用计算机程序制作三维立体画

用计算机程序制作三维立体画

摘 要 该文先容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,一模糊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——平面圆饼的立体画。当然,要使该程序具有完善的功能,进步其制作速度,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。假如用一张硬卡片隔开两张照片(如图3),@@09a04000.gif;图1@@
@@09a04001.gif;图2@@
@@09a04002.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“模糊”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“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。
假如图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,由于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'',b=b'',c=c''(如图6)。但这时应该留意到,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=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,对于任意立体外形,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,人们固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。
@@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”关系将替换低点的“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

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