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一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图片合成方法

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有关立体成像技术的释疑——答立体爱好者问

 

 

一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图片合成方法


摘要:对基于柱透镜光栅的立体照片的制作原理进行了理论分析,推导了立体成像的光学原理,结合现代数字图像处理技术,对多幅图像的匹配及合成方法进行了分析,提出和实现了一种计算机辅助彩色立体图片合成方法。实验结果表明,利用计算机系统进行彩色立体图片制作是一种完全可行的方案,较之传统的立体照片制作工艺,在经济性及使用灵活性等方面具有非常明显的优势。
  关键词:立体图片;图像匹配;图像合成;柱状光栅
    一、 引言
  
目前,获得立体感的方法有多种,其中视差立体法观察者不必通过特制装置即可直接用肉眼观察。该方法采用柱镜状光栅片或平行线条光栅,其理论基础在于利用光栅对光线的折射配合人的双眼视差和会聚形成立体感。最早的立体图片制作方法主要是利用印刷或照片冲扩技术,将由不同角度拍摄的同一景物的多张图片印刷或扩印在纸张上,再由人工贴上柱透镜光栅片,从而产生立体效果。这种工艺存在操作难、效率低、质量差、废品率很高,且需要昂贵的特种制造设备和耗材。大大阻碍了这项技术的应用发展。
  近年来,计算机技术尤其是图像输入、处理及输出技术的飞速发展为计算机合成立体图片提供了可能。本文将在基于柱透镜光栅的立体照片的制作原理进行理论分析的基础上,结合现代数字图像处理技术,提出和实现一种计算机辅助彩色立体图片合成方法。较之传统的立体照片制作工艺,在经济性及使用灵活性等方面具有非常明显的优势,有着广阔的应用前景。
  二、 柱透镜光栅立体成像原理
  
利用柱透镜实现立体成像原自于视差立体法,即利用人的双眼视差和会聚所构成的深度感实现人意识中的立体感。因此理论上讲,只有从两个以上略为不同的观点取得景物的一组图像方可合成出立体图片。
  柱透镜光栅由许多结构参数和性能完全相同的小圆柱透镜组成,这一特性使得它对图像具有“压缩”和“隔离”作用。圆柱光栅能将从不同角度拍摄到的许多图像以条纹状态记录在同一张图片上。在观看时,也利用同一种圆柱光栅,使人双眼看到的是同一景物的两个不同的像,于是人的意念中就产生具有视差立体效果的深度图像。由于柱透镜光栅是由平面线形排列的圆柱透镜组成。所以柱透镜光栅立体图片应称为单向式自动立体图片,其意义为只能感觉到水平向视差信息。根据柱透镜光栅成像原理,利用光学方法制作的立体图片主要有如下特点[1~5]
  1. 立体图片必须是对同一景物从不同视角所拍摄的一组图片组成。由于光栅的单向立体特性,要求此组图片拍摄时的位置处于同一高度。
  2. 所合成的立体图片由平行于柱状光栅轴向的条纹组成,同一光栅栅距下等间距顺序排列一组图片中每张图片的相应位置信息。如图1所示为由两幅图片合成的立体图片情况。

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图1 两幅图片合成立体图片情况

  3. 由于每张图片拍摄位置的原因,同一点在立体图片上相应有两个点,从而形成位错,这也正是立体感形成的原因所在。


  三、 图像的双邻域匹配与立体图片合成
  
由前文分析可知,为得到好的立体效果,立体图片的合成首先需要实现主体景物成像在纸面上,亦即主体景物上点的位错为零。因此图片合成的关键在于实现一组图片间的相互匹配。实际上,由于拍摄角度不同,完全的位错为零的匹配从理论上讲是无法实现的[6],因此我们提出了双邻域匹配的近似方法,取得了很好的效果。具体算法如下:设一组图片在计算机中的集合,其中根据拍摄位置确定Vm为主图像,Vai为副图像。假定在主体景物的某一区域内成立如下假设:
  1) 表面是平坦的;
  2) 入射光是均匀的;
  3) 表面反射强度变化是平滑的,无空间不连续点。

 

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图2 位错与立体感

  在主体景物上分别取Vm、Va1、Va2、Va3……的子集Sm、Sa1、Sa2、Sa3……,Sm与Sai(i=1、2、3、……)分别进行匹配。首先在Sm中确定两点P(x,y)、Q(x1,y1),根据以其为中心的大小为(2n+1).(2n+1)的两个邻域在相应的Sai中寻找匹配点Pi(x′,y′)、Qi(x1′,y1′),满足

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其中R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分别为图像在点(x,y)处的R、G、B值。
  对图像Vai依据Pi、Qi两点确定的方向和Pi点进行平移和旋转变换,即实现了图像Vm与Vai的匹配。当所有图像的匹配完成后,即可最后合成一幅包含立体信息的图像。具体方法如图3所示, 按照图像尺寸大小(实际为图像文件中数据量大小)对每幅图像进行纵向条状分割编号, 再按照拍摄时图像所居位置次序将同样编号的条顺序排列,形成一幅新的包含立体信息的 图像。再根据覆盖光栅的栅距大小……。

 

图3 立体图像的合成

  四、 误差分析
  
现在市场上的柱透镜光栅的栅距有0.1、0.22、0.3、0.5、0.6和1.0mm等规格,彩色喷墨输出设备的输出分辨率一般是按dpi,即1英寸容纳的点数决定的,例如300dpi,720dpi等等。在立体图片计算机合成时,光栅栅距采用的国际标准单位与打印机输出分辨率采用的英制单位之间的换算引入的系统误差是主要的误差源。例如,对于0.6mm栅距的光栅,以3……。
   另外,换算误差还影响了立体图片上信息分布的正确率,如图4所示。图中上面的坐标线表示打印机的输出的点,下面……。经测定,如此分布的信息准确率在84%左右。

 

图4 300dpi的分辨率和0.6mm光栅的情况

  五、 结论与展望
  
由于计算机图像处理技术的不断发展以及彩色喷墨输出技术的不断成熟,基于视差立体法的计算机彩色合成立体图的方法虽然刚刚起步,但已显示出极强的生命力。它不仅操作简单,而且效率高,成本低。立体图片是一种标志着未来发展方向和替代性革命的高科技产品,在日常生活、广告宣传、文化娱乐、包装装演、建筑装饰、出版教育、防伪技术及旅游纪念等方面,都有广泛的民用和商用前景。