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文檔簡介
1、球幕多媒體寶典Shariden·Shashy資料創(chuàng)造者:Shriden·Shashy球幕資料 球幕投影可以表現(xiàn)出高分辨率、大視角范圍的顯示效果,可以給觀眾帶來新穎的視覺體驗(yàn),讓觀眾感受到強(qiáng)烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。概述 球幕投影是指使用一臺(tái)或多臺(tái)投影機(jī),在球形屏幕上投影出完整連續(xù)的畫面。球幕投影可以表現(xiàn)出高分辨率、大視角范圍的顯示效果,可以給觀眾帶來新穎的視覺體驗(yàn),讓觀眾感受到強(qiáng)烈的視覺震撼和身臨其境的感覺。 球幕投影技術(shù)目前主要應(yīng)用在大型球幕影院(數(shù)字天文館)、大型科技館、球形廣告。球幕投影技術(shù)的另外一個(gè)主要應(yīng)用是模擬仿真領(lǐng)域。 360度穹頂式球幕投影非常便于展示宇宙
2、空間或星空?qǐng)鼍?,所以穹頂式球幕多用于影院、天象廳等應(yīng)用。例如北京天文館新館(該系統(tǒng)使用了7臺(tái)激光投影機(jī),由7臺(tái)SGI工作站實(shí)現(xiàn)球幕視頻播放);以及四川華控圖形科技有限公司在中國科學(xué)院云南天文臺(tái)建設(shè)的數(shù)字天象廳(球幕直徑8米,五通道投影,屏幕分辨率為2K×2K,約400萬像素)。 作為一種新穎的大屏幕顯示形式,除了數(shù)字天象廳應(yīng)用,目前球幕投影技術(shù)越來越多應(yīng)用于科技場館展示。圖2:小型球形投影展頂 球幕投影原理一.球幕投影坐標(biāo) 近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能研究的熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始得到廣泛的應(yīng)用,如房地產(chǎn)、展覽會(huì)館、娛樂等。基于圖像繪制技術(shù)
3、的虛擬現(xiàn)實(shí),比傳統(tǒng)的三維建模構(gòu)造的虛擬現(xiàn)實(shí)方法更加簡單、有效,而且構(gòu)造的場景逼真度高,對(duì)場景處理只與圖像分辨率有關(guān),與場景復(fù)雜度無關(guān)。 球幕投影技術(shù)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來制作360度球幕虛擬場景。由于球幕投影的內(nèi)容要做到對(duì)大視角(超過180度)空間進(jìn)行全面的顯示。所以球幕系統(tǒng)中使用的魚眼投影對(duì)球面,特別是虛擬球體時(shí)要能產(chǎn)生立體沉浸效果。在計(jì)算機(jī)圖形繪制中,魚眼投影通常有兩種情況,正交魚眼圖像和等距魚眼圖像,前者會(huì)造成天頂處的拉伸和赤道處的壓縮,而后者則能夠?qū)崿F(xiàn)象素在球面上的平均分布。1、正交魚眼投影 正交魚眼投影是把半球面上的點(diǎn)平行投影到平面上,在圖像平面上得到一個(gè)圓形的投影圖像。圖3(左)描述了
4、正交魚眼投影。半球投影視角范圍最大到180度。在0度附近,投影圖像幾乎沒有變形,但是在平面的最外邊緣(接近90度),圖像變形很大,這個(gè)地方的圖像看起來顯得比較擁擠。由于正交魚眼投影的這種放射性的變形,在球幕邊緣信息丟失嚴(yán)重,因此在實(shí)際應(yīng)用中比等距魚眼投影要少。2、等距魚眼投影 等距魚眼投影的定義是,投影圖像上的點(diǎn)到圖像中心的距離和球面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)與球心連線到照相機(jī)的光軸的方向角成比例。在等距魚眼投影圖像上,整個(gè)圖像分布幾乎是均勻的。等距魚眼投影視角范圍最大可以到360度。但是360度的等距魚眼投影圖像最外邊緣是在一個(gè)點(diǎn)附近投影到圖像平面上的,因此很不容易理解。圖3(右)描述的是180度角的等距魚眼
5、投影。可以看出,投影圖像上的點(diǎn)離中心距離和投影球面上點(diǎn)到光軸的角度是直接映射的。180度的等距魚眼投影只有一半場景投影到圖像平面上,360度可以投影全部的場景。 圖3:(左)正交魚眼投影(右)等距魚眼投影3、經(jīng)緯映射圖像 球面描述常用的方法是球面經(jīng)緯映射圖像。這種經(jīng)緯映射圖像方法雖然在繪圖學(xué)很少應(yīng)用,但是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中卻得到了廣泛的使用,因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)上存儲(chǔ)單位球是很困難的,把球面分成小片非常復(fù)雜。球面的經(jīng)緯映射圖像就是把單位球面上的點(diǎn)按經(jīng)緯度映射到一個(gè)矩形紋理圖像上的點(diǎn),經(jīng)度映射成矩形的水平坐標(biāo),緯度映射成垂直坐標(biāo),矩形的長寬比為2:1,經(jīng)度從0到360度,緯度從-90到90度。這樣,球面極
6、坐標(biāo)可以直接使用矩形紋理圖像的水平垂直坐標(biāo)。在這個(gè)紋理圖像中,最明顯的變形就是水平方向的拉伸變形,在赤道上幾乎沒有拉伸變形,越接近南北極點(diǎn),變形就越厲害,幾乎拉伸到圖像的整個(gè)寬度。 圖4是單位球面上的P點(diǎn)和在經(jīng)緯映射平面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系。常見的矩形世界地圖就是的經(jīng)緯映射紋理圖像。這種投影方式在小型360度內(nèi)投球中應(yīng)用比較多(圖2)。 二.球幕3D校正 用球幕投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真應(yīng)用時(shí),要將多個(gè)通道的3D虛擬場景顯示在球幕上,不同通道顯示的畫面要能夠拼接起來,而且拼接后的畫面要符合3D虛擬場景的空間坐標(biāo)關(guān)系。 圖4:球幕3D校正 由于投影機(jī)安裝位置和觀眾觀看位置(Eye Point)是不相同的,而且
7、可能一套系統(tǒng)是由多個(gè)投影機(jī)組成。所以需要對(duì)不同投影機(jī)投影的畫面進(jìn)行3D幾何校正。 一般來說,投影點(diǎn)和需要的眼點(diǎn)都可能在球幕內(nèi)的任意位置。如果投影點(diǎn)或觀察點(diǎn)任意一個(gè)沒有在球幕中心,則必須使用校正。校正一個(gè)點(diǎn)的過程相對(duì)直觀。想象把球幕放在要渲染的場景內(nèi)(圖5)。觀察點(diǎn)在V點(diǎn),A點(diǎn)投影在球幕上的圖像點(diǎn)為I,但是用位于點(diǎn)的投影機(jī)投影時(shí),在I點(diǎn)的圖像必須被繪制在B點(diǎn)。 圖5:球幕3D校正示意圖 投影機(jī)在P點(diǎn),眼點(diǎn)在V點(diǎn),三維空間物體將從A點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)。 對(duì)一臺(tái)投影機(jī),場景以眼點(diǎn)為中心渲染一次,包圍對(duì)該投影機(jī)可見的球幕截面。為了使圖像適應(yīng)球面顯示,需要繪制一個(gè)單獨(dú)屏幕填充矩形。系統(tǒng)把這個(gè)矩形處理為穿過所有屏
8、上像素點(diǎn)的射線集合。每條射線和球幕的交點(diǎn)通過已知的球幕位置和半徑來計(jì)算。已知這個(gè)三維點(diǎn),逆向使用原始場景渲染的透視投影,結(jié)果就是一個(gè)與渲染場景圖像相關(guān)的二維像素。 三.邊緣融合 為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)投影機(jī)畫面的無縫拼接,需要實(shí)現(xiàn)不同投影機(jī)畫面之間的邊緣融合(Edge Blending)。在通過球幕幾何校正實(shí)現(xiàn)多個(gè)畫面的拼接后,需要計(jì)算各個(gè)通道圖像的重疊區(qū)域,再根據(jù)重疊區(qū)域的位置,計(jì)算出實(shí)際投影圖像的亮度衰減系數(shù)。 圖6:球幕邊緣融合示意圖(4個(gè)通道的融合區(qū)域) 球幕系統(tǒng)設(shè)計(jì) 以球幕數(shù)字天象廳為例,說明球幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 球幕數(shù)字天象廳需要運(yùn)行互動(dòng)三維程序,也需要播放高清視頻。系統(tǒng)使用N+1的典型
9、球幕拼接方式,這種方式按照球幕經(jīng)緯度排列,投影畫面分布較均勻。 球幕直徑為10米,畫面由6臺(tái)高亮度投影機(jī)拼接而成。信號(hào)源是三臺(tái)圖形工作站,每臺(tái)工作站可輸出兩個(gè)通道的信號(hào)。圖形工作站輸出的畫面經(jīng)過華圖CG仿真融合機(jī)處理,實(shí)現(xiàn)球形預(yù)變形、色彩校正和邊緣融合,從而實(shí)現(xiàn)拼接。系統(tǒng)有三維仿真模式和視頻播放模式,這兩種運(yùn)行模式。 三維仿真模式下,多臺(tái)工作站同步運(yùn)行三維互動(dòng)程序,包括二維、三維星空軟件,三維仿真軟件等。多臺(tái)工作站分布式輸出多路原始圖像信號(hào),經(jīng)過華圖CG仿真融合機(jī)的球幕3D校正,結(jié)合了屏幕參數(shù)、觀眾視域參數(shù),使三維仿真系統(tǒng)的輸出畫面符合真實(shí)三維空間關(guān)系??梢詽M足軍事訓(xùn)練、科研等應(yīng)用對(duì)畫面質(zhì)量和
10、仿真準(zhǔn)確性的高要求。 影片播放模式下,多臺(tái)工作站同步播放高清球幕影片。系統(tǒng)不使用3D校正功能,而是直接對(duì)單個(gè)高清球幕視頻,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分割通道和播出。系統(tǒng)最大可支持2K×2K分辨率的球幕視頻。用戶只需購買高質(zhì)量球幕視頻文件,即可實(shí)現(xiàn)多通道同步播放,無需對(duì)視頻文件進(jìn)行后期處理。 對(duì)于超過2K×2K分辨率的視頻文件,為了能夠流暢播放,則需要處理成多個(gè)視頻片段,再提交給多臺(tái)工作站分布式播放。 圖7:球幕投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7:球幕上運(yùn)行的三維仿真程序 圖8:球幕視頻 目前,較大規(guī)模的球幕表面一般使用金屬板拼接而成。球幕設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮幕體的堅(jiān)固性,球幕表面的光滑度、圓度誤差。從聲學(xué)角度,需
11、要球幕聲學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo):混響時(shí)間。混響時(shí)間是指房間內(nèi)聲壓級(jí)衰減60dB所需的時(shí)間,混響時(shí)間越短,越有利于聲音的清晰。所以球幕系統(tǒng)一般要求混響時(shí)間在1?1.9秒以內(nèi)。 另外投影機(jī)的選擇也是系統(tǒng)的關(guān)鍵。投影技術(shù)發(fā)展很快,目前高分辨率、高亮度的投影機(jī)已經(jīng)越來越普及。大型球幕系統(tǒng)中,根據(jù)屏幕尺寸和對(duì)分辨率的要求,可以選擇1920×1080分辨率的高亮度工程投影機(jī),也可選擇1024×768分辨率的普通商用投影機(jī)。 在投影機(jī)類型的選擇上,中低端系統(tǒng)主要一般選用DLP投影機(jī),而高端系統(tǒng),使用了激光光源的投影機(jī)。激光投影機(jī)之所以如此受人矚目,3,000:1的超高對(duì)比度確實(shí)是其他光源望塵莫及的,而且激光投影機(jī)使用色純度高的三原色激光作為光源,色彩的表現(xiàn)范圍比三槍CRT投影機(jī)還要高得多。激光投影機(jī)也徹底擺脫了偏色的困擾。激光投影機(jī)的的色域范圍是三槍CRT投影機(jī)的兩倍以上。 在投影機(jī)安裝后,還需要使用遮光罩來解決投影畫面漏光問題。 發(fā)展趨勢(shì) 從顯示技術(shù)方面來說,球幕投影系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了主/被動(dòng)立體投影。 目前國外一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了使用激光定位設(shè)備和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)球幕投影系統(tǒng)的自動(dòng)校正。使用自動(dòng)校正技術(shù),可以快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù),極大減少了系統(tǒng)搭建時(shí)間,降低了球幕安裝調(diào)試的復(fù)雜度,有利于球幕系統(tǒng)應(yīng)用推廣。 球幕投影系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用方面
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