【行业知识】探索投影技术——球幕

6 十二月, 2014
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qiumujishu

球幕投影简介

球幕投影,是一种新兴的展示技术,它打破了以往投影图像只能是平面规则图形的局限。利用多通道边缘融合软件,在曲面上实现大尺寸图像的拼接和纠正,剔除投影画面在曲面上的变形,形成特殊曲面乃至球面的全景影像,带来前所未有的梦幻体验。

球幕投影系统利用在曲面上实现大尺寸图像内容的无缝拼接技术,实现特殊曲面甚至球面的全景影像,给用户以先进的科技体验。用户可以360度,全方位的对球体投影的内容进行感知,增加了用户获取信息的信息量,对于一些在球体上才能较好表现的事物提供了优秀的表现平台。给观众带来新颖的视觉体验,让观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。

球幕投影原理概述

球幕投影是指使用一台或多台投影机,在球形屏幕上投影出完整连续的画面。球幕投影可以表现出高分辨率、大视角范围的显示效果,可以给观众带来新颖的视觉体验,让观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。

球幕投影技术目前主要应用在大型球幕影院(数字天文馆)、大型科技馆、球形广告。球幕投影技术的另外一个主要应用是模拟仿真领域。

360度穹顶式球幕投影非常便于展示宇宙空间或星空场景,所以穹顶式球幕多用于影院、天象厅等应用。例如北京天文馆新馆(该系统使用了7台激光投影机,由7台SGI工作站实现球幕视频播放);以及四川华控图形科技有限公司在中国科学院云南天文台建设的数字天象厅(球幕直径8米,五通道投影,屏幕分辨率为2K×2K,约400万像素)。

作为一种新颖的大屏幕显示形式,除了数字天象厅应用,目前球幕投影技术越来越多应用于科技场馆展示。

(1)球幕投影原理一.球幕投影坐标

近年来,虚拟现实技术己经成为计算机视觉、图像处理、计算机图形学、人工智能研究的热点。虚拟现实技术也开始得到广泛的应用,如房地产、展览会馆、娱乐等。基于图像绘制技术的虚拟现实,比传统的三维建模构造的虚拟现实方法更加简单、有效,而且构造的场景逼真度高,对场景处理只与图像分辨率有关,与场景复杂度无关。

球幕投影技术采用虚拟现实技术来制作360度球幕虚拟场景。由于球幕投影的内容要做到对大视角(超过180度)空间进行全面的显示。所以球幕系统中使用的鱼眼投影对球面,特别是虚拟球体时要能产生立体沉浸效果。在计算机图形绘制中,鱼眼投影通常有两种情况,正交鱼眼图像和等距鱼眼图像,前者会造成天顶处的拉伸和赤道处的压缩,而后者则能够实现象素在球面上的平均分布。

探索投影技术——球幕

1、正交鱼眼投影

正交鱼眼投影是把半球面上的点平行投影到平面上,在图像平面上得到一个圆形的投影图像。图1(左)描述了正交鱼眼投影。半球投影视角范围最大到180度。在0度附近,投影图像几乎没有变形,但是在平面的最外边缘(接近90度),图像变形很大,这个地方的图像看起来显得比较拥挤。由于正交鱼眼投影的这种放射性的变形,在球幕边缘信息丢失严重,因此在实际应用中比等距鱼眼投影要少。

2、等距鱼眼投影

等距鱼眼投影的定义是,投影图像上的点到图像中心的距离和球面上对应点与球心连线到照相机的光轴的方向角成比例。在等距鱼眼投影图像上,整个图像分布几乎是均匀的。等距鱼眼投影视角范围最大可以到360度。但是360度的等距鱼眼投影图像最外边缘是在一个点附近投影到图像平面上的,因此很不容易理解。图1(右)描述的是180度角的等距鱼眼投影。可以看出,投影图像上的点离中心距离和投影球面上点到光轴的角度是直接映射的。180度的等距鱼眼投影只有一半场景投影到图像平面上,360度可以投影全部的场景。

(2)球幕投影原理二:经纬映射图像

球面描述常用的方法是球面经纬映射图像。这种经纬映射图像方法虽然在绘图学很少应用,但是在计算机图形学中却得到了广泛的使用,因为在计算机上存储单位球是很困难的,把球面分成小片非常复杂。球面的经纬映射图像就是把单位球面上的点按经纬度映射到一个矩形纹理图像上的点,经度映射成矩形的水平坐标,纬度映射成垂直坐标,矩形的长宽比为2:1,经度从0到360度,纬度从-90到90度。这样,球面极坐标可以直接使用矩形纹理图像的水平垂直坐标。在这个纹理图像中,最明显的变形就是水平方向的拉伸变形,在赤道上几乎没有拉伸变形,越接近南北极点,变形就越厉害,几乎拉伸到图像的整个宽度。

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图2是单位球面上的P点和在经纬映射平面上的对应点的关系。常见的矩形世界地图就是的经纬映射纹理图像。这种投影方式在小型360度内投球中应用比较多。

球幕3D校正

用球幕投影系统实现仿真应用时,要将多个通道的3D虚拟场景显示在球幕上,不同通道显示的画面要能够拼接起来,而且拼接后的画面要符合3D虚拟场景的空间坐标关系。

由于投影机安装位置和观众观看位置(EyePoint)是不相同的,而且可能一套系统是由多个投影机组成。所以需要对不同投影机投影的画面进行3D几何校正。

一般来说,投影点和需要的眼点都可能在球幕内的任意位置。如果投影点或观察点任意一个没有在球幕中心,则必须使用校正。校正一个点的过程相对直观。想象把球幕放在要渲染的场景内(图3)。观察点在V点,A点投影在球幕上的图像点为I,但是用位于P点的投影机投影时,在I点的图像必须被绘制在B点。

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投影机在P点,眼点在V点,三维空间物体将从A点移动到B点。对一台投影机,场景以眼点为中心渲染一次,包围对该投影机可见的球幕截面。为了使图像适应球面显示,需要绘制一个单独屏幕填充矩形。系统把这个矩形处理为穿过所有屏上像素点的射线集合。每条射线和球幕的交点通过已知的球幕位置和半径来计算。已知这个三维点,逆向使用原始场景渲染的透视投影,结果就是一个与渲染场景图像相关的二维像素。

边缘融合

为了实现多台投影机画面的无缝拼接,需要实现不同投影机画面之间的边缘融合(EdgeBlending)。在通过球幕几何校正实现多个画面的拼接后,需要计算各个通道图像的重叠区域,再根据重叠区域的位置,计算出实际投影图像的亮度衰减系数。

球幕投影系统

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以球幕数字天象厅为例,说明球幕投影系统的设计要点。

球幕数字天象厅需要运行互动三维程序,也需要播放高清视频。系统使用N+1的典型球幕拼接方式,这种方式按照球幕经纬度排列,投影画面分布较均匀。

球幕直径为10米,画面由6台高亮度投影机拼接而成。信号源是三台图形工作站,每台工作站可输出两个通道的信号。图形工作站输出的画面经过华图CG仿真融合机处理,实现球形预变形、色彩校正和边缘融合,从而实现拼接。系统有三维仿真模式和视频播放模式,这两种运行模式。三维仿真模式下,多台工作站同步运行三维互动程序,包括二维、三维星空软件,三维仿真软件等。多台工作站分布式输出多路原始图像信号,经过华图CG仿真融合机的球幕3D校正,结合了屏幕参数、观众视域参数,使三维仿真系统的输出画面符合真实三维空间关系。可以满足军事训练、科研等应用对画面质量和仿真准确性的高要求。

影片播放模式下,多台工作站同步播放高清球幕影片。系统不使用3D校正功能,而是直接对单个高清球幕视频,实现自动分割通道和播出。系统最大可支持2K×2K分辨率的球幕视频。用户只需购买高质量球幕视频文件,即可实现多通道同步播放,无需对视频文件进行后期处理。

对于超过2K×2K分辨率的视频文件,为了能够流畅播放,则需要处理成多个视频片段,再提交给多台工作站分布式播放。

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产品特点

球形投影是一种创意投影表现方式,随着在一些展览展会、演唱会、大型文艺晚会中应用,曝光率逐年的提升。这个充满魔幻的球体,利用在曲面上实现大尺寸图像内容的无缝拼接技术,实现特殊曲面甚至球面的全景影像,给用户以先进的科技体验,这种投射形式技术难,要求高,属于较为高端的投影技术。用户可以360度,全方位的对球体投影的内容进行感知,增加了用户的信息量获取,对于一些在球体上才能较好表现的事物提供了优秀的表现平台。

产品优势

(1)动画和图像效果比平面投影系统的更加的直观立体,配合立体声音效,就可以带来更加真实、震撼、逼真的视觉效果。

(2)展示的内容可以根据场景和客户的需求进行定制开发。

(3)投影区域可以扩大到任意尺寸。

(4)可以设计添加人机互动应用模块,增加设备的互动娱乐效果。

应用领域

球幕投影具有超高的通用性、易用性、可用性,使用场所广泛于空间科学中心、在天文台、地震局,宇航局、学校、博物馆,展览馆等场所。通过动画和图像等表现方式,展示有关地球、卫星、行星、地震、海洋、大气、太阳等内容,比如展示地球的模型,另外它还可以根据需要表现用户想要表现的所有内容。

探索投影技术——球幕

发展趋势 

从显示技术方面来说,球幕投影系统已经实现了主/被动立体投影。

目前国外一些研究机构已经在实验室内实现了使用激光定位设备和摄像机实现对球幕投影系统的自动校正。使用自动校正技术,可以快速实现系统调试和维护,极大减少了系统搭建时间,降低了球幕安装调试的复杂度,有利于球幕系统应用推广。

球幕投影系统在虚拟现实应用方面具有一定优势,与之配套的交互技术也发展很快。专业的数据头盔、数据手套,民用的Wii动作传感器、基于计算机视觉的交互技术等都在球幕投影系统中得到应用。

随着科技水平飞速发展,人们对信息可视化呈现形式的要求也越来越高。球幕投影具有超过其他投影形式的视觉沉浸感和冲击力。随着球幕技术和产品的发展,国内球幕投影市场必将进入一个蓬勃发展期。

来源:强氧创动力