制作三维立体画

1、用计算机程序制作三维立体画摘 要 该文介绍了三维立体画的原理和制作方法,并给出了用c语言编写的源程序。借助于pbrush.exe,读者可以自己设计和欣赏各式各样的三维立体画。 目前,市面上正在流行各式各样的立体画,其特点是从外表来看与一般的图案很相似,但是双眼紧盯着注视片刻后,一恍惚之间眼前便出现了画中画立体像。笔者第一次看到这种画便被发明者的创意所倾倒。利用众所皆知的双眼视差原理,竟能在一张平面纸上制造出如此奇幻。但是立体画本身除了其发明者的灵感和画面创作者的别出心裁之外,其原理上并无神秘之处。用计算机程序来实现它,可说是易如反掌。笔者用一个晚上时间,便在微机上用basic语言实现了简单形体

2、平面圆饼的立体画。当然,要使该程序具有完善的功能,提高其制作速度,还是应该用编译语言(如c语言)来编写。本文中给出的源程序借助于windows中的.bmp图形文件,可使大家自己制作任意形态的立体画。一、立体画的原理 看过立体电影的人都知道,当人的双眼分别接收不同视角拍摄的图像时便会产生立体感。这是由于人眼长期观察的习惯造成的。和立体电影原理相同的立体摄影风景照片也很早就已出现。图1中给出了这种立体照片的示意图。左、右照片分别是人的双眼角度上观察一棱锥体时左右眼看到的图像(图2)。左眼看到的是棱锥的顶端向右错动了一些的图像,右眼的看到则是棱锥的顶端向左错动了一些的图像。如果用一张硬卡片隔开两张照

3、片(如图3),09a04000.gif;图109a04001.gif;图209a04002.gif;图3双眼分别看两张画,会看到一个立体的棱锥体。这种立体照片的观察方法在测绘学中也早已采用。但是,目前的三维立体画在形式上与这些很不相同。它是怎样在同一张画面上呈现立体的呢?首先,分析一下人们是怎样从这些立体画中看出“立体形体”的。从前面所说的可以知道,人眼要得到立体感,双眼必须有视差,即双眼看到的图像应该有差异。人们在看立体画时,都有“恍惚”一下的过程。在这过程中,双眼的视中心发生了错动(如图4)。这样09a04003.gif;图4左眼看到的是画面的“偏左像”,右眼看到的是画面的“偏右像”。只要

4、“偏左像”和“偏右像”的内容相当于图1的左、右照片,双眼就会感到立体形体。那么,能否把图1的左、右照片分别当做“偏左像”和“偏右像”,简单重叠来得到立体画呢?显然不行。能够合成立体画的“偏左像”和“偏右像”是要满足一定条件的。如果图5中表现的棱锥体的表面上有图案的话,09a04004.gif;图5像素a和像素a''应该具有相同的颜色,因为它们是从不同视角观察的同一个实体点。像素b和像素b''、像素c和像素c''的情况与此相同。把两幅画分别当作“偏左图”和“偏右图”,部分重叠成为同一画面时,在新的画面上这种关系仍应该表现为a=a''

5、,b=b'',c=c''(如图6)。但这时应该注意到,在这张合成09a04005.gif;图6画面上,点a''既是“偏右图”上的点a'',又是“偏左图”上的点b。而一张画面上相同坐标点的像素只可能是一种颜色,因此,产生了新的像素关系a''=b。另外,点a既是“偏左图”上的点a,又是“偏右图”上的点c'',所以,a=c''。以此类推,点b''和点c也有类似的情况。因此出现了新的关系表示式,.''=c=c''=a=a''=b

6、=b''=.。这就构成了立体画面上像素必须要满足的条件:“等颜色像素链”。立体画上的所有点都从属于某一条“等颜色像素链”。这就是所有立体画图案都呈现出某种程度上的水平周期性的原因。因此,对于任意立体形状,只要构造出相应的这种“等像素链”,并按其规律充填图案即可得到立体画。但是正如前面所述,由于这种“等像素链”条件的约束,人们虽然可以随意构造出各种形体的立体画,但其立体形体的表面图案是不能完全随人意愿的。二、制作立体画的计算机程序由于人的双眼的水平性,以上的“等像素链”只按水平方向分布,与垂直方向无关。因此,在程序中,各个像素行的处理过程是相互独立的。制作立体画的程序主结构图如图

7、7。09a04006.gif;图7 制作立体画的程序主结构图在以上结构图中,关键是如何建立“等像素链”。具体的处理如下。对于立体形体上的每一个点,首先求出该点在“偏左图”和“偏右图”上的坐标。以图1中的棱锥顶点为例,实际上其x坐标是在中心点,但由于双眼的位置并不在其正上方,顶点在“偏左图”上向右位移,在“偏右图”上向左位移,而且其位移值的大小显然与其高度有关,即该点坐标越高位移值就越大。,b,c等点也都有这些位移。在求出一个点在“偏左图”和“偏右图”上的坐标后,再算出在合成图(如图6)上的对应坐标,以建立“等像素”关系,如a=a''。当立体形体的一个水平剖面上的全部点经过以上处

8、理后,合成图的各条“等像素链”关系也就自然形成了。另外,由于有可能出现高点遮盖低点的情况,“等像素链”的构造应该从低点到高点逐层进行,高点的“等像素”关系将替代低点的“等像素”关系。这也是程序主结构图中“首先,对于没有任何形体存在的背景平面构造等像素链”的原因。下面给出了根据以上结构图用c语言编写的源程序。程序中,每一个坐标点对应一个结构型数据,它包含“前像素”、“后像素”两个指针。“前像素”指针指向该坐标点作为“偏右图”上的一点,在“偏左图”所对应的点的坐标。“后像素”指针指向该坐标点作为“偏左图”上的一点,在“偏右图”所对应的点的坐标。程序中,“立体形体水平剖面的高低坐标数据”、“原始图案

9、素材”和输出的“立体画”的文件格式都是采用了windows3.1 的pbrush产生的bmp图形文件格式。图幅大小要求都是640×400,用16种颜色方式。其中,立体形体上各点的高低坐标用图形文件中的颜色值表示,因此该图形文件的图形与带颜色的等高线图安全相同。通常情况下,在16色的bmp文件中颜色值从小到大的顺序为:黑色、暗红色、暗绿色、暗黄色、暗蓝色、暗紫色、暗青色、暗灰色、灰色、明红色、明绿色、明黄色、明蓝色、明紫色、明青色、白色。本程序采用最简单的“图案充填”方案,即各条“链”上的像素点皆采用该“链”上的第一个像素的颜色。程序中的常数eye-space表示“偏左图”和“偏右图”

10、之间的偏差,bo-dot是表明“链”的首或尾的指针标志。该程序寄生在windows 3.1中的pbrush软件上。借助于它来构筑立体形体(即立体形体水平剖面高低坐标数据文件图8),设计原始图案(图9)。程序运行后,逐行输入并处理以上两个文件中的图形,然后输出立体画结果文件(图10)。最后,用pbrush来观赏立体画result.bmp。当然,要设计出令人赏心悦目的立体画,必须在立体形体和图案素材的选择和搭配上做到天衣无缝,独具匠心。09a04007.gif;图809a04008.gif;图909ain the file */bitmapfileheader;struct tagbitmapin

11、foheaderunsigned long int bisize,/* size of bitmapinfoheader */biwidth;/* width in pixels biheight;/* height in pixels */unsigned int biplanes, /* always 1 */bibitcount; /* color bits per pixel must be 1,4,8 or 24 */unsigned long int bicompression, /*bi-rgb,bi-rle 8 or 4*/bisizeimage, /*total bytes

12、in image */bixpelspermeter,/* 0,or opt,h res. */biypelspermeter,/* 0,or opt,h res. */biclrused, /* normally 0,can set a lower no. colors than bibitcount */biclrimportant; /* normally 0 */bitmapinfoheader;struct tagrgbquadunsigned char rgbblue, /* blue intensity,0-255 */rgbgreen, /* green intensity,0

13、-255 */rgbred, /* red intensity,0-255 */rgbreserved; /* reserved,set to zero */rgbquadnum-color;char *fn-layer="layer.bmp"char *fn-org="origin.bmp"char *fn-result="result.bmp"file *flayer,*forigin, *fresult;unsigned char tmp-byte1,tmp-byte2;unsigned int line,i-byte,i-pi

14、xel,x;unsigned int layer;int left-x,right-x;tmp-x;unsigned long int cur-offset;unsigned char hwidth,org-colorwidth;puts("-wintrick-");puts("-by li jisong -");if( (flayer=fopen(fn-layer,"rb") )!=null) fread(&bitmapfileheader,size-of-bitmapfilehader,1,flayer);fread(&a

15、mp;bitmapinfoheader,size-of-bitmapinfoheader,1,flayer);if( bitmapfileheader.bftype1=''b'' && bitmapfileheader.bftype2=''m''&& bitmapinfoheader.biwidth=width && bitmapinfoheader.biheight=num-line&& bitmapinfoheader.bibitcount=bits-per-pi

16、xel&& bitmapinfoheader.bicompression=compression)fread(rgbquad,size-of-rgbquad,num-color,flayer);elsefclose(flayer);printf("file %s is not fit for this program!n",fn-layer);getch();exit(1);elseprintf("file %s does not exist!n",fn-layer);getch();exit(2);if( (forigin=fopen(

17、fn-org,"rb")!=null) fread(& bitmapfileheader,size-of-bitmapfileheader,1,forigin);fread(& bitmapinfoheader,size-of-bitmapinfoheader,1,forigin);if( bitmapfileheader.bftype1=''b'' && bitmapfileheader.bftype2=''m''&& bitmapinfoheader.biwi

18、dth=width && bitmapinfohdader.biheight=num-line&& bitmapinfoheader.bibitcount=bits-per-pixel&& bitmapinfoheader.bicompression=compression)fread(rgbquad,size-of-rgbquad,num-color,forigin);else fclose(forigin);printf("file %s is not fit for this program!n",fn-org);get

19、ch();exit(3);else printf("file %s does not exist!n",fn-org);getch();exit(4);if( (fresult=fopen(fn-result,"wb")!=null)fwrite(&bitmapfileheader,size-of-bitmapfileheader,1,fresult);fwrite(& bitmapinfohiader,size-of-bitmapinfoheader,1,fresult);fwrite(rgbquad,size-of-rgbquad,n

20、um-color,fresult);else printf("file %s open error!n",fn-result);getch();exit(5);for(line=0;line<num-line;line+)printf("line=%dn",line);cur-offset=(unsigned long int)pixel-data-offset+(unsigned long int)byte-per-line*line;fseek (flayer,cur-offset,seek-set);fseek (forigin,cur-of

21、fset,seek-set);for(i-byte=0;i-byte<byte-per-line;i-byte+) fread(&tmp-byte1,1,1,flayer);fread(&tmp-byte2,1,1,forigin);for(i-pixel=0;i-pixel<pixel-per-byte;i-pixel+) x=i-byte*pixel-per-byte+i-pixel;if(x<width) hx=(unsigned char) (tmp-byte1<<(bits-per-pixel*i-pixel) /(unsigned ch

22、ar)0x80>>(bits-per-pixel-1);org-colorx=(unsigned char) (tmp-byte2<<(bits-per-pixel*i-pixel)/(unsigned char)0x80>>(bits-per-pixel-1);for(x=0;x<width;x+) dotx.color=0;dotx.nxt-x=no-dot;dotx.pri-x=no-dot;if(x+eye-space)<width) dotx.nxt-x=x+eye-space;if(signed)x-eye-space)>=0)dotx.pri-x=x-eye-space;for(layer=1;layer<num-color;layer+)for(x=0;x<width;x+) left-x=x-eye-space/2+(layer/2);right-x=x+eye-space/2-(layer