CN101852980B - 一种在cave投影系统上交互式播放全景视频流的方法 - Google Patents

一种在cave投影系统上交互式播放全景视频流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法，属于数字媒体技术领域。当前现有的360度全景视频浏览器不支持在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流。本发明将全景画面图像作为纹理映射到一个3D球面上，再将360度全周球形视场分割成六个子区域，使用五个不同的虚拟相机分别拍摄其中的前、后、左、右、天顶等五子区域，从而分别得到CAVE投影系统各投影幕的画面。本发明的方法解决了无法直接在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的问题。本发明的方法简单、易行，不需要昂贵的特殊设备，同时具有实时交互能力，实施成本较低，便于推广应用。

Description

一种在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法
技术领域
本发明属于数字媒体技术领域，涉及一种在CAVE投影系统上交互式播放全景相机录制的全景视频流的方法。
背景技术
CAVE投影系统是一种洞穴式正交多幕投影系统，图像以背投的方式投影到幕上，其投影采用“虚拟现实剧场”形式，完全符合Showcase标准。CAVE投影系统是一个立方空间，典型情况下前、后、左、右四面墙各有一个投影幕，同时天顶也有一个投影幕。所以CAVE投影系统是一种理想的展示全景视频画面的装置。目前的全景相机(例如PointGrey公司的Ladybug全景相机)多数能以流文件的形式保存录制的全景视频，使用现有的360度全景视频浏览器可在单台微机的显示器上播放视频流，但是不支持在CAVE投影系统上的播放。在CAVE投影系统中，一般投影每个幕的投影机都与一台独立的微机相连，通过微机将图像输出到对应的投影机上；每台微机输出的图像仅是全部投影画面的一部分，各微机通过局域网相连，相互之间可以进行通信。CAVE投影系统自身的特点使得在其上播放全景视频流的方法完全不同于工作在单台微机上的全景视频浏览器，因此需要一种简单、经济的在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法，以便实现在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法，先将全景画面图像作为纹理映射到一个3D球面上，再将360度全周球形视场分割成六个子区域，使用五个不同的虚拟相机分别拍摄其中的前、后、左、右、天顶等五子区域，从而分别得到CAVE投影系统各投影幕的画面。本发明的方法所需的设备及其实现步骤如下：
1.所需设备：无线游戏手柄(A001)、无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)、CAVE投影系统(A002)、微机和网络交换机(113)。CAVE投影系统(A002)包含五个投影幕和五台投影机，如图1所示，其中投影机(101)投天顶幕，投影机(102)投左侧幕，投影机(103)投后方幕，投影机(104)投右侧幕，投影机(105)投前方幕；投影机(101)与微机(106)相连，投影机(102)与微机(110)相连，投影机(103)与微机(109)相连，投影机(104)与微机(107)相连，投影机(105)与微机(108)相连；各台微机通过网络交换机(113)进行互联；无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)与微机(111)相连。
2.实现步骤：
本发明使用五个虚拟相机分别拍摄360度全周球形视场空间的前、后、左、右、天顶等五个子区域。本方法(010)部分，得到五个虚拟相机的相机参数，具体步骤如下：
步骤(S011)：如图2所示，将CAVE投影立方体ABCDEFGH的中心Po设为视点，在CAVE投影立方体ABCDEFGH之内创建一个以Po为中心的立方体A′B′C′D′E′F′G′H′，其各个面均与CAVE投影立方体ABCDEFGH的某个面平行；
步骤(S012)：如图2所示，将立方体A′B′C′D′E′F′G′H′与立方体ABCDEFGH的对应顶点相连，得到六个四棱台，即四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD、四棱台E′F′G′H′EFGH；
步骤(S013)：把步骤(S012)中得到的四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD分别作为五个虚拟相机的透视投影视域体，据此可计算出五个虚拟相机的相机参数，即相机位置、相机视场角、相机上方向、相机观察中心、相机透视投影视域体的近裁剪平面和远裁剪平面。
本方法(020)部分，实现在CAVE投影系统上的全景视频流播放，具体步骤如下：
步骤(S021)：在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上分别安装自主研制的3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤(S022)：在微机(111)上安装自主研制的全景视频播放控制程序(A004)；
步骤(S023)：分别在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)中创建一个3D球面(201)，其与立方体ABCDEFGH内切，而且立方体A′B′C′D′E′F′G′H′被完全包含于其中；
步骤(S024)：全景视频播放控制程序(A004)从全景视频流文件中读入一帧全景画面图像，并将该帧全景画面图像发送给安装在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)，同时全景视频播放控制程序(A004)启动一个时间触发器(A005)，并设置触发时刻为下一帧的播放时刻；
步骤(S025)：各台微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)接收全景视频播放控制程序(A004)通过局域网发送的全景画面图像，并将该全景画面图像以纹理方式映射到3D球面(201)上；
步骤(S026)：微机(109)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台D′C′G′H′DCGH对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(103)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(107)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台B′C′G′F′BCGF对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(104)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(108)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′F′B′AEFB对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(105)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′H′D′AEHD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(102)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(106)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′B′C′D′ABCD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(101)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；
步骤(S027)：如果全景视频流文件中已没有未播放的全景画面帧，则停止播放，否则当时间触发器(A005)的时间触发事件发生时，若全景视频播放控制程序(A004)收到了所有微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的纹理更新完成消息，则全景视频播放控制程序(A004)关闭时间触发器(A005)并转步骤(S024)，否则提示发生错误。
本方法(030)部分，实现在CAVE投影系统上全景视频流播放的人机交互，具体步骤如下：
步骤(S031)：全景视频播放控制程序(A004)从与微机(111)相连的无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)中读取观众通过无线游戏手柄(A001)输入的方向盘旋转量，计算方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β，并将α和β发送给微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤(S032)：微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)在收到方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β后，各自将程序中的3D球面(201)先在方位方向上旋转一个角度α，再在俯仰方向上旋转一个角度β，最后重新计算虚拟相机拍摄到的画面图像并输出给与微机相连的投影机，同时向全景视频播放控制程序(A004)发送一个交互更新完成消息；
步骤(S033)：若全景视频播放控制程序(A004)在一定时间间隔内收到了所有3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的交互更新完成消息，则表明交互正常，否则提示发生错误。
有益效果
本发明提供了一种在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法，解决了无法直接在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的问题。本发明的方法简单、易行，不需要昂贵的特殊设备，同时具有实时交互能力，实施成本较低，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明所需的设备及其连接方式示意图；图2是CAVE投影立方体、3D球面以及虚拟相机的透视投影视域体示意图。
具体实施方式
为了使本发明的特征和优点更加清楚明白，下面参照附图结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的主要思想是：首先根据图2所示的CAVE投影立方体ABCDEFGH确定其内切3D球面(201)，根据CAVE投影立方体ABCDEFGH的中心Po确定立方体A′B′C′D′E′F′G′H′(立方体A′B′C′D′E′F′G′H′的各个面均与立方体ABCDEFGH的某个面平行)，连接立方体A′B′C′D′E′F′G′H′与立方体ABCDEFGH的对应顶点，得到六个四棱台，即四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD、四棱台E′F′G′H′EFGH；分别以四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD作为五个虚拟相机的透视投影视域体，据此计算出五个虚拟相机的相机参数，并用这些参数设置不同微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)的虚拟相机参数；在不同微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)中，将全景视频播放控制程序(A004)发送来的全景画面图像以纹理方式映射到3D球面(201)上，再用虚拟相机拍摄3D球面(201)，将拍摄到的图像输出到与微机相连的投影机，从而实现CAVE投影系统上的全景视频流播放；从无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)读取通过无线游戏手柄输入的方向盘旋转量，据此对3D球面(201)进行旋转变换，从而实现全景视频流播放的人机交互。
本方法(010)部分，得到五个虚拟相机的相机参数，具体步骤如下：
步骤(S011)：如图2所示，将CAVE投影立方体ABCDEFGH的中心Po设为视点，在CAVE投影立方体ABCDEFGH之内创建一个以Po为中心的立方体A′B′C′D′E′F′G′H′，其各个面均与CAVE投影立方体ABCDEFGH的某个面平行；
步骤(S012)：如图2所示，将立方体A′B′C′D′E′F′G′H′与立方体ABCDEFGH的对应顶点相连，得到六个四棱台，即四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD、四棱台E′F′G′H′EFGH；
步骤(S013)：把步骤(S012)中得到的四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD分别作为五个虚拟相机的透视投影视域体，据此可计算出五个虚拟相机的相机参数，即相机位置、相机视场角、相机上方向、相机观察中心、相机透视投影视域体的近裁剪平面和远裁剪平面。
本方法(020)部分，实现在CAVE投影系统上的全景视频流播放，具体步骤如下：
步骤(S021)：在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上分别安装自主研制的3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤(S022)：在微机(111)上安装自主研制的全景视频播放控制程序(A004)；
步骤(S023)：分别在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)中创建一个3D球面(201)，其与立方体ABCDEFGH内切，而且立方体A′B′C′D′E′F′G′H′被完全包含于其中；
步骤(S024)：全景视频播放控制程序(A004)从全景视频流文件中读入一帧全景画面图像，并将该帧全景画面图像发送给安装在微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)，同时全景视频播放控制程序(A004)启动一个时间触发器(A005)，并设置触发时刻为下一帧的播放时刻；
步骤(S025)：各台微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)接收全景视频播放控制程序(A004)通过局域网发送的全景画面图像，并将该全景画面图像以纹理方式映射到3D球面(201)上；
步骤(S026)：微机(109)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台D′C′G′H′DCGH对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(103)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(107)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台B′C′G′F′BCGF对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(104)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(108)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′F′B′AEFB对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(105)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′H′D′AEHD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(102)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；微机(106)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′B′C′D′ABCD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给投影机(101)，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；
步骤(S027)：如果全景视频流文件中已没有未播放的全景画面帧，则停止播放，否则当时间触发器(A005)的时间触发事件发生时，若全景视频播放控制程序(A004)收到了所有微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的纹理更新完成消息，则全景视频播放控制程序(A004)关闭时间触发器(A005)并转步骤(S024)，否则提示发生错误。
本方法(030)部分，实现在CAVE投影系统上全景视频流播放的人机交互，具体步骤如下：
步骤(S031)：全景视频播放控制程序(A004)从与微机(111)相连的无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)中读取观众通过无线游戏手柄(A001)输入的方向盘旋转量，计算方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β，并将α和β发送给微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤(S032)：微机(106)、微机(107)、微机(108)、微机(109)、微机(110)上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)在收到方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β后，各自将程序中的3D球面(201)先在方位方向上旋转一个角度α，再在俯仰方向上旋转一个角度β，最后重新计算虚拟相机拍摄到的画面图像并输出给与微机相连的投影机，同时向全景视频播放控制程序(A004)发送一个交互更新完成消息；
步骤(S033)：若全景视频播放控制程序(A004)在一定时间间隔内收到了所有3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的交互更新完成消息，则表明交互正常，否则提示发生错误。
在本发明的方法中，全景视频播放控制程序(A004)使用PointGrey公司的Ladybug相机API函数读取全景视频流文件中的全景画面帧，使用OpenGL实现3D球面虚拟拍摄程序(A003)中的纹理映射以及虚拟相机功能，使用Socket套接字实现3D球面虚拟拍摄程序(A003)和全景视频播放控制程序(A004)之间的消息收发功能。

Claims (1)

1.一种在CAVE投影系统上交互式播放全景视频流的方法，其特征在于，所需的设备及实现步骤如下：
所需设备：无线游戏手柄(A001)、无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)、CAVE投影系统(A002)、微机和网络交换机(113)；CAVE投影系统(A002)包含五个投影幕和五台投影机，其中第一投影机投天顶幕，第二投影机投左侧幕，第三投影机投后方幕，第四投影机投右侧幕，第五投影机投前方幕；第一投影机与第一微机相连，第二投影机与第五微机相连，第三投影机与第四微机相连，第四投影机与第二微机相连，第五投影机与第三微机相连；各台微机通过网络交换机(113)进行互联；无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)与第六微机相连；
实现步骤：
本方法第一部分，得到五个虚拟相机的相机参数，具体步骤如下：
步骤S011：将CAVE投影立方体ABCDEFGH的中心Po设为视点，在CAVE投影立方体ABCDEFGH之内创建一个以Po为中心的立方体A′B′C′D′E′F′G′H′，其各个面与CAVE投影立方体ABCDEFGH的相应的面平行；
步骤S012：将立方体A′B′C′D′E′F′G′H′与立方体ABCDEFGH的对应顶点相连，得到六个四棱台，即四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD、四棱台E′F′G′H′EFGH；
步骤S013：把步骤S012中得到的四棱台D′C′G′H′DCGH、四棱台B′C′G′F′BCGF、四棱台A′E′F′B′AEFB、四棱台A′E′H′D′AEHD、四棱台A′B′C′D′ABCD分别作为五个虚拟相机的透视投影视域体，据此可计算出五个虚拟相机的相机参数，即相机位置、相机视场角、相机上方向、相机观察中心、相机透视投影视域体的近裁剪平面和远裁剪平面；
本方法第二部分，实现在CAVE投影系统上的全景视频流播放，具体步骤如下：
步骤S021：在第一微机、第二微机、第三微机、第四微机、第五微机上分别安装3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤S022：在第六微机上安装全景视频播放控制程序(A004)；
步骤S023：分别在第一微机、第二微机、第三微机、第四微机、第五微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)中创建一个3D球面(201)，其与立方体ABCDEFGH内切，而且立方体A′B′C′D′E′F′G′H′被完全包含于其中；
步骤S024：全景视频播放控制程序(A004)从全景视频流文件中读入一帧全景画面图像，并将该帧全景画面图像发送给安装在第一微机、第二微机、第三微机、第四微机、第五微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)，同时全景视频播放控制程序(A004)启动一个时间触发器(A005)，并设置触发时刻为下一帧的播放时刻；
步骤S025：各台微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)接收全景视频播放控制程序(A004)通过局域网发送的全景画面图像，并将该全景画面图像以纹理方式映射到3D球面(201)上；
步骤S026：第四微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台D′C′G′H′DCGH对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给第三投影机，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；第二微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台B′C′G′F′BCGF对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给第四投影机，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；第三微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′F′B′AEFB对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给第五投影机，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；第五微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′E′H′D′AEHD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给第二投影机，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；第一微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)根据四棱台A′B′C′D′ABCD对应的虚拟相机参数创建一个虚拟相机来拍摄3D球面(201)，将拍摄到的画面图像输出给第一投影机，并向全景视频播放控制程序(A004)发送一条纹理更新完成消息；
步骤S027：如果全景视频流文件中已没有未播放的全景画面帧，则停止播放，否则当时间触发器(A005)的时间触发事件发生时，若全景视频播放控制程序(A004)收到了所有微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的纹理更新完成消息，则全景视频播放控制程序(A004)关闭时间触发器(A005)并转步骤S024，否则提示发生错误；
本方法第三部分，实现在CAVE投影系统上全景视频流播放的人机交互，具体步骤如下：
步骤S031：全景视频播放控制程序(A004)从与第六微机相连的无线游戏手柄的PC端连接适配器(112)中读取观众通过无线游戏手柄(A001)输入的方向盘旋转量，计算方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β，并将α和β发送给第一微机、第二微机、第三微机、第四微机、第五微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)；
步骤S032：第一微机、第二微机、第三微机、第四微机、第五微机上的3D球面虚拟拍摄程序(A003)在收到方位方向旋转角α和俯仰方向旋转角β后，各自将程序中的3D球面(201)先在方位方向上旋转一个角度α，再在俯仰方向上旋转一个角度β，最后重新计算虚拟相机拍摄到的画面图像并输出给与微机相连的投影机，同时向全景视频播放控制程序(A004)发送一个交互更新完成消息；
步骤S033：若全景视频播放控制程序(A004)在一定时间间隔内收到了所有3D球面虚拟拍摄程序(A003)发送的交互更新完成消息，则表明交互正常，否则提示发生错误。
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