CN102957935A - 跟踪成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟踪成像方法和装置，用于主题公园的轨道式跟踪互动立体电影剧场，其中该剧场包含多个位于轨道两侧的平面的屏幕，每个屏幕具有各自对应的虚拟相机，其包含以下步骤：选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；当该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像。使用该方法和装置，可以记录轨道上不同位置观众视点的场景视角变化。并且由于只需渲染屏幕上有效区域的画面，因此可以显著的减少渲染计算量。

Description

跟踪成像方法和装置

技术领域

本发明用于主题公园的轨道式跟踪互动立体电影剧场中，以进行屏幕的渲染成像。

背景技术

轨道式跟踪互动立体电影，是主题公园行业中很受欢迎的一种数字娱乐体验项目。在这类项目的体验中，游客会乘坐在一辆小车上，根据影片剧情安排，小车沿着预设的水平轨道朝指定方向开动，轨道两侧有和影片内容相关的实体布景，影片的放映屏幕安置在剧场的某些区域，载有游客的小车经过该区域时，会触发该区域的影片开始放映，并且影片画面中的内容(虚景)和屏幕旁边的实景相结合，让游客有身临其境的感觉。而且载有观众的小车会根据影片画面内容作出旋转、前后左右摇晃等动作，配合立体画面的效果，游客的体验会比静止的坐在座椅上观看影片要更为刺激。

以往的做法，是把观众前方视野的画面都渲染出来，再把画面投射回到屏幕上，然后把投射到屏幕上的画面在投影机视角渲染出来，就能得到用来放映的(成品)投影画面。这种方式，渲染量比较大，本来最终屏幕上的画面所占的视野不是很大，但依然要渲染观众整个前方视野的虚景。

发明内容

使用本发明提出的跟踪成像方法和装置进行渲染，屏幕必须是平面的，虚拟相机视线和屏幕垂直，每一个特定影片画面虚拟相机的位置应该和实际剧场放映时小车对应的位置相匹配，也就是说，假如画面是相机在屏幕左侧渲染的，也应该是小车开到屏幕左侧对应位置的时候放映给游客看。因为相机的视线朝向固定，因此，要能正确得到屏幕位置的画面，必须移动相机的取景框，使之在相机画面里朝屏幕方向偏移，并且取景框的大小也要和屏幕在相机取景框中的大小一样，这样不会导致本来不应该在屏幕上的场景物体渲染到画面里，同时，这样也可以使渲染时间比较少。为此，本发明提出一种跟踪成像方法，用于公园轨道式跟踪互动立体电影剧场，其中该剧场包含N个位于轨道两侧的平面屏幕，每个屏幕具有各自对应的虚拟相机，其包含以下步骤：

a.选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

b.随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

c.当该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像。

优选的，在步骤c之后进一步包括：

d.对于允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像的情形，获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并根据以下公式计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1，

f＝(u×z)/w(1)

d1＝(u×d2)/w  (2)

其中，w是该对应屏幕的宽度，是一个固定值，该虚拟相机的水平取景范围u保持恒定不变，是一个固定值；

其中，所述获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1可以是根据小车的运动实时进行的，也可以是预先计算并保存在数据库中，根据小车所处的位置从数据库中调取；

e.使用计算的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1对该虚拟相机的对应屏幕进行渲染成像。

优选的，第一阈值选取为8-12度，第二阈值选取为168-172度。

优选的，对于禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像的情形，将不获取该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1。

优选的，N选取范围是10-15。

本发明还提出一种跟踪成像装置，用于公园轨道式跟踪互动立体电影剧场，其中该剧场包含N个位于轨道两侧的平面屏幕，每个屏幕具有各自对应的虚拟相机，其包含以下模块：

选择模块，用于选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

第一获取模块，用于随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

判定模块，用于判断该水平夹角与第一阈值和第二阈值的关系；以及

使能模块，用于根据所述判断模块的判定结果，允许使用或禁止使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；

其中，当所述判定模块判定该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当所述判定模块判定该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，所述使能模块禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像。

该跟踪成像装置，还优选的进一步包括：

第二获取模块，用于所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像的情形，获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2；

计算模块，用于采用以下公式进行计算该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1：

f＝(u×z)/w(1)

d1＝(u×d2)/w(2)

其中，w是该对应屏幕的宽度，是一个固定值，该虚拟相机的水平取景范围u保持恒定不变，是一个固定值；

其中，所述获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1可以是根据小车的运动实时进行的，也可以是预先计算并保存在数据库中，根据小车所处的位置从数据库中调取；以及

渲染成像模块，用于使用计算的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1对该虚拟相机的对应屏幕进行渲染成像。

优选的，第一阈值选取为8-12度，第二阈值选取为168-172度。

优选的，N选取范围是10-15。

使用本发公开的成像跟踪方法和装置，同样可以记录轨道上不同位置观众视点的场景视角变化。一方面，通过水平夹角与第一阈值，第二阈值的比较来确定是否启用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；另一方面，通过动态选择水平取景范围和取景框偏移量，只用对该选择范围内的进行取景。由于只需渲染屏幕上有效区域的画面，也就是说屏幕外面看不到的场景，是无需计算的，因此可以显著的减少渲染计算量。

说明书附图

图1表示剧场的局部顶视图，图2表示相机原理平面示意图，图3-4表示第二和第三实施例的跟踪成像系统示意图。

具体实施例

第一实施例

在图1所示的剧场布局顶视图中，PQ曲线为观众所乘坐的小车的运动轨道，小车由P向Q移动，以O代表观众的视角，O1、O2和O3分别代表观众在剧场里三个不同的观看视角，屏幕1的水平宽度为9.6米，屏幕2的水平宽度为12.8米。小车经过O1点的时刻，观众看到的屏幕虚景区域为O1AB，只能看到屏幕1，小车在O2和O3之间时，观众能同时看到屏幕1和屏幕2，因此两个屏幕上都要有虚景。但两个屏幕的虚景需要使用不同的相机渲染，屏幕1的相机，在轨道上能看到屏幕1的区域里渲染用于屏幕1的虚景，其朝向垂直于屏幕1，也就是一直和O2F平行；而屏幕2的渲染相机，朝向则一直垂直于屏幕2，一直和O3E平行。屏幕2的虚景，当小车处在屏幕背后的时候，是不需要渲染的，当小车运动到屏幕2正面，观众视点和屏幕2中心点问的水平夹角α小于第一阈值，一般选取范围是8-12度或者大于第二阈值，一般选取范围是168-172度的时候，由于视角非常偏，屏幕上的反射光很暗，因此观众还不会注意到屏幕，但大于第一阈值小于第二阈值时，就要用屏幕2的跟踪相机渲染用于屏幕2的虚景。

需要说明的是，这里仅以两个屏幕为例，可以具有多个屏幕，比如10-15个，甚至更多。水平夹角也仅仅示出了与屏幕2正面的水平夹角，但实际上屏幕1和未示出的其他屏幕上的虚景的选取也需要根据与该屏幕的正面的水平夹角来进行。

对于每个落入大于第一阈值小于第二阈值的范围内的屏幕和虚拟相机，采用如下的方式计算相机的水平取景范围u和取景框偏移量d1。

如图2所示，O表示剧场放映时某个时刻观众所处位置，模拟观众视角的虚拟相机放在O点处，EG表示平面屏幕，宽度为w，z是相机到屏幕所在平面的垂直距离，d2表示屏幕中心F和虚拟相机视轴与屏幕所在平面交叉点H的水平偏移距离；u为虚拟相机的水平取景区域，虚拟相机所在点到取景区域的垂直距离是虚拟相机的焦距f，d1表示取景区域的水平偏移量。随着小车在轨道上移动，观众的视角不停的发生变化，模拟观众视角的虚拟相机位置也要相应移动，但其朝向则一直是垂直于屏幕所在的平面。因此，设定虚拟相机的水平取景范围u固定，实时测量相机到屏幕的距离z和表示屏幕中心F和虚拟相机视轴与屏幕所在平面交叉点H的水平偏移距离d2，就可以计算出使得虚拟相机的取景框总是刚好能包括屏幕范围的虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1。

根据图中的相似三角形关系，我们可以很容易的得出以下比例关系：

f/z＝u/w＝d1/d2(0)

等式(0)中，w和u是已知条件，z和d2则可以根据屏幕和相机的相对位移方便的算出来，此时满足要求的f和d1，就具有唯一确定的组合，只要沿着相机视轴线OH变化D点的位置，保持u恒定，可以得到对应的f和d1。

f＝(u×z)/w(1)

d1＝(u×d2)/w(2)

由公式(1)可以看出，虚拟相机的焦距f与相机到屏幕所在平面的垂直距离z成正比，即距离越远，虚拟相机的焦距f就越大。

由公式(2)可以看出，虚拟相机的取景框偏移量d1与水平偏移距离d2成正比，即距离越远，虚拟相机的的取景框偏移量d1就越大。

因为虚拟相机是三维软件虚拟出来的，当观众随着小车在轨道上移动时，对应位置的画面必须由相同位置的相机来渲染出来，可以使用三维软件的表达式来控制，根据实际动态的z和d2值由公式(1)和公式(2)计算出对应位置的f以及d1值，再把虚拟相机的对应参数设置成这些值，这样渲染出来的画面，才是能体现观众视角和虚景关系的投影画面。

第二实施例

如图3所示，本发还提出一种跟踪成像装置，其包含以下模块：

选择模块301，用于选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

第一获取模块302，用于随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

判定模块303，用于判断该水平夹角与第一阈值和第二阈值的关系，所述获取可以是根据小车的运动实时进行的，也可以预先进行并根据小车所处的位置从数据库中调取；以及

使能模块304，用于根据所述判断模块的判定结果，允许使用或禁止使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；

其中，所述获取可以是根据小车的运动实时进行的，也可以预先进行并根据小车所处的位置从数据库中调取，当所述判定模块判定该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当所述判定模块判定该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，所述使能模块禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像。

第三实施例

如图4所示，本发明对该跟踪成像装置作了进一步的改进，其包含以下模块：

选择模块401，用于选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

第一获取模块402，用于随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

判定模块403，用于判断该水平夹角与第一阈值和第二阈值的关系；以及

使能模块404，用于根据所述判断模块的判定结果，允许使用或禁止使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；

其中，当所述判定模块判定该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当所述判定模块判定该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，所述使能模块禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像；

第二获取模块405，用于所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像的情形，获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2；

计算模块406，用于采用以下公式进行计算该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1：

f＝(u×z)/w(1)

d1＝(u×d2)/w(2)

其中，w是该对应屏幕的宽度，是一个固定值，该虚拟相机的水平取景范围u保持恒定不变，是一个固定值；

其中，所述获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1可以是根据小车的运动实时进行的，也可以是预先计算并保存在数据库中，根据小车所处的位置从数据库中调取；以及

渲染成像模块407，用于使用计算的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1对该虚拟相机的对应屏幕进行渲染成像。

使用本发明实施例公开的成像跟踪方法和装置，同样可以记录轨道上不同位置观众视点的场景视角变化。一方面，通过水平夹角与第一阈值，第二阈值的比较来确定是否启用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；另一方面，通过动态选择水平取景范围和取景框偏移量，只用对该选择范围内的进行取景。由于只需渲染屏幕上有效区域的画面，也就是说屏幕外面看不到的场景，是无需计算的，因此可以显著的减少渲染计算量。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种跟踪成像方法，用于公园轨道式跟踪互动立体电影剧场，其中该剧场包含N个位于轨道两侧的平面屏幕，每个屏幕具有各自对应的虚拟相机，其包含以下步骤：

a.选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

b.随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

c.当该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像。

2.如权利要求1所述的跟踪成像方法，其中在步骤c之后进一步包括：

d.对于允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像的情形，获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并根据以下公式计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1，

f＝(u×z)/w(1)

d1＝(u×d2)/w(2)

其中，w是该对应屏幕的宽度，是一个固定值，该虚拟相机的水平取景范围u保持恒定不变，是一个固定值；

其中，所述获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1可以是根据小车的运动实时进行的，也可以是预先计算并保存在数据库中，根据小车所处的位置从数据库中调取；

e.使用计算的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1对该虚拟相机的对应屏幕进行渲染成像。

3.如权利要求1或2所述的跟踪成像方法，其中第一阈值选取为8-12度，第二阈值选取为168-172度。

4.如权利要求1所述的跟踪成像方法，其中对于禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像的情形，将不获取该虚拟相机的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1。

5.如权利要求1或2所述的跟踪成像方法，其中N选取范围是10-15。

6.一种跟踪成像装置，用于公园轨道式跟踪互动立体电影剧场，其中该剧场包含N个位于轨道两侧的平面屏幕，每个屏幕具有各自对应的虚拟相机，其包含以下模块：

选择模块，用于选取所有的虚拟相机与轨道上载有乘客的小车位置相重合，并保持每个虚拟相机的渲染视线与其对应的屏幕相垂直；

第一获取模块，用于随着小车在轨道上的运动，获取每个虚拟相机与其对应屏幕正面的水平夹角；

判定模块，用于判断该水平夹角与第一阈值和第二阈值的关系；以及

使能模块，用于根据所述判断模块的判定结果，允许使用或禁止使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像；

其中，当所述判定模块判定该水平夹角大于第一阈值小于第二阈值时，所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像，当所述判定模块判定该水平夹角小于第一阈值或者大于第二阈值时，所述使能模块禁止使用该虚拟相机对该对应屏幕进行渲染成像。

7.如权利要求6所述的跟踪成像装置，其中还进一步包括：

第二获取模块，用于所述使能模块允许使用该虚拟相机对其对应屏幕进行渲染成像的情形，获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2；

计算模块，用于采用以下公式进行计算该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1：

f＝(u×z)/w  (1)

d1＝(u×d2)/w(2)

其中，w是该对应屏幕的宽度，是一个固定值，该虚拟相机的水平取景范围u保持恒定不变，是一个固定值；

其中，所述获取该虚拟相机到对应屏幕所在平面的垂直距离z和对应屏幕中心和该虚拟相机视轴与对应屏幕所在平面交叉点的水平偏移距离的d2，并计算相应的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移量d1可以是根据小车的运动实时进行的，也可以是预先计算并保存在数据库中，根据小车所处的位置从数据库中调取；以及

渲染成像模块，用于使用计算的该虚拟相机的焦距f和取景框偏移最d1对该虚拟相机的对应屏幕进行渲染成像。

8.如权利要求6或7所述的跟踪成像装置，其中第一阈值选取为8-12度，第二阈值选取为168-172度。

9.如权利要求6或7所述的跟踪成像装置，其中N选取范围是10-15。

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