CN103139580B - 一种三维全景空间立体图像生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明方法涉及一种三维全景空间立体图像生成方法，属于计算机图像处理技术和光电显示技术领域。此方法针对全景(4π立体角空间)显示系统的特点(超大视场角，即水平、垂直方向均为360度，远大于人眼视场角)，以及大尺寸立体显示的问题，提出了一种基于立体视角分割的全景立体图像生成方法。打破现有的立体图像生成方法；通过建立经纬划分、局部空间角范围解算等模型，实现了高沉浸感全景立体图像的生成。此方法可实现4π空间立体角的大视场高分辨率立体图像的生成，解决工业设计、虚拟制造、军事仿真、天文气象、影视娱乐等领域对多用户、多角度、同时进行立体观察的需要；同时，可用推广到其他大视场角、高沉浸感图像的生成应用中。

Description

一种三维全景空间立体图像生成方法
技术领域
本发明方法涉及一种三维全景空间立体图像生成方法，属于计算机图像处理技术和光电显示技术领域。
背景技术
高分辨率、高亮度的全景显示系统越来越广泛地应用于科学计算可视化、虚拟装配、军事训练、模拟驾驶、文化娱乐等领域。为了实现更具视觉冲击力和沉浸体验感的效果，立体显示技术也被逐步引入到这些领域，成为近年来国内外的研究热点。目前大多显示设备的分辨率通常只有几百万像素，单个设备无法满足高清晰度和大视场角的需求，需要采用多投影仪无缝拼接的大屏幕显示形式来解决这个问题。多通道大屏幕投影显示系统作为一种先进的交互显示系统，在军用和民用领域都具有广阔的应用前景。在军用领域，多屏显示可视化技术系统应用非常普遍，例如美国的飞行员已用模拟器在真实数据生成的全球战场地形上进行飞行战术训练，达到了非常好的对敌打击效果，而自身的损失降到了最低；在民用领域，多通道投影显示系统的应用领域也十分广泛，尤其是在2010年上海世博会中，众多场馆都采用了各种表现形式的多通道投影显示技术。在多通道大屏幕投影显示系统中，可以进行3D立体显示的投影形式主要包括环幕系统、球幕系统、球带系统、CAVE系统等，然而这些显示系统无法满足多观众、多视角、同时、4π立体角空间观察的要求。
本发明提供一种三维全景空间立体图像生成方法，针对全景(4π立体角空间)显示系统的特点(超大视场角，即水平、垂直方向均为360度，远大于人眼视场角)，以及大尺寸立体显示的问题，首次提出了基于立体视角分割的全景立体图像生成方法。打破现有的立体图像生成方法；通过建立经纬划分、局部空间角范围结算、出屏与摄像机间距关系结算等模型，实现了高沉浸感全景立体图像的生成。
发明内容
为了提高投影显示系统的沉浸感，在保证更宽视场角和更高分辨率的同时，实现多用户、多视场角体验，本发明提出一种三维全景空间立体图像生成方法。
一种三维全景空间立体图像生成方法，其特征在于，其实现步骤如下：
实现步骤：
步骤1：建立4π立体角空间，初始化一个以O点为原点，R为半径的球体，这里R为正数；
步骤2：将球体用球面的纬度线等分m份，用球面的经度线等分n份，其中m和n为整数，由相邻两条经度线和相邻两条纬度线相交得到四个交点，由这四个交点组成一个平面四边形，在南极和北极处得到一个三角形，将南极点和北极点看作一条直线，则在南极和北极处得到的三角形也是平面四边形；以下统称这些平面四边形和三角形为几何多边形；
步骤3：选择任意一个几何多边形，连接几何多边形的两组相对边的中心点得到两条直线，这两条直线的交点为几何多边形的几何中心；建立笛卡尔子坐标系，即以O点为原点，O点朝着几何多边形的几何中心的连线方向为Y轴正方向；过几何多边形沿纬度方向两侧边的中心点和O点的平面为XOY坐标平面；垂直于XOY平面，且指向北极的方向为Z轴正方向；根据右手定则可确定X轴正方向；
步骤4：在笛卡尔子坐标系下，将几何多边形沿着X轴正方向平移距离detaX得到第一个几何多边形，将几何多边形沿着X轴负方向平移距离detaX得到第二个几何多边形；将O点沿着X轴正方向平移距离detaX得到点O1，将O点沿着X轴负方向平移距离detaX得到点O2；
步骤5：在第一个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O1点建立第一个四棱锥。在第二个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O2点建立第二个四棱锥；
步骤6：使用第一个四棱锥和第二个四棱锥分别作为左眼和右眼的视锥，再经过渲染得到左眼图像和右眼图像；
步骤7：将左眼图像落在第一个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的左眼视口图像；将右眼图像落在第二个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的右眼视口图像；
步骤8：将左眼视口图像和右眼视口图像按照像素视角对应关系映射到显示屏幕上，得到左眼屏幕图像和右眼屏幕图像，左眼屏幕图像和右眼屏幕图像构成立体图像对。
有益效果：
本发明提供一种三维全景空间立体图像生成方法，其优点在于能够生成4π立体角空间的大视场高分辨率立体图像，供全景立体系统播放，解决工业设计、虚拟制造、军事仿真、天文气象、影视娱乐等领域对多用户、多角度、同时进行立体观察的需要。该技术简单通用，可广泛于娱乐、广告、展览、虚拟仿真、工业制造、科学考察等领域；同时，可用推广到其他大视场角、高沉浸感图像的生成应用中。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程图。
图2为4π立体空间网格化示意图。
具体实施方式
本发明方法为全景立体播放系统提供了一种三维全景空间立体图像的生成方法，从而提高投影显示系统的沉浸感和冲击力，在保证更宽视场角和更高分辨率的同时，实现多用户、多视场角体验。
本发明方法的具体工作流程如图1所示：
步骤1：建立4π立体角空间，初始化一个以O点为原点，R为半径的球体，这里R为正数；
步骤2：将球体用球面的纬度线等分m份，用球面的经度线等分n份，其中m和n为整数，由相邻两条经度线和相邻两条纬度线相交得到四个交点，由这四个交点组成一个平面四边形，在南极和北极处得到一个三角形，将南极点和北极点看作一条直线，则在南极和北极处得到的三角形也是平面四边形；以下统称这些平面四边形和三角形为几何多边形；
步骤3：选择任意一个几何多边形，连接几何多边形的两组相对边的中心点得到两条直线，这两条直线的交点为几何多边形的几何中心；建立笛卡尔子坐标系，即以O点为原点，O点朝着几何多边形的几何中心的连线方向为Y轴正方向；过几何多边形沿纬度方向两侧边的中心点和O点的平面为XOY坐标平面；垂直于XOY平面，且指向北极的方向为Z轴正方向；根据右手定则可确定X轴正方向；
步骤4：在笛卡尔子坐标系下，将几何多边形沿着X轴正方向平移距离detaX得到第一个几何多边形，将几何多边形沿着X轴负方向平移距离detaX得到第二个几何多边形；将O点沿着X轴正方向平移距离detaX得到点O1，将O点沿着X轴负方向平移距离detaX得到点O2；
步骤5：在第一个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O1点建立第一个四棱锥。在第二个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O2点建立第二个四棱锥；
步骤6：使用第一个四棱锥和第二个四棱锥分别作为左眼和右眼的视锥，再经过渲染得到左眼图像和右眼图像；
步骤7：将左眼图像落在第一个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的左眼视口图像；将右眼图像落在第二个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的右眼视口图像；
步骤8：将左眼视口图像和右眼视口图像按照像素视角对应关系映射到显示屏幕上，得到左眼屏幕图像和右眼屏幕图像，左眼屏幕图像和右眼屏幕图像构成立体图像对。

Claims (1)

1.一种三维全景空间立体图像生成方法，其特征在于，其实现步骤如下：
步骤1：建立4π立体角空间，初始化一个以O点为原点，R为半径的球体，这里R为正数；
步骤2：将球体用球面的纬度线等分m份，用球面的经度线等分n份，其中m和n为整数，由相邻两条经度线和相邻两条纬度线相交得到四个交点，由这四个交点组成一个平面四边形，在南极和北极处得到一个三角形，将南极点和北极点看作一条直线，则在南极和北极处得到的三角形也是平面四边形；以下统称这些平面四边形和三角形为几何多边形；
步骤3：选择任意一个几何多边形，连接几何多边形的两组相对边的中心点得到两条直线，这两条直线的交点为几何多边形的几何中心；建立笛卡尔子坐标系，即以O点为原点，O点朝着几何多边形的几何中心的连线方向为Y轴正方向；过几何多边形沿纬度方向两侧边的中心点和O点的平面为XOY坐标平面；垂直于XOY平面，且指向北极的方向为Z轴正方向；根据右手定则可确定X轴正方向；
步骤4：在笛卡尔子坐标系下，将几何多边形沿着X轴正方向平移距离detaX得到第一个几何多边形，将几何多边形沿着X轴负方向平移距离detaX得到第二个几何多边形；将O点沿着X轴正方向平移距离detaX得到点O1，将O点沿着X轴负方向平移距离detaX得到点O2；
步骤5：在第一个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O1点建立一个四棱锥；在第二个几何多边形所在平面上，选取几何多边形的最小外接矩形；由最小外接矩形的4个顶点和O2点建立第二个四棱锥；
步骤6：使用这两个四棱锥分别作为左眼和右眼的视锥，再经过渲染得到两幅图像；
步骤7：将第一幅图像落在第一个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的视口图像；将第二幅图像落在第二个几何多边形中的像素保留，其他像素清空，得到可匹配该几何多边形形状的第二幅视口图像；
步骤8：将两幅视口图像按照像素视角对应关系映射到显示屏幕上，得到对应的两幅屏幕图像，这两幅屏幕图像构成立体图像对。
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