上传时间：2013-10-17 20:44:00
基于Psdto3D的立体印刷图像处理方法
在立体成像基本原理的基础上，以Psdto3D为工具并辅助以Photoshop，结合具体的图像处理实例对平面图像立体化的方法做了深入的研究。
立体处理的过程大致分为两个阶段，第一个阶段是以Photoshop为工具，对需要处理的平面图像进行调整、分层、补图，然后生成psd文件。第二个阶段，是以Psdto3D为工具，对psd文件进行参数设置，然后在进行移位勾线处理，直到有理想的预览效果后，输出最终的立体化图像。
关键词：立体图像处理；Psdto3D；立体印刷
目 录
第1章 绪论
随着彩色胶印技术飞速发展，人们能阅读到大量的彩色资料。而今天，人们的审美需求更有大的提高，二维的图像已不能满足人们日益增长的审美需求。所以平面图像立体化就有了广阔的市场和发展动力。从而也就有了立体印刷的诞生。
立体印刷的核心是立体图像处理，立体印刷的蓬勃发展，也伴随着立体图像处理的技术不断进步。本课题关于以Psdto3D为基础的立体印刷图像处理就是处在这种大背景之下。
立体印刷（Stereoscopic printing）是根据光学原理，利用光栅板的分光效应使图像景物具有立体感的一种印刷方法。
在今天由于光栅立体印刷的普及程度，也可以这样来定义立体印刷。从不同拍摄角度将同一景物（静景）所拍摄出来的多幅图片合并成为一张图像，然后在合成后的图像上覆盖柱透镜光栅板，利用人的左右眼“分别”观察，从而获得有立体感图像的印刷方法，有时也叫“光栅成像法”。由于柱透镜光栅板的上面存在条状半圆凸面把图像等距离地分割成无数的像素，使其在平面上错开一定的距离，形成空间纵深感，使人们感觉到景物的前景和背景之间存在有距离的深度，从而获得立体感。
1.1 立体印刷图像处理的现状和前景
任何一种技术能够存在下去，都必须依赖市场的需求，立体图像处理不例外。立体印刷之所以今天能够蓬勃发展，正是因为其有巨大的市场需求。立体印刷品是富有生命力的图像，因其精湛及新颖动人的特性而被广泛地接受，最容易打动那些追求新奇的顾客，这些特性大大提高了产品的附加值，成为推广商品和提高市场形象的极佳手段，起到难以替代的宣传作用。而实现立体印刷品的最核心技术就是平面图像立体化。
立体图像处理的方法也是多样的，目前最常用的工具有Photoshop，Psdto3D和3D4U。他们在实现立体化的效果相似，各有优势和不足。其中Psdto3D因为其简便易掌握，处理效果理想，应用十分广泛。
半个世纪以来，平面图像立体化受到极大的技术限制。然而今天，就世界范围来看，技术难关已经几乎不复存在。二十一世纪的立体图像处理已经进入数字时代。立体图像处理应用电脑软件，并采用高精度印刷设备，使质量有了充分保证。制作技术也日趋完善和稳定，立体图像处理进入了一个崭新的时代。光栅材料是平面图像立体化的重要原材料，近年来也得到很快的发展，光栅材料的成本也大幅下降。这些都有助于平面图像立体化的推广普及。
目前，我国的经济形势日新月异，人民生活水平显著提高，消费层次已经步入更高的层次。消费市场的全面扩大，高档消费的需求日益多样化。2005年我国影像市场已经达到全球销售份额的15%，销售额为650亿美元，而立体影像在其中的比例也越来越大，立体图像的市场是巨大广阔的。
另外，在其他领域，如药品、化妆品、人文景观图片、服装的标识也越来越多地采用立体图像来传达信息。立体印刷的市场需求是巨大的，这个行业的前景也是美好的。
1.2 本论文的研究内容
本论文《基于Psdto3D的立体印刷图像处理方法》是立体印刷的核心和关键部分，主要研究平面图像的立体化处理。平面图像立体化的工具目前已有很多种，如Photoshop、Psdto3D、3D4U等等。但是，它们进行处理方法虽有不同但原理却类似。任何一种软件只要充分运用便能得到理想的立体图。
本论文的主攻方向是基于Psdto3D的立体图像处理。基于Psdto3D的平面图像立体化，是以Psdto3D、Photoshop等为工具，然后利用一张经过Photoshop和Psdto3D处理的平面图像结合光栅板产生出类似于真实的立
第2章 立体印刷图像处理的原理
生活中常见的照相、印刷、电影、电视技术均属二维显示技术，通过这些技术所获得的照片、电影和一般印刷品上的图像只有原物体上下、左右的二维关系。当我们将图像中的景物与真实空间内的景物进行对比就会发现，在真实空间里。物体不仅呈现长度和宽度，还具有高度的三维立体形态。物体彼此之间还有前后、左右、上下的关系。
可见，普通图像属于二维显示的范畴，其中的物体失去了立体感。我们把人在客观空间状态下视觉能够捕获到的物体长、宽、高的信息称为三维信息。随着科学技术的发展。人们对再现客观世界立体感的追求越来越迫切。希望图像显示技术也能由二维显示向三维显示发展。制作出能够再现三维物体图像的印刷品。
2.1 立体视觉的产生原理
当两眼同时凝视某一物体时，若物体很远，则两眼的视线基本平行。而当物体靠近的时候，两个眼球便向内旋转，视线在物体处相交。两眼的这种动作叫辐腠。辐腠对深度感的形成有直接作用。由辐腠引起的深度感对近距离20m以内有效，远距离时其效果显著减小。人们在观察物体时，很自然地产生立体感，这是因为人用两只眼睛观察，两眼之间有一定的距离，与物体之间形成一定的夹角，左右两眼所看到物体就会产生差异视差，这种视差所构成的图像，反映到大脑，便产生了远近的空间和立体的感觉。要在二维的平面图像上，观察出三维的立体效果，就是要利用两眼产生视差的原理。
如图2.1所示，两眼瞳孔间在水平方向上有一定距离（目距a），在观看物体时与物体之间形成了一定的夹角，所以物体在左右两眼视网膜上的成像是不完全一样的，这种不同叫做双眼视差。
图2.1 双眼视差
如图2.2所示，当看F点时，分别在左右两眼的视网膜f与f′处成像。而比F远的E点和比F近的G点分别在e、e′和g、g′的位置成像。显然E、F、G在左右两眼的视网膜上成像的几何位置不同，于是经大脑综合左右两眼得到的不同的影像就产生了纵深感。
图2.2 双眼视差形成立体感
一般用α、β、γ表示会聚角（辐腠角），用（β-α）、（γ-α）表示相应的视差角。物体在左右两眼所形成的像在一定的视差范围内能很好地融合成一个，构成深度和位置的信息。这时产生了对深度的知觉和具有立体视觉感。双眼视差知觉深度的范围，基本上是由两眼像融合范围决定的，并不是很宽。但双眼视觉对深度差别的分辨在有效范围内是有很高的精度的。由于辐腠和双眼视差的共同作用才能在较宽的范围内得出正确的立体视觉感。
2.2 光栅成像原理
利用柱透镜光栅板实现立体成像源自于双眼视差,即利用人的双眼视差和辐腠所构成的深度感实现人意识中的图像立体感。因此理论上讲,只要从两个或以上不同的视角取得景物的一组图像便可合成出立体图像。
柱透镜光栅板是许由多个(立体图像的输出幅面和光栅板的线数决定)半圆柱透镜元的集合，其光学原理是：整个光栅板就是一个微型半圆柱透镜单方向排列的放大镜，其光学功能是将平面影像单方向压缩及放大，所以柱透镜光栅板能容纳大量的平面影像并保持平面影像的完整。将压缩成条纹状平面影像，以左右景顺序排列在透镜焦平面上相应的位置，子图像以条纹状态记录在同一张立体图像上， 如图2.3所示。
图2.3柱透镜光栅板成像原理
在观察时,也利用圆柱光栅板的光学光路互逆效应,使人双眼看到的是同一景物的各个“不同视角”的不同的像,于是人的视觉意识中就产生具有视差深度效果的立体图像，如图2.4所示。
图2.4 柱透镜光栅板成像原理
柱透镜光栅立体成像就是将柱透镜光栅覆盖在合成的立体图像上。由于柱透镜光栅是由许多结构参数和性能完全相同的小圆柱透镜组成的，它对图像具有“变异”和“分离”的作用，因此通过柱透镜光栅观测到的合成图像具有更强的立体、动画效果。
柱透镜光栅形成的凹凸面把图像等距离地分割成无数像素，起到把像素分别映入左右眼的作用，人眼看到的是各自相对应的图像。由于左右眼视角不同，重合的图像通过视觉神经便产生了立体感，当观察角度发生了变化即可产生立体动画效应，从而不再需要专用工具就可以成像。
从上图中我们看到，柱透镜光栅板是由数目巨大、完全相同的柱镜组成。柱透镜的一面是具有一定曲率半径R的周期性起伏变化的半圆柱面，另一表面是平面。在某一方向相当于平行平板，对光线不起汇聚作用，而在与其正交的水平方向，每一柱镜相当于汇聚透镜，起聚光成像的作用。
柱面的曲率中心不是一个点，而是一条直线。光线通过柱面透镜时，沿曲率中心直线的方向上不产生光的折射，而沿曲率中心直线的垂直方向将产生光的折射，其折射规律与通过单个球面的折射完全一样。柱透镜光栅的折射示意图如图2.5所示。处于柱透镜光栅片后表面不同部位的像点所反射或投射的光经过柱透镜后，以不同角度向外发散。
图2.5 柱透镜的光栅折射示意图
2.3 光栅板参数设置
平面图像的立体化离不开光栅。光栅在立体图像处理中肩负着再现立体效果的任务，没有光栅，就没有看得见真实效果的立体图像，所以光栅的设计也尤其重要。
1、光栅板的参数
下面从参数的选择对图像效果的影响进行分析。
①光栅线数(LPI)
光栅线数是指每英寸单位所包括的光栅条数，是栅距p的倒数。光栅的线数用LPI表示，一般有适合印刷的光栅有75LPI、120LPI、150LPI等。
光栅片线数的大小决定了立体图像的精度，对光栅图像的分辨率起到了限制作用。光栅片的线数越高，对其光栅图像的分辨率的要求也就越高，最后制作出的立体图像的精度就会比较高；光栅片的线数低些，其光栅图像的分辨率就不用太高，最后制作的立体图像的精度就相对较低。而光栅图像的分辨率越高对其输出设备的要求也就越高，自然输出成本也就较高。所以在选择光栅板线数的时候要根据实际情况，在满足精度要求的同时也应使制作成本在一个合理的范围内。
人眼对细节的分辨是受观察距离的限制的，所以实际生产中，要根据观察距离来选择光栅的线数。近距离观察应选用高线数的光栅板，远距离观察时应选用粗线数的光栅板。
通常，观察距离在接近于80cm时，应选用75lpi～90lpi的光栅板，此时光栅片就较薄。观察距离在接近于50cm时，应选择75lpi～150lpi的光栅板，另外光栅的线数的选择还受图像幅面大小的影响。当图像幅面小于A5时，应用75lpi以上的光栅板，这时候制作的立体图片画面细腻柔和。
②视角范围(φ)
视角是指形成图像或观察图像时所能允许的最大角度。视角越小，图像的变化越敏锐。所以视角小的光栅板可以很好很细腻的表现立体效果，而视角大的光栅板就主要用于表现动画、变换等效果。
③透射率(τ)
透射率用来表述光栅片的透明程度，是由光栅材料和加工工艺决定的。透射率越高，其透明度就越好。由于讨论的立体图像是用光栅板贴在光栅图像上，通过光栅片的折射再现图像的，所以光栅片的透明度会直接影响立体图像的表现效果。透射率高的话，图像信息经光栅片折射后信息的损失就少，再现图像的亮度就会强一些；相反，如果透射率过低的话，图像信息经光栅板折射后信息就会有较多的损失，从而会影响的再现图像的质量和亮度。所以要尽量选择透射率高的材料来制作光栅板。
④折射率(n)
折射率是由光栅材料本身决定的。在其他条件一定的情况下，折射率高的光栅板，视角θ1就越大，分像性就好。
相对来说，光栅越厚，立体效果越强；光栅越薄，立体效果越弱。
2、光栅板设计
光栅材料各参数的确定采用球面折射成像，主要是由塑料材料和空气的折射率和分界面的曲率半径及材料厚度（f=d）确定：
f=nr/(n-1)=d (2.1)
同时，考虑生产时材料收缩率等因素优化处理，完成设计参数的确定。
第3章 立体印刷图像处理的方法
3.1 立体印刷图像处理方法
人的大脑在综合两眼的图像信息时，其中一个很重要的因素，就是物点光线的入射方向，人眼可根据各物点发射(或反射)到人眼光线的方向，判定该物点的方位及远近。
图3.1 观看平面印刷品
平面印刷品不能形成深度感的原因见图3.1 ,由于双眼观看a、b、c 像点时视线交角均位于像平面上，所以人眼可以判定平面印刷品上的所有的像点均在同
一水平面上。
对单幅平面图像立体处理时，首先应按照景物在对单幅平面图像立体处理时，首先应按照景物在空间中的深度分布，把图像中的景物分为前景、中景和后景，或者更多的图层。然后模拟双眼视差从不同角度获得图像的原理,将前中景和后景分别复制成 N幅,组成各自的图像序列,把每一个图像序列按照一定的方向平移,使同一序列中的 N 幅图像间具有相等的位错。不同的景物根据显示时和像平面距离的不同而位移量不同。最后将同一序列中N幅图像依次抽样组合成一幅竖状条纹合成图 ,从而在选定柱镜光栅作用下呈现立体。在对图3.1中的单幅平面图像进行立体处理时,根据立体视觉的成像规律，将前景和背景图像做相应方向和大小的位移。
图3.2 观看立体印刷品示意图
如图3.2所示，前景图像 a左移,中景图像b不移动，后景图像c右移。从而在光栅板折射分像作用下，左眼看到原始图a 、b、c ,右眼看到位移后生成的图像 a′、b′、c′，从而双眼观看时视角不同而产生距离感，a′浮在像平面上，形成近景，c′位于像平面以下,形成远景，b′位于像平面上，形成中景。
再如图3.2所示,设人的双眼距离为e，眼睛到立体印刷品的观看距离为L，原始图像和位移后图像两同名像点间的位错为Δx,那么视觉成像点与立体印刷品平面距离符合以下公式:
（3.1）
公式3.1中 “+” 为成像在像平面前, “- ” 为成像在像平面后。由于双眼距离是固定的,立体图像的空间立体深度y与观看的距离L及左右同名像点间的位错Δx成正比。
3.2 立体印刷图像处理的过程
基于Psdto3D的平面图像立体处理，就是用Psdto3D为工具，而Psdto3D所需要的处理文件则是格式为psd的图像。psd是Photoshop的特有格式，基于Psdto3D的图像处理大致可分为两个过程：即Photoshop处理和Psdto3D处理。
3.2.1 用Photoshop进行前期处理过程
1、图像分层
首先，对需要处理的图片进行图像分层。因为立体的体现就是物体之间有空间关系，这就需要把处于不同层次的图像分离出来，然后经过立体位移法的处理使整个图像具有立体感。
分层的方法如下：
①先用Photoshop打开，在制作图形前应尽量先把图像的分辨率、色彩、亮度、对比度等各种参数调整到最佳效果，因为在把图像处理成立体图之后再调节效果会不好把握。尤其是分辨率，要设为光栅线数与图像数的乘积，这样才能在光栅下显示出立体效果。
②在把图像调整好之后就要确定图像层次的划分，根据图像表达出的空间的前后关系，将不在同一距离的部位划分到不同层次中。这种距离的远近，可以通过观察分析得出。
③将划分到不同层次的各个部位，分别抠出，之后移动到不同的图层。每一个层次都处于一个不同的同层。
其他的图层分离，步骤同上。
2、补图
因为将需要分离的部分分离出来以后，原图的对应位置就会变得一片空白。而立体图像的特点就是在不同角度能看到前景图像后面的图像，如果图层分好之后不补图，就会在立体图做好之后会发现被分出的热气球后面是空白的，所以在把图像分层以之后需要把北京图像按常理来补图。
补图的工具，可以Photoshop软件的仿制图章工具。将其他部位的蓝天白云复制到空白处若干。
3、生成psd格式的文件
在分层并补图完成之后，将整个文件保存为psd根式，这样就为Psdto3D软件的立体处理准备好了素材。
前面使用Photoshop准备好psd格式的图像材料后，就可以进行Psdto3D的立体处理了。
其步骤如下：
1、打开Psdto3D软件，导入前面保存的psd格式的文件。
2、设定各种参数。光栅线数设为实际要是用的光栅的线数；镜头设为实际处
中的镜头数；焦点就是不发生位移的图层序数。
3、对各个图层进行仿真勾线。
4、每完成一个图层的仿真勾线，就预览一次。
5、存盘，并输出经过了处理的设计图。输出的图片格式为bmp格式图像。
经过以上步骤处理，就得到了一幅具有立体感的图像。结合光栅，就会产生立体的视觉效果。
第4章 基于Psdto3D的立体印刷图像处理实例
第三章介绍了图像立体化处理的大致过程。本章会结合图像立体处理的实例，进一步介绍图像的立体处理方法。
在本实例中，要处理的图像是一幅热气球的图像，具有明显的立体感，适合进行立体处理，如图4.1所示。
图4.1 待处理图像
4.1 立体图像预处理
①将以上原始图像在Photoshop打开，查看图像大小,其大小如图4.2所示。
图4.2 原始参数
由于其分辨率不符合要求，需要将分辨率改为75.55×8=604.4lpi。但此时文档大小就会非常小，因此将文档大小调整为高6cm、宽8cm，这时图像的大小数据如图4.3所示。
图4.3 修改后图像参数
②确定图像各个部位的分层。总共分为8个图层，如图4.4所示。
图4.4 划分图层
③将各个待分离部分分别分层。
抠图用工具里的钢笔工具，将各个气球选定，再剪切；右下角点击新建图层，再将此剪切下来的部位粘贴至新图层。
分离了一个图层之后的原图效果如图4.5所示。
图4.5 抠图之后的效果
而抠掉的部分被分离到新图层，如图4.6所示。
图4.6 分离到新图层
其他图层都依照此过程进行分离。最终所有的图层都分离到了相应的图层中。
④所有图层都进行了分离之后，背景就会变得不完整，如图4.7所示。
图4.7 图层分离后的背景
由于在立体图中，每一个图层在立体显示时，都会有左右的位移，因此，背景中的空白区就会显示出来。这是不合理的，所以需要对空白进行补图。
补图的方法是，用橡皮图章工具，将其他类似部位的图像复制到空白区域，这样在立体图的图层有位移时，就不会露出不合理的空白。
补图之后的效果如图4.8所示。
图4.8 补图之后的效果
⑤ 将图像保存为psd格式，这样就为Psdto3D准备了待处理文件。
4.2 立体图像后期处理
①将以上所得psd格式的图像导入Psdto3D软件，整体情况如图4.9所示。
图4.9 psdto3d的处理界面
导入的图像参数如图4.10所示。
图4.10 导入图像的默认参数
图中光栅是指光栅的线数lpi；镜头就是处理图像时设设置的图幅数，通常为6-10幅；焦点就是被选为中景的图层；景深即图像中能清晰反映出的空间的前后距离。
这里的光栅和镜头均不符合实际的数据。经测定，光栅的实际分辨率为75.55lpi，因此将光栅改为75.55lpi，镜头改为8，焦点和景深不变。
②设置各个图层的位移数值。当以上设置调整好之后会自动产生一个位移，可以根据效果做适当的微调，调整的结果如图4.11所示。
图4.11 修改后的参数
③再对各个单层进行勾线。每进行完一个图层的勾线，进行一次单图层的预览，勾线的效果如图4.12所示。
图4.12 对图像进行单层勾画
④每个图层都勾线之后，结合预览观察效果，再做调整，直到实现理想的效果，预览的效果如图4.13所示。
图4.13 立体化处理之后的预览效果
⑤导出最终的立体化图像，导出的图像如图4.14所示。
图4.14 输出的立体化图像
这样，对平面图像的立体处理就完成了。后期需将图像输出到印刷品上，再加上光栅，就能实现视觉上的立体感。
4.3 实验分析
①在Photoshop中对原图像进行参数设置和调整，应该严格按照光栅分辨率乘以图幅数，经严格测定，光栅的分辨率实际分辨率为75.55lpi，所以图像的分辨率应该设为75.55×8=604.4lpi。
②图层的顺序问题也应该注意。Photoshop中分层之后，图层显示栏里从上到下显示出各个图层。此时从上到下的排列顺序，应该和原图像中从前到后的顺一致。因为排列在最上的那个图层，是在最前面的。如果上下的排列和前后的顺序不符合，就要在图层显示栏里拖动各个图层进行调整。
③在处理过程中设定一个合适的图幅数也十分重要。理论上，图幅数越多，得到的立体图像效果越好，这就好比制作动画图像的帧数一样，帧数越多，人眼在观看的时候越不容易出现跳帧的现象，观看到的动画也越流畅。但是因为现有的各类打印机、印刷机等输出设备精度并不能满足其图像的精度要求。这里以200Lpi的光栅材料为例：通过计算方式可以得出200lpi光栅材料的光栅间距为0.127mm，如果图幅数设定为8，也就相当于在0.127mm里面压缩了8个图像，这样可以得到单个图像的精度为0.127÷8=0.016mm，如果换成是30个镜头其精度将会达到0.127÷30=0.004mm。这样高的精度是现有的设备不能满足的。因此在处理立体印刷图像的时候，需要找出印刷输出设备的最高精度以计算出镜头数的最大值。而现有的大多厂家一般是采用6～10个镜头数进行制作。
在本实例中考虑到这些因素，图幅数设为8。
④在多个图层中，图层是有前后顺序的。在实现立体效果时，就要确定一个图层为中景。在人的视觉中处于距离适中位置的图层，就确定为中景，中景是没有位移的。
⑤在Psdto3D中导入psd图像，并设置好参数后，软件会自动生成一个默认的位移。但这种位移不一定能实现最好的效果，应该适当地调整，直到效果最佳为止。
⑥在对单层进行勾线时，勾线的线条与图形的轮廓协调。
本课题在立体图像处理理论的基础上，以Psdto3D为工具对立体图像处理进行了细致具体的研究。立体图像处理的方法有多种，而本课题采用的Psdto3D具有它独特的优越性，Psdto3D应用简便，操作简单，初学者易于入门，而且处理的效果也十分理想，这些都是Psdto3D越来越受重视的原因。
相比利用电脑三维技术,本课题所应用的光栅成像技术制作的立体影像图有着一些特殊的优势。其成图周期短，在获得符合要求的图像的情况下只需很短的时间就可以完成制作；而且将其挂在墙上只要有足够的光线就可以观看，几乎不占用空间；转移方便,制作成本较低,而且立体效果最为真实和直观；尤其是在立体场景的表示上相比其他方法更具真实性。这些都是光栅立体成像的优势，这些优势将有助于立体图像处理有更广阔的应用空间。
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