计算机程序制作三维立体画论文

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——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“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“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'''',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=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。

@@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。a,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”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Windows3.1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8@@

@@09A04008.GIF;图9@@

@@09A04009.GIF;图10程序清单@@

/*--from1995.4.19--to1995.5.18----*/include<stdio.h>

#defineCOMPRESSION0

#defineSIZE-OF-BITMAPFILEHEADER14

#defineSIZE-OF-BITMAPINFOHEADER40

#defineSIZE-OF-RGBQUAD4

#definePIXEL-DATE-OFFSET14+40+4*16

/*SIZE-OF-BITMAPFILEHEADER+SIZE-OF-BITMAPINFOHEADER+BITS-PER-PIXEL

*NUM-COLOR*/

#defineNUM-COLOR16

#defineNUM-LINE400

#defineWIDTH640

#defineBITS-PER-PIXEL4

#definePIXEL-PER-BYTE2/*8/BITS-PER-PIXEL*/

#defineBYTE-PER-LINE320/*((WIDTH*BITS-PER-PIXEL-1)/32+1)*4*/

#defineNO-DOTWIDTH+1

#defineEYE-SPACE128

struct{

unsigndecharcolor;

unsignedintpri-x;

unsignedintnxt-x;

}dot[WIDTH];

main()

{

structtagBITMAPFILEHEADER{

unsignedcharbfType1,bfType2;/*alwaysequalto''''BM''''*/

unsignedlongintbfSize;/*sizeoffile*/

unsignedintbfReserved1,bfReserved2;/*settozero*/

unsigedlongintbfoffits;/*byteoffsetfromBITMAPFILEHEADERtobitmapp

ixel

datainthefile*/

}BITMAPFILEHEADER;

structtagBITMAPINFOHEADER{

unsignedlongintbiSize,/*sizeofBITMAPINFOHEADER*/

biWidth;/*widthinpixelsbiHeight;/*heightinpixels*/

unsignedintbiPlanes,/*always1*/

biBitCount;/*colorbitsperpixelmustbe1,4,8or24*/

unsignedlongintbiCompression,/*BI-RGB,BI-RLE8or4*/

biSizeImage,/*totalbytesinimage*/

biXPelsPerMeter,/*0,oropt,hres.*/

biYPelsPerMeter,/*0,oropt,hres.*/

biClrUsed,/*normally0,cansetalowerno.colorsthanbiBitCount*/

biClrImportant;/*normally0*/

}BITMAPINFOHEADER;

structtagRGBQUAD{

unsignedcharrgbBlue,/*blueintensity,0-255*/

rgbGreen,/*greenintensity,0-255*/

rgbRed,/*redintensity,0-255*/

rgbReserved;/*reserved,settoZero*/

}RGBQUAD[NUM-COLOR];

char*fn-layer="layer.bmp";

char*fn-org="origin.bmp";

char*fn-result="result.bmp";

FILE*flayer,*fOrigin,*fResult;

unsignedchartmp-byte1,tmp-byte2;

unsignedintline,i-byte,i-pixel,x;

unsignedintlayer;

intleft-x,right-x;tmp-x;

unsignedlongintcur-offset;

unsignedcharh[WIDTH],org-color[WIDTH];

puts("---WINTRICK---");

puts("---byLiJisong---");

if((fLayer=fopen(fn-layer,"rb"))!=NULL){

fread(&BITMAPFILEHEADER,SIZE-OF-BITMAPFILEHADER,1,fLayer);

fread(&BITMAPINFOHEADER,SIZE-OF-BITMAPINFOHEADER,1,fLayer);

if(BITMAPFILEHEADER.bfType1==''''B''''&&BITMAPFILEHEADER.bfType2==''''M''''

&&BITMAPINFOHEADER.biWidth==WIDTH&&BITMAPINFOHEADER.biHeight==NUM-

LINE

&&BITMAPINFOHEADER.biBitCount==BITS-PER-PIXEL

&&BITMAPINFOHEADER.biCompression==COMPRESSION)

fread(RGBQUAD,SIZE-OF-RGBQUAD,NUM-COLOR,fLayer);

else{

fclose(fLayer);

printf("File%sisnotfitforthisprogram!/n",fn-layer);

getch();

exit(1);

}

}

else{

printf("File%sdoesnotexist!/n",fn-layer);

getch();

exit(2);

}

if((fOrigin=fopen(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.biWidth==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%sisnotfitforthisprogram!/n",fn-org);

getch();

exit(3);

}

}

else{

printf("File%sdoesnotexist!/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,NUM-COLOR,fResult);

}

else{

printf("File%sopenerror!/n",fn-result);

getch();

exit(5);

}

for(line=0;line<NUM-LINE;line++){

printf("line=%d/n",line);

cur-offset=(unsignedlongint)PIXEL-DATA-OFFSET+(unsignedlongint)BYTE-

PER-LINE*line;

fseek(fLayer,cur-offset,SEEK-SET);

fseek(fOrigin,cur-offset,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){

h[x]=(unsignedchar)(tmp-byte1<<(BITS-PER-PIXEL*i-pixel)

)/((unsignedchar)0x80>>(BITS-PER-PIXEL-1));

org-color[x]=(unsignedchar)(tmp-byte2<<(BITS-PER-PIXEL*i-pixel))

/((unsignedchar)0x80>>(BITS-PER-PIXEL-1));

}

}}

for(x=0;x<WIDTH;x++){

dot[x].color=0;

dot[x].nxt-x=NO-DOT;

dot[x].pri-x=NO-DOT;

if((x+EYE-SPACE)<WIDTH)dot[x].nxt-x=x+EYE-SPACE;

if((signed)x-EYE-SPACE)>=0)dot[x].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+1)/2);

if((h[x]==layer)&&(left-x>=0)&&(rignt-x<WIDTH)){

if(dot[left-x].nxt-x!=NO-DOT)dot[dot[left-x].nxt-x].pri-x=NO

-DOT;

dot[left-x].nxt-x=right-x;

if(dot[right-x].pri-x!=NO-DOT)dot[dot[right-x].nxt-x].nxt-x=

NO-DOT;

dot[right-x].pri-x=left-x;

}

}

for(x=0;x<WIDTH;x++){

if(dot[x].pri-x==NO-DOT){

dot[x].color=org-color[x];

tmp-x=x;

while(dot[tmp-x].nxt-x!=NO-DOT){

tmp-x=dot[tmp-x].nxt-x;

dot[tmp-x].color=org-color[x];

}

}

}

fseek(fResult,cur-offset,SEEK-SET);

for(i-byte=0;i-byte<BYTE-PER-LINE;i-byte++){

tmp-bytel=0;

for(i-pixel=0;i-pixel<PIXEL-PER-BYTE;i-pixel++){

x=i-byte*PIXEL-PER-BYTE+i-pixel;

if(x<WIDTH)

tmp-byte1=(unsignedchar)(tmp-byte1<<(BITS-PER-PIXEL*i

-pixel))+dot[x].color;

}

fwirte(&tmp-byte1,1,1,fResult);

}

}

fclose(fLayer);fclose(fOrigin);fclose(fResult);

}

参考文献

孙志辉、王萃寒、王茜.实用Windows3.1详解.北京:电子工业出版社,1994.