CN102508405A - 立方体幕的直接被动立体实现装置及图像的校正方法 - Google Patents

Abstract

立方体幕的直接被动立体实现装置，采用两台低端投影机分别投影双视口的立体图像，适合于工程上搭建立方体幕的直接被动立体实现装置。校正方法是将左右眼帧缓存中的视景图像分别拷贝到纹理内存中，通过重投影变换计算出B样条曲面控制点坐并且绘制B样条曲面，分别映射纹理内存中左右眼图像的纹理到各自的B样条曲面上。通过对左右眼立体图像分别进行几何校正，实现了立方体幕多通道立体显示的无缝拼接。本发明的有益效果在于，通过微调B样条曲面的控制点坐标以及曲面阶数，实现了左右立体图像局部位置的调整以及图像平滑度的调整，解决了由投影机的机械位置而引起的立体图像视差不准确的问题。

Description

立方体幕的直接被动立体实现装置及图像的校正方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及一种立方体幕的直接被动立体实现装置及图像的校正方法。

背景技术

通过计算机成像和投影机显示能给人以立体感的虚拟环境在硬件的配备上需要解决两个问题：1)如何生成带有视差的左右眼立体图像。2)如何让人的左眼只能看到左眼的图像，右眼只能看到右眼的图像。目前，在PC群上搭建立方体幕的立体显示系统采用主动立体模式进行立体图像实时显示，这要求使用刷新率要在120Hz以上的专业投影机才不影响立体图像的显示效果，而且要求投影机有几何失真调整能力。这类专业投影机价格比较昂贵，每台一般都在几十万元，因此还不能在工程上进行推广应用。

因此，需要设计一套立体图像的几何校正系统，并采用低端普通投影机(LCD或DLP)搭建立方体幕的立体显示系统。该系统的被动立图像在绘制后先进行左右眼图像的几何校正，然后投影到屏幕的正确位置上，保证的了左右图像视差的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种立方体幕的直接被动立体实现装置及直接被动立体图像的校正方法，使该方法既能够降低整个系统的价格，适合工程上推广，又能够准确的实现立方体幕多通道立体显示的无缝拼接，以解决由投影机的机械位置不准确而引起的立体图像的视差不准确的问题，提高立方体幕立体显示系统的使用价值。

本发明提供的立方体幕的直接被动立体实现装置，其特征在于，该装置由立体图像生成模块、两台普通低端投影机、两个偏振片、立方体幕和偏振眼镜组成，其中立方体幕是由5块正方形投影幕拼接成的立方环绕投影幕，分别为前投影幕、左投影幕、右投影幕、定投影幕和底投影幕；立体图像生成模块中采用主流的支持双缓存图卡通过双视口进行左右眼图像的绘制生成被动立体图像；两台普通的低端投影机用于将在两个视口绘制的左右眼图像投影在立方体幕上，偏振片用于将左右眼两路图像极化成垂直和水平正交的光路信号，立方体幕用于将极化后的左右眼图像信号进行成像，偏振眼镜用于观察者观察立方体幕上的图像，使得观察者左眼只能看到左眼的图像，右眼只能看到右眼的图像。

所述的立体图像生成模块中，双缓存图卡输出图像的分辨率为2048*768；其中一个视频输出端输出(0，0，1023，767)区域的图像，另一个视频输出端输出(1024，0，2047，767)区域的图像，双缓存图卡分别在这两个视口绘制左右眼的图像。

整个立方体幕立体显示系统采用背投环绕幕，每块投影幕采用反射镜投影。

本发明提供的立方体幕的直接被动立体图像的校正方法，包括如下步骤：

第1、调节投影机使投影图像的上下边界超出投影幕的上下边界，并使图像的中心位置投影到投影幕的中心位置上；实测投影机相对于投影幕中心点的位置。

第2、根据第1步实测的投影机位置数据及已知的投影机性能参数，计算出投影幕上的四边形投影图像的4个顶点的位置，并建立投影幕与帧缓存面间的重投影变换；

第3、根据左右眼在虚拟场景中的位置及视角大小，渲染三维场景到左后、右后帧缓存，并不直接显示到屏幕上；通过OpengGL函数glCopyTexImage2D分别把左后、右后帧缓存中的三维场景拷贝到两块大小为1024*768的纹理内存中；

第4、将第3步纹理内存中的左右眼图像分别映射到各自的B样条曲面上去，通过手动调整B样条曲面局部控制点达到校正双眼图像中局部的非线性失真的目的，保证两台投影机投影出的图像完全重合，避免将左右眼投影机初始位置的机械误差叠加在左右眼图像的视差上。

本发明的优点和有益效果：

采用低端普通投影机搭建立方体幕的立体显示系统，通过微调B样条曲面的控制点坐标以及曲面阶数的确定，实现了左右立体图像局部位置的调整以及图像平滑度的调整，解决了由投影机的机械位置而引起的立体图像视差不准确的问题，提高了系统的使用价值，适合工程上推广。

附图说明

图1是立方体幕立体显示系统的结构示意图。

图2是立方体幕立体显示系统的框架结构图。

图中：1、成像模块，2、两台普通低端投影机，3、两个偏振片，4、立方体幕，5、偏振眼镜。

图3立方体幕立体图像几何校正系统

图4校正实例中立方体幕的前投影幕，

图5校正实例中帧缓存绘制的校正图像

图6校正实例中校正前左眼投影图像

图7校正实例中校正前右眼投影图像

图8校正实例中校正前同时投影左右眼图像的效果

图9校正实例中左眼的控制网格

图10校正实例中右眼的控制网格

图11校正实例中重投影校正左眼帧缓存图像

图12校正实例中重投影校正右眼帧缓存图像

图13校正实例中局部非线性失真

图14校正实例中经控制点校正后的最终图像

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1、立方体幕的直接被动立体实现装置

如图1所示，立方体幕的直接被动立体实现装置由立体图像生成模块，两台普通低端投影机，两个偏振片，立方体幕和偏振眼镜组成，立体图像生成模块采用主流的支持双缓存图卡通过双视口(Two ViewPorts)进行左右眼图像的绘制生成被动立体信号，直接送到普通投影机进行显示，双缓存图卡要求具备两个视频输出端，图卡的nView模式选择“水平跨越”模式。那么图卡输出图像的分辨率为2048*768。其中一个视频输出端输出(0，0，1023，767)区域的图像，另一个视频输出端输出(1024，0，2047，767)区域的图像。分别在这两个区域绘制左右眼的图像。图像绘制好后直接通过两台普通投影机打到立方体幕上，这种搭建方式要求视景程序全屏显示，才能保证两个视口的图像全部投影在屏幕上，确保左右眼视差的准确性。

在图2中，立方体幕立体显示系统结构框架采用背投环绕幕，每块投影幕采用反射镜投影，并且每块幕的立体图像采用图1中的直接被动立体显示方式。

实施例2、立方体幕的直接被动立体图像的校正方法

本发明的立方体幕的直接被动立体图像的校正方法实现如下：

一、调节投影机使投影图像的上下边界超出投影幕的上下边界，并使图像的中心位置投影到立方体幕的中心位置上；实测投影机相对于投影幕中心点的位置。

二、根据第一步实测的投影机位置数据及已知的投影机性能参数，计算出投影幕上四边形投影图像的4个顶点的位置，并建立投影幕与帧缓存面间的重投影变换；计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{n_1^{\′}{m}_2^{\′}-m_3^{\′}{n}_2^{\′}}{n_1^{\′}{m}_2^{\′}-m_2^{\′}{n}_2^{\′}}\mathrm{tz}+\mathrm{tx}\\ y=\frac{n_3^{\′}{m}_1^{\′}-m_3^{\′}{n}_1^{\′}}{m_1^{\′}{n}_2^{\′}-n_1^{\′}{m}_2^{\′}}\mathrm{tz}+\mathrm{ty}\\ z=0\end{array}\right.$

其中tx、ty、tz为实测的投影机位置，矢量(n′₁、n′₂、n′₃)和矢量(m′₁、m′₂、m′₃)分别为相邻两个四边形投影图像的两个顶点与投影机位置点所确定平面的法向量，n′₁、n′₂、n′₃的计算方法如下，m′₁、m′₂、m′₃同理：

其中α、β为投影机的光线水平和垂直视场角的1/2，θ、

γ为投影机绕自身旋转轴旋转的3个自由度旋转角度。

根据计算出的四边形投影图像4个顶点的位置与帧缓存中4个像点的坐标A_p(-1.0，-1.0)，B_p(1.0，-1.0)，C_p(1.0，1.0)，D_p(-1.0，1.0)，建立投影幕与帧缓存面间的重投影变换，重投影变换方程如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\frac{\left[\begin{array}{cc}a& b\\ c& d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}e\\ f\end{array}\right]}{1+\left[\begin{array}{cc}u& v\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]}$

由4个顶点的坐标和4个像点的坐标代入重投影矩阵形式方程可得8个线性方程组，解方程组可求得8个待定系数a、b、c、d、e、f、u、v。

三、根据左右眼在虚拟场景中的位置及视角大小，并且渲染三维场景到左后、右后帧缓存，并不直接显示到屏幕上。通过OpengGL函数glCopyTexImage2D分别把左后、右后帧缓存中的的三维场景拷贝到两块大小为1024*768的纹理内存中。

四、在投影幕上选取均匀分布的控制点，根据重投影变换计算出这些控制点在帧缓存中位置，合理选取节点矢量及曲面次数，在帧缓存中绘制出左右眼图像的B样条曲面，其方程为：

$p(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i,j}{N}_{i,g}\left(u\right)N_{j,k}\left(v\right)$

u_g≤u≤u_m+1，v_k≤v≤v_n+1

其中给定(m+1)×(n+1)个控制点d_i，j，i＝0，1L，m；j＝0，1，L，n的阵列，构成一张控制网格。又分别给定参数u和v的次数g与k和两个节点矢量U＝[u₀，u₁，L，u_m+g+1]与V＝[v₀，v₁，L，v_n+k+1]，B样条基N_i，g(u)，i＝0，1，L m与N_j，k(u)，i＝0，1，Ln分别由节点矢量U与V按德布尔-考克斯递推公式决定，如下：

五、将纹理内存中的左右眼纹理分别映射到各自的B样条曲面上去，通过手动调整B样条曲面局部控制点达到校正双眼图像中局部的非线性失真的目的，保证两台投影机投影出的图像完全重合，避免将左右眼投影机初始位置的机械误差叠加在左右眼图像的视差上。

立体图像的校正实例：以立方体幕的前投影幕为例进行分析，正方形幕的尺寸为2.5×2.5m，前投影幕投影机各个已知参数为α＝15.4°、β＝11.7°、左眼投影机位置P_L＝(0.23，-3.83，6.32)、θ_L＝36.9°、

γ_L＝9.2°，右眼投影机位置P_R＝(0.41，-3.87，6.28)，θ_R＝35.7°、

γ_R＝10.1°，根据上述的立体图像的校正方法可得图14中最终校正结果的，图4至图13为校正的中间结果。

Claims (4)

1.立方体幕的直接被动立体实现装置，其特征在于，该装置由立体图像生成模块、两台普通低端投影机、两个偏振片、立方体幕和偏振眼镜组成，其中立方体幕是由5块正方形投影幕拼接成的立方环绕投影幕, 分别为前投影幕、左投影幕、右投影幕、定投影幕和底投影幕；立体图像生成模块中采用主流的支持双缓存图卡通过双视口进行左右眼图像的绘制生成被动立体图像；两台普通的低端投影机用于将在两个视口绘制的左右眼图像投影在立方体幕上，偏振片用于将左右眼两路图像极化成垂直和水平正交的光路信号，立方体幕用于将极化后的左右眼图像信号进行成像，偏振眼镜用于观察者观察立方体幕上的图像，使得观察者左眼只能看到左眼的图像，右眼只能看到右眼的图像。

2.根据权利要求1所述的立方体幕的直接被动立体实现装置，其特征在于，双缓存图卡输出图像的分辨率为2048*768；其中一个视频输出端输出(0,0,1023,767)区域的图像,另一个视频输出端输出(1024,0,2047,767)区域的图像，双缓存图卡分别在这两个视口绘制左右眼的图像。

3.根据权利要求1所述的立方体幕的直接被动立体实现装置，其特征在于，该装置采用背投环绕幕，每块投影幕采用反射镜投影。

4.立方体幕的直接被动立体图像的校正方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第1、调节投影机使投影图像的上下边界超出投影幕的上下边界，并使图像的中心位置投影到投影幕的中心位置上；实测投影机相对于投影幕中心点的位置；

第2、根据第1步实测的投影机位置数据及已知的投影机性能参数，计算出投影幕上的四边形投影图像的4个顶点的位置，并建立投影幕与帧缓存面间的重投影变换；

第3、根据左右眼在虚拟场景中的位置及视角大小，渲染三维场景到左后、右后帧缓存，并不直接显示到屏幕上；通过OpengGL函数glCopyTexImage2D分别把左后、右后帧缓存中的三维场景拷贝到两块大小为1024*768的纹理内存中；

第4、将第3步纹理内存中的左右眼图像分别映射到各自的B样条曲面上去，通过手动调整B样条曲面局部控制点达到校正双眼图像中局部的非线性失真的目的，保证两台投影机投影出的图像完全重合，避免将左右眼投影机初始位置的机械误差叠加在左右眼图像的视差上。

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