光栅立体图像 视觉新魅力

雷跳+陈娜+马先铎+章小春

光栅立体印刷通过使用光栅板而使经过立体处理的平面图像再现立体感。由于光栅立体印刷品具有真实立体感或动画、异变等效果，相对传统印刷品，其更具视觉冲击力和吸引力，而且经过立体处理后的线状像素合成图像相当于进行了光学加密处理，具有良好的防伪效果。因此，光栅技术已广泛应用于酒包装防伪设计，如五粮液应用的版纹防伪，便是一种典型的光栅技术，不仅起到很好的防伪作用，还能提升酒的附加值。

3DMAX是模型建构、动画制作、虚拟设计的主流软件，其功能强大，通过构建模型，可以生成立体视觉环境。本文将重点介绍基于3DMAX三维模型的光栅立体图像的生成，期望为光栅技术更好地应用于酒包装防伪提供更多新思路。

光栅立体图像立体成像原理

光栅立体图像根据双眼立体视觉的生理特性，将模拟双眼视差的序列视差图像抽条、合成后通过光栅板立体再现。

1.立体视觉

双眼瞳孔之间在水平方向上有一定距离，在观看物体时与物体之间会形成一定的夹角，所以，物体在左右两眼视网膜上的成像不完全一样，即双眼视差。如图1所示，当观看F点时，F点会分别在左右两眼的视网膜f与f′的位置成像。而比F点距离远的E点和比F距离近的G点分别在e、e′和g、g′的位置成像。显然，E、F、G这三点在左右两眼的视网膜上成像的几何位置不同，于是大脑综合分析左右两眼得到的不同影像之后，就会产生纵深感。一般用α、β、γ表示会聚角（辐辏角），用（β-α）、（γ-α）表示相应的视差角。物体在左右两眼所形成的图像在一定的视差范围内能很好地融合成一体，构成深度和位置的信息，于是人们便产生立体视觉感。

2.立体再现

当人眼直接观看光栅立体图像时，只能看到模糊不清的竖状条纹影像，只有经过相应光栅板的折射分像，才能再现立体效果。

光栅板是由多个结构参数、性能完全相同的柱透镜通过线性排列组成的透明塑料板。柱透镜的一面是曲面，另一面是平面，在柱透镜相互排列的水平方向上，每一个柱透镜均相当于会聚透镜，起到成像作用，其平面为焦平面。

光栅立体图像位于光栅板的焦平面上，图像上的任一点经柱透镜折射后形成平行光束，以柱透镜的光轴为对称中心，光轴左侧的光线经折射后形成一束平行光向右侧折射，形成左视图，光轴右侧的光线经折射后形成一束平行光向左侧折射，形成右视图。这两束平行光相互独立，互不干扰，形成的左右视图分别进入左右眼睛，经大脑融合便产生具有纵深感的立体图像。

基于3DMAX三维模型的光栅立体图像的生成

基于3DMAX三维模型通过虚拟立体摄影获取序列视差图像，并将其抽条、合成处理为光栅立体图像后输出在光栅板上，从而实现图像的自由立体再现。

1. 获取序列视差图像

通过在3DMAX中虚拟立体摄影，设定虚拟相机线列，获取序列视差图像。虚拟立体摄影关键技术主要有：立体摄影方式的选择、立体摄影镜间距的计算以及虚拟相机的参数设定等。

（1）立体摄影方式

立体摄影方式主要有会聚法和平行法两种。

会聚法是将相机以被摄物中心点为圆心做小段的圆弧移动，每隔相同的夹角进行拍摄，照相机的光轴始终对着被摄物中心。会聚法得到的图像效果更接近于人眼观察的效果，摄取的立体图像也比较圆润、清晰，有较强的真实感和立体感。但会聚法立体摄影方式会因为光轴没有和被摄物体所在的平面垂直，从而产生梯形失真现象。梯形失真使人眼对物点产生垂直视差，从而造成视觉干扰，梯形失真一般只会影响到图像的边缘两侧，对中心主体部位的影响不大。因此，会聚法适合拍摄主体物体较为集中的三维场景。

平行法是相机进行平行移动，进行等间距拍摄，相机的光轴始终垂直于被摄物体所在平面。平行移动法拍摄过程中不需要旋转相机镜头，镜头始终与被摄物所在平面垂直，从而避免了梯形失真现象。但采用平行法时相邻图幅重叠区域较小，因此立体视区容易受到限制。

（2）立体摄影镜间距

立体摄影镜间距决定着立体图像空间前后纵长的深度，影响着立体影像与原景物空间的比例关系，并与立体视觉是否舒适有关，因此必须采用规定的计算公式，通过仔细的计算才能确定。

（3）3DMAX三维建模

利用3DMAX进行三维建模首先应先进行三维场景布局，再建立场景中的各种模型，然后添加灯光和材质，最后渲染输出。

三维场景布局要符合立体摄影的基本要求。三维场景的色彩和空间层次应多样化，使立体影像效果更加明显、丰富。立体摄影着重于空间与层次的再现，因此在采光时应以自然光为主，而非人为布光，以制造强烈的明暗对比，强化被拍物体的立体效果。

（4）3DMAX中照相机的使用

完成三维建模之后模拟双眼立体视觉，需要将该三维场景进行投射或移动，以得到序列视差图像。3DMAX提供了照相机对象，其能够简化投影过程。

①度量单位

由于3DMAX中高级光照特性是使用真实世界尺寸进行计算的，其要求建立的模型与真实世界的尺寸一致。因此，可以利用3DMAX对真实世界进行模拟，对圆弧法和平移法立体摄影进行虚拟再现，借助3DMAX软件平台得到序列视差图像。

②照相机对象

在3DMAX中可以生成照相机对象（目标照相机和自由照相机），其作用与真实世界的照相机一样，用于记录静态或动态的图像。

照相机在创建后就被指定了默认的参数，包括：镜头，视野和目标参数，镜头和视野是相关的，即改变镜头焦距，照相机视野也会随之改变。人眼所能聚焦的角度是48°，立体摄影是利用相机模拟人眼对物体的观看模式进行拍摄。为了生成更符合人眼视觉的立体图像，一般选用与人眼视角48°最为相近的50mm标准镜头进行拍摄。目标距离指照相机到目标点的距离，在镜头确定的情况下，可通过改变目标距离来获取合适的立体场景。

③渲染输出

渲染输出时根据立体图像像素总数来设置相应的渲染像素总数。

2.序列视差图像抽样、合成光栅立体图像

如图2所示，将序列视差图像同名点进行匹配后，间隔抽样、合成光栅立体图像，合成时须逆序排列，同时使每一组抽样条充满一个光栅栅距。对序列视差图像进行抽样时，一般以像素为单位。另外，为了保证生成光栅立体图像与光栅板的精确匹配，序列视差图像的分辨率设定为柱镜光栅分辨率的N倍，一般取8≤N≤24。

实验

实验选用实际分辨率为75.55lpi的光栅板。由于主体模型占据了整个立体场景，因此选择平行法立体摄影方式。在3DMAX中照相机镜头设定为50mm，测得目标距离为590m，通过计算，立体摄影镜间距设定为11.8m，依次平行设置8台照相机，如图3所示。

光栅立体图像尺寸为28×12cm，渲染设定像素总数为7000×3000个，批量渲染输出后得到8幅序列视差图像（如图4）。

在Photoshop软件中设定序列视差图像的分辨率为光栅板分辨率的8倍（604.4lpi），依次抽样组合为数字光栅立体图像，如图5所示。将数字光栅立体图像采用EPSON R2880打印机直接打印在涂有吸收层的75.55lpi光栅板上，便可获得富有立体感的光栅立体图像。

基于3DMAX三维模型采用虚拟立体摄影方式生成序列视差图像，再经抽样、合成输出到光栅板上，经光栅折射分像再现立体感，实验证明具有良好的可行性。在光栅板上获得立体视觉效果，用户不通过显示器便可获得三维模型的立体视觉效果，不仅扩大了3DMAX的应用领域，更重要的是为光栅立体图像的生成提供了一条有效途径。endprint