光柵立體圖像 視覺新魅力

雷跳+陳娜+馬先鐸+章小春

光柵立體印刷通過使用光柵板而使經過立體處理的平面圖像再現立體感。由于光柵立體印刷品具有真實立體感或動畫、異變等效果，相對傳統印刷品，其更具視覺沖擊力和吸引力，而且經過立體處理后的線狀像素合成圖像相當于進行了光學加密處理，具有良好的防偽效果。因此，光柵技術已廣泛應用于酒包裝防偽設計，如五糧液應用的版紋防偽，便是一種典型的光柵技術，不僅起到很好的防偽作用，還能提升酒的附加值。

3DMAX是模型建構、動畫制作、虛擬設計的主流軟件，其功能強大，通過構建模型，可以生成立體視覺環境。本文將重點介紹基于3DMAX三維模型的光柵立體圖像的生成，期望為光柵技術更好地應用于酒包裝防偽提供更多新思路。

光柵立體圖像立體成像原理

光柵立體圖像根據雙眼立體視覺的生理特性，將模擬雙眼視差的序列視差圖像抽條、合成后通過光柵板立體再現。

1.立體視覺

雙眼瞳孔之間在水平方向上有一定距離，在觀看物體時與物體之間會形成一定的夾角，所以，物體在左右兩眼視網膜上的成像不完全一樣，即雙眼視差。如圖1所示，當觀看F點時，F點會分別在左右兩眼的視網膜f與f′的位置成像。而比F點距離遠的E點和比F距離近的G點分別在e、e′和g、g′的位置成像。顯然，E、F、G這三點在左右兩眼的視網膜上成像的幾何位置不同，于是大腦綜合分析左右兩眼得到的不同影像之后，就會產生縱深感。一般用α、β、γ表示會聚角（輻輳角），用（β-α）、（γ-α）表示相應的視差角。物體在左右兩眼所形成的圖像在一定的視差范圍內能很好地融合成一體，構成深度和位置的信息，于是人們便產生立體視覺感。

2.立體再現

當人眼直接觀看光柵立體圖像時，只能看到模糊不清的豎狀條紋影像，只有經過相應光柵板的折射分像，才能再現立體效果。

光柵板是由多個結構參數、性能完全相同的柱透鏡通過線性排列組成的透明塑料板。柱透鏡的一面是曲面，另一面是平面，在柱透鏡相互排列的水平方向上，每一個柱透鏡均相當于會聚透鏡，起到成像作用，其平面為焦平面。

光柵立體圖像位于光柵板的焦平面上，圖像上的任一點經柱透鏡折射后形成平行光束，以柱透鏡的光軸為對稱中心，光軸左側的光線經折射后形成一束平行光向右側折射，形成左視圖，光軸右側的光線經折射后形成一束平行光向左側折射，形成右視圖。這兩束平行光相互獨立，互不干擾，形成的左右視圖分別進入左右眼睛，經大腦融合便產生具有縱深感的立體圖像。

基于3DMAX三維模型的光柵立體圖像的生成

基于3DMAX三維模型通過虛擬立體攝影獲取序列視差圖像，并將其抽條、合成處理為光柵立體圖像后輸出在光柵板上，從而實現圖像的自由立體再現。

1. 獲取序列視差圖像

通過在3DMAX中虛擬立體攝影，設定虛擬相機線列，獲取序列視差圖像。虛擬立體攝影關鍵技術主要有：立體攝影方式的選擇、立體攝影鏡間距的計算以及虛擬相機的參數設定等。

（1）立體攝影方式

立體攝影方式主要有會聚法和平行法兩種。

會聚法是將相機以被攝物中心點為圓心做小段的圓弧移動，每隔相同的夾角進行拍攝，照相機的光軸始終對著被攝物中心。會聚法得到的圖像效果更接近于人眼觀察的效果，攝取的立體圖像也比較圓潤、清晰，有較強的真實感和立體感。但會聚法立體攝影方式會因為光軸沒有和被攝物體所在的平面垂直，從而產生梯形失真現象。梯形失真使人眼對物點產生垂直視差，從而造成視覺干擾，梯形失真一般只會影響到圖像的邊緣兩側，對中心主體部位的影響不大。因此，會聚法適合拍攝主體物體較為集中的三維場景。

平行法是相機進行平行移動，進行等間距拍攝，相機的光軸始終垂直于被攝物體所在平面。平行移動法拍攝過程中不需要旋轉相機鏡頭，鏡頭始終與被攝物所在平面垂直，從而避免了梯形失真現象。但采用平行法時相鄰圖幅重疊區域較小，因此立體視區容易受到限制。

（2）立體攝影鏡間距

立體攝影鏡間距決定著立體圖像空間前后縱長的深度，影響著立體影像與原景物空間的比例關系，并與立體視覺是否舒適有關，因此必須采用規定的計算公式，通過仔細的計算才能確定。

（3）3DMAX三維建模

利用3DMAX進行三維建模首先應先進行三維場景布局，再建立場景中的各種模型，然后添加燈光和材質，最后渲染輸出。

三維場景布局要符合立體攝影的基本要求。三維場景的色彩和空間層次應多樣化，使立體影像效果更加明顯、豐富。立體攝影著重于空間與層次的再現，因此在采光時應以自然光為主，而非人為布光，以制造強烈的明暗對比，強化被拍物體的立體效果。

（4）3DMAX中照相機的使用

完成三維建模之后模擬雙眼立體視覺，需要將該三維場景進行投射或移動，以得到序列視差圖像。3DMAX提供了照相機對象，其能夠簡化投影過程。

①度量單位

由于3DMAX中高級光照特性是使用真實世界尺寸進行計算的，其要求建立的模型與真實世界的尺寸一致。因此，可以利用3DMAX對真實世界進行模擬，對圓弧法和平移法立體攝影進行虛擬再現，借助3DMAX軟件平臺得到序列視差圖像。

②照相機對象

在3DMAX中可以生成照相機對象（目標照相機和自由照相機），其作用與真實世界的照相機一樣，用于記錄靜態或動態的圖像。

照相機在創建后就被指定了默認的參數，包括：鏡頭，視野和目標參數，鏡頭和視野是相關的，即改變鏡頭焦距，照相機視野也會隨之改變。人眼所能聚焦的角度是48°，立體攝影是利用相機模擬人眼對物體的觀看模式進行拍攝。為了生成更符合人眼視覺的立體圖像，一般選用與人眼視角48°最為相近的50mm標準鏡頭進行拍攝。目標距離指照相機到目標點的距離，在鏡頭確定的情況下，可通過改變目標距離來獲取合適的立體場景。

③渲染輸出

渲染輸出時根據立體圖像像素總數來設置相應的渲染像素總數。

2.序列視差圖像抽樣、合成光柵立體圖像

如圖2所示，將序列視差圖像同名點進行匹配后，間隔抽樣、合成光柵立體圖像，合成時須逆序排列，同時使每一組抽樣條充滿一個光柵柵距。對序列視差圖像進行抽樣時，一般以像素為單位。另外，為了保證生成光柵立體圖像與光柵板的精確匹配，序列視差圖像的分辨率設定為柱鏡光柵分辨率的N倍，一般取8≤N≤24。

實驗

實驗選用實際分辨率為75.55lpi的光柵板。由于主體模型占據了整個立體場景，因此選擇平行法立體攝影方式。在3DMAX中照相機鏡頭設定為50mm，測得目標距離為590m，通過計算，立體攝影鏡間距設定為11.8m，依次平行設置8臺照相機，如圖3所示。

光柵立體圖像尺寸為28×12cm，渲染設定像素總數為7000×3000個，批量渲染輸出后得到8幅序列視差圖像（如圖4）。

在Photoshop軟件中設定序列視差圖像的分辨率為光柵板分辨率的8倍（604.4lpi），依次抽樣組合為數字光柵立體圖像，如圖5所示。將數字光柵立體圖像采用EPSON R2880打印機直接打印在涂有吸收層的75.55lpi光柵板上，便可獲得富有立體感的光柵立體圖像。

基于3DMAX三維模型采用虛擬立體攝影方式生成序列視差圖像，再經抽樣、合成輸出到光柵板上，經光柵折射分像再現立體感，實驗證明具有良好的可行性。在光柵板上獲得立體視覺效果，用戶不通過顯示器便可獲得三維模型的立體視覺效果，不僅擴大了3DMAX的應用領域，更重要的是為光柵立體圖像的生成提供了一條有效途徑。endprint