CN101968890B - 基于球面显示的360°全景仿真系统 - Google Patents
基于球面显示的360°全景仿真系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种并行计算的仿真方法。本发明设计了一种视景变换和多通道显示控制器，根据各个投影仪在三维空间的不同投影曲面，在Ramdisk中预先设定与投影仪对应的显示存储单元，从视景生成系统接口将提取的每帧平面图形送入图像处理器，通过处理实现平面图形的从平面投影至球面的三维变换、及非线性失真较正，然后按照各个投影仪对应的三维曲面，将这些曲面所对应的区域按照刷新信号同步写入各个投影仪所对应的Ramdi sk显示存储单元，完成三维显示。这种并行计算方式进行图像处理操作及显示输出控制的设计方案，极大地提高了系统的处理速度，保证了虚拟现实仿真系统对实时性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用并行计算方法的360°球面显示全景仿真系统中的并行计算方法；
背景技术
虚拟现实技术是20世纪60年代提出的基于计算机、图形图像处理、多传感器，网络以及人机工程的综合技术，通常表述为“虚拟现实”(或虚拟环境，临境，灵境等)；从某种意义上说，虚拟现实技术是计算机视景仿真技术的延伸，是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，它不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信等领域，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等学科相关；虚拟现实技术的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法；在需要对大量抽象数据进行处理时，这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行工程数据处理的方式，已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛的应用，并带来了巨大的经济效益。
近年来，360°全景仿真成为虚拟现实仿真人员研究的热点；基于球面投影的仿真系统因其大视场范围、高沉浸感，更具临场感的视觉效果得到了更多的关注；其中球面非线性失真校正和多通道图像的同步技术是构建三维全景仿真系统的关键技术。
传统的进行全景显示的方法是以拍摄真实世界的照片为基础；通常有直接方式和图像拼接方式两种方法来获得全景图像；前一种方式可以很容易地进行，但它需要使用全景相机等特殊的器材，而这些器材通常是十分昂贵的；而后种方法需要以视点为中心旋转拍摄照片序列，拍摄位置除了要找到景物的中心位置、拍摄角度以外，重要的是每幅照片的水平线要尽量保持水平，因此它对拍摄者的拍摄水平有较高要求；同时不同照片的亮度、色度、对比度的差异会对拼接效果产生很大的影响；这种以拍摄照片生成全景图的方式是对静态图像进行处理，因而不支持场景的实时漫游。
发明内容
为了克服现有技术的各种弊端，获得可以广泛投入于实际应用的全景仿真系统，本发明设计了一种视景变换和多通道显示控制器，根据各个投影仪在三维空间的不同投影曲面，在Ramdisk中预先设定与投影仪对应的显示存储单元，从视景生成系统接口将提取的每帧平面图形送入图像处理器，通过处理实现平面图形的从平面投影至球面的三维变换、及非线性失真校正，然后按照各个投影仪对应的三维曲面，将这些曲面所对应的区域按照刷新信号同步写入各个投影仪所对应的Ramdisk显示存储单元，完成三维显示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：基于多通道投影显示的360°全景仿真系统中中所采用的并行计算方法，其特征在于：
A.能够方便、快捷地生成逼真的三维全景仿真图像；
B.对仿真图像进行非线性校正处理，获得不失真的球面图像；
C.将各通道球面图像进行拼接并投影输出，实现大视场场景显示，同时还可进行交互漫游；
D.针对不同的场景渲染，采用不同的调度方式以优化算法，进而提高场景的实时渲染速度；
本系统对传统的单视觉通道显示系统进行改进，采用多台投影机实现大规模场景多通道显示输出，基于三维变换的球面非线性失真校正和视景渲染更新方式是本发明的核心；核心内容包括：
一、三维变换过程：
1、多台计算机联网，每台计算机设置大于两个屏幕显存大小、共享方式的Ramdisk；
2、找出每个投影仪对应的平面和空间曲面；
3、将每个投影仪对应平面的三维变换、非线性失真校正、场景渲染处理工作分配给每台计算机分别计算，并将结果存放在共享方式的1个屏幕存储大小Ramdisk中；
4、按照整个系统统一的同步指令，每台计算机将Ramdisk中的内容同时写入显存，使得系统三维显示同步；
二、场景调度算法：
1、前景不动背景移动(前景如飞行器等，背景如天空等)：按照背景移动的速度方向来计算计算机两帧背景的增量，每台计算机所对应的增量也存放在Ramdisk中，按照整个系统统一的同步指令，每台计算机将Ramdisk中的内容按照移动方式写入对应的显存中；
2、前景动背景不动：将每台计算机所对应的背景存放在Ramdisk中与屏幕显存大小相等的第一区域，将前景存放在Ramdisk中与屏幕显存大小相等的第二区域，按照整个系统统一的同步指令，分别将背景和前景按照不透明方式写入显存，完成叠加；
3、前景、背景同时变化：背景和前景分别按照情形1、2的方式进行调度，叠加写入显存。
本发明提供一种快速简易的三维全景仿真构建方法，采用一台专业图形工作站控制八通道仿真图像的生成及显示输出，实现了水平360°、垂直180°的三维全景仿真，很好地模拟出真实三维世界场景，使观察者置身于真实感十足的虚拟场景之中，并可在场景内部进行实时交互漫游；本系统很好的弥补了基于图像的图形绘制(IBR)系统的不足，无论在系统构建、全景图生成、显示效果还是实时交互方面都有了很大改进。
下面结合附图和实例对本发明做详细说明。
附图说明
图1是本发明三维全景仿真系统组成图；
图2是本发明三维全景仿真系统坐标变换图；
图3是本发明三维全景仿真系统场景调度算法图；
图4是本发明三维全景仿真系统实现流程图。
具体实施方式
参照图1～4，本发明实现了水平360°、垂直180°的三维全景仿真，为观察者营造出逼真、接近现实的全景环境，同时可在场景内部进行实时漫游；
图1描述的整个全景仿真系统由软、硬件两部分组成，视景生成部分采用专业图形工作站进行仿真图像生成、非线性失真校正以及场景调度管理；投影显示部分包括球形投影屏幕及各通道投影机；软件系统采用专业仿真建模工具Creator和视景仿真驱动软件Vega，在Microsoft Visual C++6.0环境下，构建模型数据库，导入Multigen-Vega运行环境中实现交互，进行视景模拟；
在图形工作站中利用Creator建立自然场景实物模型，通过调度三维驱动软件Vega实时渲染生成三维全景仿真图像；通过仿真程序接口获取实时仿真图像，按照上述三维变换过程对其进行非线性失真校正处理，图2描述了坐标转换过程；将处理后的仿真图像按上述调度算法依次由投影机端口显示输出，图3描述了场景调度算法；图4描述了整个系统实现流程。
Claims (1)
1.一种基于球面显示的360°全景仿真系统中所采用的并行计算方法，其特征在于：
1)多台计算机联网，每台计算机设置大于两个屏幕显存大小，使用共享方式的Ramdisk以方便、快捷地生成逼真的三维全景仿真图像；
2)找出每个投影仪对应的平面和空间曲面，将每个投影仪对应平面的三维变换、非线性失真校正、场景渲染处理工作分配给每台计算机分别计算，获得不失真的球面图像；
3)按照整个系统统一的同步指令，每台计算机将Ramdisk中的内容同时写入显存，并对各通道球面图像进行拼接并投影输出，实现大视场场景显示，同时还可进行交互漫游；
4)针对不同的场景渲染，采用不同的调度方式以优化算法，进而提高场景的实时渲染速度；场景调度算法包括：(a)当前景不动背景移动时，按照背景移动的速度方向来计算计算机两帧背景的增量，每台计算机所对应的增量也存放在Ramdisk中，按照整个系统统一的同步指令，每台计算机将Ramdisk中的内容按照移动方式写入对应的显存中；(b)当前景动背景不动时，将每台计算机所对应的背景存放在Ramdisk中与屏幕显存大小相等的第一区域，将前景存放在Ramdisk中与屏幕显存大小相等的第二区域，按照整个系统统一的同步指令，分别将背景和前景按照不透明方式写入显存，完成叠加；(c)当前景、背景同时变化时，背景和前景分别按照(a)、(b)方式进行调度，叠加写入显存。
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