笔记本上轻松实现裸眼3D_js拍照怎么实现裸眼3d效果-优快云博客

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本文将详细介绍我的一个个人项目：如何仅使用浏览器、一个普通的笔记本摄像头和 three.js 库，来实现一个“虚拟窗口”特效。这种技术也被称为头部耦合透视（Head-Coupled Perspective）或动态离轴3D错觉，其效果是让电脑屏幕看起来像一扇通往三维世界的窗户，随着你头部的移动，你所看到的景物透视也会实时发生变化。

一、思路总览：化繁为简

这个项目的灵感来源于一些已有的实现，但那些项目通常需要专门的硬件或复杂的配置流程。我的目标是用更易于获取的工具来达到类似的效果。下面是传统方法与我所采用的、基于Web的简化方法的对比。

步骤	类似项目做法	我的Web端做法	关键差异
1. 摄像头标定	拍摄数十张棋盘格照片，并用 OpenCV 精确计算摄像头内参。	初始化一个估算参数，然后通过对比计算深度与物理测量深度的偏差，来手动、快速地调整参数。	简洁高效。我的方法避免了繁琐的标定流程，对于此应用场景来说“足够好”。
2. 眼动追踪	使用 Face Mesh 实时定位虹膜，通过针孔相机模型计算出眼睛的三维位置。	与原项目基本一致。MediaPipe 的 Face Mesh 方案成熟且能在浏览器中高效运行。	无
3. 虚拟世界构建	使用原生图形引擎构建3D场景，并将虚拟摄像机放置在眼睛的位置。	使用 `three.js` 框架来构建场景和管理摄像机。	高可用性。`three.js` 使项目能够跨平台运行，并且非常容易在网页上分享。
4. 离轴透视投影	使用一个离轴（off-axis）投影矩阵来“扭曲”视锥体，确保3D场景始终能完美填充屏幕“窗口”。	与原项目基本一致。这是实现整个错觉背后的核心数学原理。	无
5. 项目演示	展示靶心、僵尸或虚拟橱窗等不同场景，让物体有“跳出”屏幕的感觉。	复刻经典的“靶心（Targets）”场景来验证和展示效果。	简化范围

最终目标是统一的：使用浏览器和普通摄像头，生成一个动态的、基于离轴投影的三维窗口错觉。
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二、第一步：“足够好”的摄像头内参计算

目标： 获取摄像头的内参，主要是焦距（focal length），这是后续计算眼睛空间深度的关键。

传统方法需要使用棋盘格进行繁琐的标定，虽然精确但非常耗时。我问自己：有没有更简单有效的方法？

我的做法： 我利用了视场角（FOV）和焦距之间的数学关系。

焦距 = (图像宽度像素值 / 2) / tan(FOV / 2)

我没有直接去计算焦距，而是决定反过来调整FOV，直到整个系统输出正确的结果。具体流程如下：

初始化： 为摄像头的FOV设置一个初始猜测值（比如 50 度）。
计算与对比： 程序会使用这个FOV值实时计算出用户眼睛的深度（Z坐标）并显示在屏幕上。
物理测量： 我用一把尺子实际测量自己与屏幕之间的距离。
手动调节： 我通过界面上的控制滑块，不断调整FOV的值，直到屏幕上显示的计算深度与我物理测量的深度基本吻合。

这种交互式的反馈循环使得标定过程非常迅速，并且精度足以满足本项目的需求。

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三、第二步：计算眼睛的三维空间坐标

当摄像头“标定”完成后，我们就可以计算用户眼睛相对于摄像头的三维坐标（X, Y, Z）了。

2D虹膜检测： 我使用可在浏览器中运行的 MediaPipe Face Mesh 来检测虹膜边缘的关键点。通过这些点，我可以计算出虹膜在视频画面中的像素尺寸。
计算深度（Z坐标）： 利用针孔相机模型（其原理是相似三角形），我们可以计算出眼睛到摄像头的距离。公式如下：

深度 = (焦距 × 真实虹膜尺寸) / 虹膜的像素尺寸

人眼虹膜的真实直径相当恒定，平均约为 11.7毫米。这为我们的公式提供了一个可靠的“真实尺寸”参考。
计算X和Y坐标： 在深度已知后，我们同样利用相似三角形原理，可以计算出水平（X）和垂直（Y）方向的坐标：

X坐标 = (虹膜中心点的像素X偏移 × 深度) / 焦距

Y坐标 = (虹膜中心点的像素Y偏移 × 深度) / 焦距

这里的“像素X/Y偏移”指的是虹膜中心相对于摄像头画面中心的2D像素坐标。

四、第三步：使用 `three.js` 构建虚拟场景

目标： 创建一个3D场景，其中虚拟摄像机的位置与用户真实眼睛的位置完美同步。

场景原点与屏幕： 我将摄像头的位置定义为3D世界的原点（0, 0, 0）。然后，我将物理屏幕建模为这个空间中的一个矩形平面。我测量了我的笔记本屏幕尺寸（长34.5cm，宽19.4cm），并在场景中按这个尺寸和实际距离创建了一个虚拟屏幕。
虚拟摄像机与眼睛位置同步： 我将上一步计算出的眼睛三维坐标，直接赋值给 three.js 场景中的虚拟摄像机的位置。这样，当我真实世界的眼睛移动时，虚拟世界中的摄像机也随之移动。
复刻演示场景： 为了展示效果，我复刻了经典的“Targets”场景。这包括：
- 定义空间感的四周网格。
- “Targets”文字标签。
- 多个漂浮在空中的、色彩鲜艳的同心圆环体。
- 一个简单的“击中”目标的动画效果。

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五、第四步：魔法核心 - 离轴透视投影

目标： 确保无论眼睛（虚拟摄像机）移动到哪里，3D场景的视野都能精确地、不偏不倚地充满整个物理屏幕。

标准的透视投影假设观察者正对着视锥体的中心。如果我们的虚拟摄像机偏离了中心，部分场景就会被裁切掉，错觉就会被打破。

解决方案是 离轴透视投影（Off-Axis Perspective Projection）。它能创建一个不对称（或称“斜视”）的视锥体，这个视锥体被精确地扭曲，使其边界从摄像机当前的位置看去，正好与屏幕的四个边缘对齐。

实现过程如下：

计算非对称视锥体边界： 根据眼睛的三维位置和虚拟屏幕四个角点的相对位置，利用相似三角形原理，计算出近裁剪平面（near clipping plane）上所需的左、右、上、下边界偏移量。
构建并应用矩阵： 使用这些计算出的边界值来构建一个新的4x4离轴投影矩阵。在three.js中，可以通过 Camera.projectionMatrix.makePerspective(left, right, top, bottom, near, far) 方法来实现。最后，将这个新矩阵应用到摄像机的 projectionMatrix 属性上。