c t x 的升级而不断更新， 同时在微软的全力扶植下，d i r e c t3 d 技术发展速度极快，d i r e c t x7 中d i r e c t3 d 正式支持硬件t & l ( 光影变换) 、d i r e c t x8 中d i r e c t3 d 对p i x e ls h a d e r ( 像素着色 器1 和v e r t e xs h a d e r ( 顶点着色器) 提供了支持、d i r e c t x9 中d i r e c t3 d 提供2 0 版本的可编程顶点和像素着色模式。 d i r e c t