CN103439859A - 基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元 - Google Patents

基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元 Download PDF

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CN103439859A CN2013103079307A CN201310307930A CN103439859A CN 103439859 A CN103439859 A CN 103439859A CN 2013103079307 A CN2013103079307 A CN 2013103079307A CN 201310307930 A CN201310307930 A CN 201310307930A CN 103439859 A CN103439859 A CN 103439859A
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Abstract

本发明公开了一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，包括环幕放映／投影功能单元和环幕投射片源制作单元，其中所用放映/投影镜头为创新的可实现特定物-像映射关系的二向异性鱼眼镜头。利用该类镜头构建功能单元，在较高像素转换效率前提下，单台放映/投影机可实现对最大190°圆心角、最大10:1视场比的环幕进行高效放映/投影。通过功能单元的组合，可满足投射不同视场比环幕的放映/投影需求，结合使用成熟的画面融合拼接技术，可在圆心角360°的整环幕上投射出完美画面。简化了环幕影像工程中配置，降低了工程中安装调试、后期维护难度，提高了系统可靠性。可适用于影院、展览展示厅，更可用于构造小型桌上显示系统。

Description

基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映/投影系统单元
技术领域
本发明涉及一种数字影像环幕放映／投影系统单元，尤其涉及一种基于二向异性鱼眼镜头结合数字放映／投影机和播放器针对圆环形和类似圆环形银幕进行放映／投影的放映／投影系统单元，可用来实际构建以环形银幕为投射对象的放映／投影工程，如，环幕影院、环幕展览展示厅、小型桌上环幕背投电视。属于物像非相似超广角光学成像技术、计算机图像处理技术在影视、影像领域的应用。 
背景技术
环幕是一种形状为或近似为完整圆环或部分圆环的银幕，该类型银幕面形结构上属于双二次曲面类型，在相互垂直的两个方向上具有不同的原点（对称中心点）曲率和面型公式。为了施工简便，环幕多采用圆柱面或接近圆柱面的轮胎面（由于垂直于地面方向的曲率绝对值很小，所以工程实践中按柱面进行近似处理，以下均假定环幕有一个方向原点曲率为零），幕为硬质或软质幕，可为正投也可为背投幕。使用时，一般使幕的柱面的母线垂直地面，即，在水平方向银幕弯曲，有曲率C，且C不等于零；而在垂直方向，环幕的曲率C可以等于零（多为等于零，也有接近零且不为零的可能，为描述方便，以下假设垂直方向上C等于零,则环幕存在母线）。确定环幕规格有两个基本尺寸——银幕水平方向的曲面（以下均以柱面进行描述）曲率半径R（R=1/C）,和银幕垂直方向母线的绝对高度H。目前对于环幕的描述标准尚不健全，故借用平面幕的一些概念。对于平面幕来说，银幕的“宽高比”是一个常用术语，例如1.37：1或16:9等，用来表征影像在银幕水平和垂直两方向的有效分布，该银幕的宽高比会直接影响观众的观看张角和视觉空间感受。在光学工程领域为了方便描述镜头特性或方便分析与研究，都假定镜头内存在相互垂直且相交于镜头光轴的两个虚拟平面——弧矢平面和子午平面。在弧矢和子午平面内且垂直于光轴的方向称为弧矢方向和子午方向，相应地，偏离弧矢和子午方向的其他方向则称为任意方向。放映/投影时，所用镜头的子午方向视场角对应银幕垂直方向的高度H，镜头的弧矢方向的视场角对应银幕水平方向的宽度W，数字放映/投影机的芯片或者叫靶面也和镜头具有二方向对应关系，就是说银幕和投影机芯片二者通过放映镜头构成一定对应映射关系，这个映射关系决定放映/投影过程的数字放映/投影机芯片的“光效转换效率”或称“像素转换效率”，该“转换效率”一般可用芯片面积的比值来近似体现，即，镜头所能投射到银幕上的芯片区域面积和芯片的完整面积的比值。完善而科学的映射关系是在保证上述转换效率最大化的基础上，实现最佳的放映/投影效果。而对于环幕来说，银幕在水平方向存在曲率，“宽高比”概念已经不适合描述环幕，应该换为“视场比”来表示，即，环幕原点的中心法线和柱面的中心对称轴的交点相对环幕的两个方向形成的张角，也称全视场角的比值，即，水平方向全视场角度 
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE001
和垂直方向全视场角度
Figure 640021DEST_PATH_IMAGE002
的比值
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE003
。因为视场角度的比值影响着观众的视觉空间感受，后面将以“视场比”这个概念来描述环幕上影像的空间分布。当放映/投影镜头位于环幕原点的中心法线和柱面的中心对称轴相交的交点处或附近时，所用镜头的最大视场角也应分为弧矢方向和子午方向，并分别约等于
Figure 736208DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 923606DEST_PATH_IMAGE002
，单纯对于水平方向来说，镜头的使用和在球幕等距放映/投影中的情况一致，即镜头的弧矢方向最大视场角等于环幕水平向曲面圆环的圆心角
Figure 784246DEST_PATH_IMAGE001
；而对于垂直方向则和正常投影平面幕情况相同，镜头的子午方向最大视场角为
Figure 94005DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure 553279DEST_PATH_IMAGE004
决定。目前工程实践中可见到的环幕放映/投影应用中环幕圆心角范围一般在70°~360°，观众置身环幕影像之中，可以体会到极其震撼的立体感、沉浸感和现场感。 
一般来讲，放映/投影镜头的光学性能由光学结构决定，光学结构主要由各种透镜、反射镜和各种光阑组成，根据透镜上光学工作面的类型特点，例如，标准球面、椭球面、抛物面、圆锥面、双二次曲面、偶次非球面、奇次非球面等，可对透镜进一步限定和命名，双二次曲面透镜通常用来构造子午和弧矢方向性能差异化的光学结构，以实现镜头各向异性的特殊性能，而柱面透镜是双二次曲面透镜中最简单的形式，且加工工艺较为成熟，通常被优先选用。 
在胶片电影时代，由胶片电影放映机、放映镜头、电影胶片、具有一定弧度的遮幅变形宽银幕构成的放映系统可看作是环幕放映/投影系统的雏形。35mm遮幅式变形宽银幕银幕宽高比达到2.35:1，70mm遮幅式变形宽银幕银幕宽高比达到2.2:1，由于其宽高比不是很大，使用时通常在电影放映机的标准电影放映镜头（通用宽高比1.37:1）前加装一组无焦柱面附加镜或者一组棱镜来对单方向视场（一般多为弧矢方向）进行放大，继而造成画幅宽高比的变化，该无焦柱面附加镜为望远镜式结构，为无焦系统，附加在镜头前面时不改变原镜头的焦距。在组合镜头的装调过程中会产生一定的配合误差及随机误差，可靠性和成像效果大打折扣。另外附加镜对原画幅宽高比的变形倍率也有限，以稳定性稍好且最常用的无焦柱面望远镜式附加镜为例，在水平方向一般最大只能放大至原来的两倍，基本可以达到画面综合宽高比2.75:1，若想变形至原来宽高比的两倍以上并造成更大的综合宽高比，根据望远镜工作原理，既会造成柱面变形镜组口径变得太大而增加生产成本，也会造成附加镜头的总长度和总重量大大增加而丧失稳定性和可靠性，更为不利的是柱面望远镜式高倍变形附加镜的像差将很难进行良好校正。棱镜组式附加镜也因为工艺性差而很少应用，其变形倍率更小，成像质量更差。 
 进入数字影像时代，环幕放映/投影技术在光学技术、制片技术、银幕制造技术及数字图像处理技术的推动下得到了极大的发展，可营造出更加玄妙震撼的视觉效果，工程实际应用也越来越常见。目前常见的环幕影像工程中，一台数字放映/投影机、一只常规放映/投影镜头、一台播放器及一幅银幕共同构成一个基本的放映/投影功能单元，每个功能单元可投射水平方向的全视场角一般最大不超过70°，对于圆心角大于70°的环幕来说，普遍采用基于常规放映/投影镜头的多放映/投影机机位或者多功能单元来共同投影一个环幕，每台放映/投影机均在环幕的一定圆心角范围投射出影像画面，并留出画面交汇区，后期再对画面进行无缝融合处理，使之在幕上形成一个完整画面。上述多功能单元共同投射一个完整大画面的工程应用中，制片环节也采用多台摄影/摄像机均匀对称布置、精确定位、同步拍摄，放映/投影时需要使用和拍摄过程相同数量的放映/投影机进行同步放映。已公开的专利技术《环幕电视投影系统》，就是由九台投影机构成的复杂系统打造一幅圆心角360°的环形画面。拍摄时，需设定全部摄影机保持相同的摄像工作参数，放映/投影时，需通过同步控制系统来控制所有放映/投影机，并保证所有放映/投影机与摄像过程中应用的多组摄像机在空间位置、影像光学特性上保持严格一致。这样，就带来工程成本高、调试过程复杂、能源消耗大、占据空间大，后期维护费用昂贵等问题。为解决上述问题，已经公开的另一专利《便携式360°环幕影院系统》给出了不同的放映/投影方法，用一台数字投影机、一只广角镜头以及一个双曲面反射镜来实现对360°完整环幕的投影。但是，双曲面反射镜的使用不可避免地造成幕上影像的无序变形、亮度不均匀且损失大、不能满足对大尺寸环幕投影需求等问题，而且，大尺寸双曲面反射镜的使用，既不易加工，也对反射镜的固定支撑稳定性提出了更高的要求。除此之外，受鱼眼镜头投射球幕的启发，还曾经有人设想使用传统意义的鱼眼镜头来投射大视场比的环幕，并构造基本功能单元，可以在单方向实现大视场角，从而减少放映/投影机机位数量，但是传统意义的鱼眼镜头为旋转对称结构，各向性能相同，尽管它能实现单向大视场角，但很难实现有价值的两倍以上的视场比，即，如果追求提高视场比，将使像素转换效率或者光效转换效率大大降低，例如，如要实现环幕水平方向和垂直方向4：1的视场比，根据目前市场上常见的主流专业或工程投影机芯片的宽高比情况计算，将使像素或光效转换效率降低到只有30%~40%，从而使这种使用常规鱼眼镜头投射大视场比环幕的构想失去了使用价值。 
发明内容
鉴于上述现状，本发明为解决现有环幕放映／投影功能单元难以同时兼顾较大视场比和较高像素转换效率问题，及解决多功能单元组合拼接投射大视场比环幕或整环幕需要放映／投影机数量过多、工序及工程配置繁琐复杂、不能小型化或者大型化应用的诸多问题，而提供了一个功能单元便可以形成大视场比且具有较高像素转换效率的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元。 
本发明的技术解决方案是：一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，包括环幕放映／投影功能单元和环幕投射片源制作单元；其中： 
环幕放映／投影功能单元，包括环幕、数字放映／投影机、放映/投影镜头、播放器；
所述的环幕是一幅具有一定圆心角度和幕高的标准环形或类似环形的双二次曲面面型银幕作为接收放映/投影机光信号的载体，环幕相对数字放映/投影机，或者相对镜头的最佳工作位置是使镜头的出瞳位于环幕原点的中心法线和环幕柱面中心对称轴的交点处或是附近，经过环幕原点的中心法线与镜头光轴重合；
所述的数字放映／投影机是一台满足环幕照度和像素要求、能把数字视频文件转换成可见光信号，投射到环幕上形成完美影像的数字放映／投影机；
所述的放映/投影镜头是一只光学性能和数字放映／投影机光引擎及芯片完全匹配、能建立特定幕方和芯片方映射关系的二向异性鱼眼镜头，幕方和芯片方映射关系取决于环幕的空间尺寸和数字放映/投影机芯片的尺寸，二向异性鱼眼镜头内含有若干球面透镜和若干双二次曲面透镜，透镜数量和分布由镜头的性能要求决定，所述双二次曲面透镜是柱面透镜，该柱面透镜的柱面中心母线分别位于弧矢和子午平面内，按柱面中心母线所处平面的不同，使其所述的柱面透镜分为弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，两组柱面透镜组在弧矢和子午方向可等效为两个等效透镜来处理，两个等效透镜的光焦度不同，使两个等效透镜的光学主面之间存在一定间隔，使子午和弧矢柱面透镜组处在镜头孔径光阑、距离环幕更近的相同一侧；所述镜头在偏离弧矢和子午方向的任意方向，焦距值不同、成像规律不同，而像面距或光学后工作距相同，弧矢方向与子午方向具有极值焦距值，即：
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE005
                                        （1）
其中，
Figure 482052DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 695733DEST_PATH_IMAGE008
分别为镜头在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，幕方任意一点采用矩形视场（
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE009
，）表述，二向异性鱼眼镜头在弧矢和子午方向的最大视场角取决于环幕的空间尺寸，弧矢方向最大全视场角
Figure 783348DEST_PATH_IMAGE001
等于环幕柱面的圆心角，二向异性鱼眼镜头子午方向对应环幕中心母线方向，则镜头的子午方向最大全视场角
Figure 578129DEST_PATH_IMAGE002
和环幕尺寸关系如下：
Figure 210098DEST_PATH_IMAGE004
                                  （2）
其中，H为环幕母线垂直高度，R为环幕的柱面曲率半径；
所述二向异性鱼眼镜头成像原理在弧矢和子午两方向不同，在镜头的弧矢方向，引入大畸变，镜头的像高、焦距、弧度制的工作视场角及畸变调节系数
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE011
（
Figure 173244DEST_PATH_IMAGE012
）满足下式：
 
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE013
                                 （3）
其中，
Figure 470758DEST_PATH_IMAGE014
为镜头弧失方向在任意工作视场角（
Figure 865967DEST_PATH_IMAGE009
，0）处所对应的像高，最大像高由采用的数字放映/投影机的芯片宽度尺寸决定，并对应最大工作视场角
Figure 726345DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 752069DEST_PATH_IMAGE007
为镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面透镜组的弧矢向焦距；在镜头子午方向，对应环幕中心母线方向和数字放映/投影机的高度方向，选取理想成像的零畸变或小畸变规律，即像高、焦距、工作视场角之间关系满足下式：
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE017
                                  （4）
其中,
Figure 894469DEST_PATH_IMAGE018
是镜头子午方向在任意工作视场（0，
Figure 532517DEST_PATH_IMAGE010
）所对应的像高，最大像高
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE019
由所采用的数字放映/投影机的芯片高度尺寸决定并对应最大工作视场角
Figure 811183DEST_PATH_IMAGE020
，是镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面镜组的子午向焦距；镜头在弧矢和子午方向焦距满足关系：
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE021
                                    （5）
其中，
Figure 136040DEST_PATH_IMAGE022
是分别处于两个方向的所有有效镜组和透镜的等效透镜的主面间隔，
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE023
是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的光学厚度，
Figure 175847DEST_PATH_IMAGE024
是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的折射率；
所述的播放器是一台与数字放映／投影机建立数字信号连接并输入相符数字格式音视频信号的影音播放器；
进一步地，所述的播放器是一个独立外置播放器，或是以功能模块形式内置于数字放映/投影机的播放器；
环幕投射片源制作单元，包括用二向异性鱼眼镜头现场拍摄获取方式，和用非线性编辑软件针对常规数字格式素材的视频或图像文件进行变形处理的获取方式。
本发明中，用二向异性鱼眼镜头现场拍摄的片源获取方式，包括一台满足像素要求的专业数字摄像机和一只摄像用二向异性鱼眼镜头，摄像用二向异性鱼眼镜头和放映/投影功能单元所用的二向异性鱼眼镜头的光学特性相同，而光学参数不同，摄像用二向异性鱼眼镜头两个方向的精确焦距值应根据摄像机感光芯片宽高尺寸来确定，摄像用二向异性鱼眼镜头的其它光学参数应满足数字摄像机的工作参数匹配要求，数字摄像机感光芯片和拟采用的数字放映/投影机的芯片应具有相同或相近的宽高比例；所述的相同光学特性是指弧矢和子午方向的最大视场角、弧矢和子午方向的焦距比、弧矢和子午方向的畸变规律相同；所述的不同光学参数是指摄像用镜头在两方向的精确焦距值、相对孔径、光学后工作距离、色光频谱宽度不同。适合获得实景风光类主题的片源。 
进一步地，用非线性编辑软件对常规数字格式素材变形处理的片源获取方式，包括无变形素材和使用影视后期制作采用的非线性编辑软件，变形处理原则是按照一定规律改变无变形素材原有场景和平面布局，调整原有像素或图像元坐标位置，使之符合二向异性鱼眼镜头对特定环幕尺寸，包括环幕母线垂直高度H、环幕的柱面曲率半径R、水平方向的柱面圆心角
Figure 636915DEST_PATH_IMAGE002
的映射要求，二向异性鱼眼镜头幕方各个矩形视场（
Figure 4443DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 918172DEST_PATH_IMAGE010
）与芯片方真实像点坐标（
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 832776DEST_PATH_IMAGE026
）具有一一对应关系，任意视场对应的真实像点坐标和理想像点坐标满足下式：  
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE027
 
      
Figure 351613DEST_PATH_IMAGE028
                         （6）
其中
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 63611DEST_PATH_IMAGE030
分别是镜头任意视场（，
Figure 182931DEST_PATH_IMAGE010
）在弧矢和子午方向的相对畸变，而坐标（
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE031
）则是镜头在相同视场（
Figure 618592DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 62343DEST_PATH_IMAGE010
）理想成像时的理想像点坐标，根据公式（6）确定幕方和芯片方边界对应关系，同时确定任意视场的真实像点坐标和理想像点坐标，公式（6）为制片中的图像重新布局和像素坐标转换对应关系，理想的正常视频和图像转换变形为满足系统单元使用的视频和图像，需要针对理想像点坐标乘以相同视场的畸变矩阵
Figure 216243DEST_PATH_IMAGE032
，作出相应的转换，其中所涉及的像点坐标的取样密度由工程像素要求决定。本发明所述视频非线性编辑软件是影视行业后期制作常用软件，例如，《Avid Media Compose》或者《Lustre》等等。适合制作虚拟、科幻类主题片源。
本发明中，所述的环幕放映／投影功能单元为独立功能单元，或是多个功能单元组合；其中独立功能单元，可以投射的环幕的视场比范围为2:1至10:1，可以投射环幕的柱面圆心角范围为70°至190°，像素转换效率大于等于78%，多个功能单元组合，能结合画面无缝融合拼接技术，可满足对柱面圆心角范围190°至360°、具有更大视场比的超半环、直至完整环形幕的放映/投影需求。 
本发明所指的功能单元的组合，是将配接好放映/投影用二向异性鱼眼镜头的两台或三台数字放映/投影机主光轴布置在环幕柱面正交截面上，且使每台放映/投影机镜头到环幕垂直距离保持相等，并保持每台放映/投影机主光轴之间形成一定空间夹角，所述柱面正交截面经过环幕原点法线并垂直于柱面中心对称轴，所述垂直距离是每台放映/投影机主光轴方向的距离，在保证二或三台数字放映/投影机互不影响的前提下，使该距离最接近环幕的柱面曲率半径，所述环幕是柱面圆心角度范围190°至360°，能充分充当每台放映/投影机所投射画面的共有载体的环状幕。 
本发明的环幕放映/投影系统单元可作为一个基本放映/投影平台使用，在所述平台上可加入主、被动式立体放映/投影要素，可改变为立体环幕放映/投影系统单元。 
本发明的有益效果是：通过二向异性鱼眼镜头的使用，构建了配置简单的环幕放映／投影系统单元，在较高像素转换效率前提下，独立功能单元就可以实现对具有最大190°圆心角、具有最大10:1的视场比的环形银幕进行高效放映/投影，既可以应用于大型影院，更有利于构造类似于背投电视那样的小型化桌上显示系统，还可以通过功能单元的组合，结合较为成熟的画面无缝融合拼接技术，实现对圆心角360°的完整环形银幕的放映/投影。解决了针对大视场比环幕的放映/投影系统中使用放映/投影机数量过多的问题，为环幕放映/投影系统的超小型化和超大型化提供了方案，大大降低了工程成本和难度，节能减排，同时，也简化了系统的安装及调试过程，减少了后期对系统维护的工作量，提高了系统的可靠性。 
附图说明
图1 是本发明的基本构成图； 
图2 为图1工序流程框图；
图3为图1中放映/投影用二向异性鱼眼镜头的三维光路路径图；
图4为图1中放映/投影用二向异性鱼眼镜头光学结构图；
图5为图4中放映/投影用二向异性鱼眼镜头在子午平面a和弧失平面b的等效光路图；
图6为图4中放映/投影用二向异性鱼眼镜头的传递函数曲线图；
图7为制片前素材图像像元坐标位置图；
图8为变形处理制片后的图像像元坐标位置图；
图9为图4中放映/投影用二向异性鱼眼镜头对环幕边界在像方的映射边界图；
图10、图11为图1放映/投影系统单元中放映/投影功能单元组合投射整环幕的俯视布局图；
图12为图1中所示数字放映／投影机位置调整示意图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例，对本发明作进一步说明。 
如图1所示给出了一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元。包括放映/投影功能单元和片源制作单元。本实施例的放映/投影功能单元，具有播放器101，该播放器101与数字放映/投影机102建立数字信号连接，在所述的数字放映/投影机102上安装二向异性鱼眼镜头103，对应二向异性鱼眼镜头103的前方设置环幕104，构成功能单元的配置。本实施例中，环幕104的四个顶点分别为A1、C1、A3、C3,环幕104的边界由两条圆弧A1A2A3、C1C2C3和两条直线A1-B1-C1、A3-B3-C3共同围成。环幕104的原点B2也称中心对称点，圆弧B1B2B3和直线A2-B2-C2把环幕104平均划分为四个面积相同的区域，镜头相对环幕的水平方向的张角也称弧矢最大全视场角
Figure DEST_PATH_765747DEST_PATH_IMAGE001
，为环幕柱面的圆心角
Figure DEST_PATH_645978DEST_PATH_IMAGE036
。本实施例的片源制作单元中,播放器101向数字放映/投影机102提供音视频信号，满足本实施例中播放器101需求的音视频源文件称为片源，该片源中的音频文件没有特殊性，和常规制作方式相同，而片源中的视频文件具有特定格式要求，本实施例中，视频片源的获取方式有两种：一种是使用高清摄像机105，通过在高清摄像机105上安装与放映/投影用二向异性鱼眼镜头103具有相同光学特性的镜头106直接拍摄而获得可用视频片源；另一种是对已有视频文件素材通过非线性编辑软件107直接编辑处理来获得。由于实际拍摄获得片源方法更传统，只是变更了摄影/摄像镜头，较容易理解和操作，故本实施例主要针对已有素材进行变形编辑处理的片源制作方式重点加以表述。 
实施本发明的基本程序是：一是明确系统设施的构成、及主要设施的空间位置关系，构建起环幕放映/投影基本方案；二是根据环幕尺寸及所选定数字放映/投影机的各方面信息，明确满足放映/投影机使用的二向异性鱼眼镜头性能参数和特性要点；三是根据二向异性鱼眼镜头的映射关系制作出相应规格的可用视频文件。 
如图2所示给出了工序流程，是在前述三个基本程序基础上进一步扩展而形成，包含了从工程真实需求→幕和放映/投影机选择→镜头参数确定→制片→验证过程→竣工的全部细节，为充分说明本发明的实施方式与效果，以环幕放映/投影系统单元中环幕的柱面圆心角为170°、环幕的柱面曲率半径为6m、环幕垂向母线高度为4m为例加以说明。 
根据环幕的尺寸得知环幕的面积为约67
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE037
，根据通行照度标准，可以选择例如（不仅限于此），Christie(科视)的一款型号为DHD800的数字投影机，该机标称亮度8000流明(lm)，芯片标准分辨率为1920 X 1080，芯片为对角线0.95英寸(inch)的单DMD，故其芯片宽高比为16:9，计算得出，芯片宽和高分别为21.05mm和11.83mm。 
本发明中放映/投影用二向异性鱼眼镜头把数字放映/投影机芯片上呈现的图像光信息以最高效的特定映射关系投射到环幕上形成影像画面，并实现像素或光效转换效率的最大化，该特定映射关系取决于环幕的空间尺寸和所采用的数字放映/投影机芯片的具体尺寸。 
实施过程中放映/投影用二向异性鱼眼镜头的合理工作位置、参数确定及设计要点情况如下：要将镜头的出瞳位置（可近似按镜头最接近环幕的镜头前端位置计算）置于环幕原点的中心法线和环幕的柱面中心对称轴的交点处，镜头正对环幕，且使镜头光轴和环幕的中心法线重合,即,镜头103光轴经过环幕原点B2（见图1），此时便可以得到镜头相对环幕的水平方向的张角也称弧矢最大全视场角
Figure 457814DEST_PATH_IMAGE001
，即为环幕柱面的圆心角，而镜头103相对环幕垂直方向的张角也称子午最大全视场角
Figure 288684DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure 74237DEST_PATH_IMAGE004
决定，则可以得到
Figure 438616DEST_PATH_IMAGE038
。又根据选定的投影机芯片尺寸，可知镜头成像于芯片上的在弧矢和子午方向的最大像高分别为
Figure 2013103079307100002DEST_PATH_IMAGE039
、；在镜头的弧矢方向，即，对应环幕104有曲率的水平方向和数字放映/投影机芯片的宽度方向，镜头不同视场引入量值不同的负值的“相对畸变”，相对畸变的绝对值和环幕的柱面曲率形成的投影畸变绝对值相等或尽量相等，为物像非相似成像原理，类似于鱼眼镜头等距投影球幕的情况，该镜头的像高、焦距、弧度制工作视场角及常系数
Figure 803049DEST_PATH_IMAGE011
（
Figure 523618DEST_PATH_IMAGE012
）之间满足
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；在镜头子午方向，成像原理采取理想成像的零畸变或小畸变规律，即，
Figure 811511DEST_PATH_IMAGE017
。如果随机选定
Figure 511614DEST_PATH_IMAGE042
，并选择弧矢向像高为10mm(没有直接选择弧矢像高等于芯片宽度一半10.5mm，是为后期镜头机械安装方便预留的调整量，如果安装镜头精度可以保障，可选10.5mm)则可以预测到镜头在弧矢和子午方向的大致焦距值，分别为约、
Figure 81747DEST_PATH_IMAGE044
。为了实现镜头的二向特性差异，二向异性鱼眼镜头内部除了要具有若干标准的共轴球面透镜外，还应具有工作面为双二次曲面的若干双二次曲面透镜，本实施例中为降低成本并降低实施难度而采用了最为简单的双二次曲面透镜——柱面透镜，所有柱面透镜分为两组—弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，每个柱面透镜组可以是一片透镜或几片透镜，每一片透镜上存在至少一个、最多两个柱面工作面，透镜相互之间存在大于等于零的光学间隔，所有含有柱面工作面的柱面透镜中柱面工作面的中心母线平行者视为一组，即，所有柱面工作面的中心母线均分别处于弧矢平面和子午平面内，且两组柱面透镜组的中心母线相互垂直，而且，所有柱面均处在镜头孔径光阑的相同一侧，即，处在距离环幕更近的那一侧。为了保证焦距各向不同的镜头具有相同像面距，需保证镜头的弧矢和子午像面必须重合，应遵守如下规则： 
                                    
其中
Figure 374505DEST_PATH_IMAGE007
是镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面镜组的弧矢向焦距，
Figure 314517DEST_PATH_IMAGE008
是镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面镜组的子午向焦距，
Figure 350606DEST_PATH_IMAGE022
是分别在弧矢和子午方向的所有有效镜组和透镜的两个等效透镜之间的主面间隔，是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的光学厚度，
Figure 239244DEST_PATH_IMAGE024
是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的折射率。二向异性鱼眼镜头的子午和弧矢方向是两个极端方向，弧矢向焦距值最小，子午向焦距值最长，二向异性鱼眼镜头在偏离弧矢和子午方向的任意方向焦距值
Figure 281150DEST_PATH_IMAGE006
均不相等，且均介于弧矢焦距和子午焦距之间，即， 
Figure 876472DEST_PATH_IMAGE005
  ，只有保障了弧矢和子午向像面位置相同，才能保障在偏离弧矢和子午方向的任意方向镜头的像面位置均相等。此外，设计过程中还要保证满足镜头和选定投影机的常规参数匹配要求和常规生产工艺要求，镜头的具体光学结构，包括透镜总数量，胶合透镜对的分布，子午和弧失平面内柱面工作面的数量，依据放映/投影机的匹配需求和设计者对光学设计理论的掌握以及工程实践能力的不同而可能结构各异，在本实施例中，为了匹配Christie(科视) DHD800数字投影机，采用了包含12片透镜和一个孔径光阑的光学结构，其中的孔径光阑前具有七片透镜，孔径光阑后具有五片透镜。
如图3所示，给出了二向异性鱼眼镜头不同矩形视场的三维光路路径。本实施例的二向异性鱼眼镜头不同矩形视场的光路路径表明，引起性能差异化的柱面透镜都处于镜头孔径光阑之前，弧矢和子午光线在孔径光阑上具有相同的光线高度，所有视场具有相同的像面距或光学后工作距。 
如图4所示，给出了二向异性鱼眼镜头光学结构。本实施例的二向异性鱼眼镜头光学结构中共有十二片透镜和一个孔径光阑。其中六片透镜采用双胶合方式构成双胶合透镜对，有四片透镜上具有柱面工作面，该二向异性鱼眼镜头工作时朝向环幕方向为前，朝向投影机芯片的方向为后，则二向异性鱼眼镜头光学结构中，二向异性鱼眼镜头透镜构成由前至后依次排列为：弧矢向为负光焦度且居后的凹面为柱面的第一透镜401、弧矢向为正光焦度两个工作面为柱面、中心母线平行且曲率绝对值较大的面居后的第二透镜402-1、弧矢向为负光焦度的凹面为柱面且居前的第三透镜402-2、光焦度为负且曲率绝对值较大的面居后的双凹形第四透镜403、子午向光焦度为负的、柱面居前球面居后的第五透镜404、光焦度为正曲率绝对值较大的面居后的双凸形第六透镜405、光焦度为正的曲率绝对值较大的面居前的正弯月形第七透镜406、光焦度为负曲率绝对值较大的面居后的双凹形第八透镜407-1、光焦度为正曲率绝对值较大的面居前的双凸形第九透镜407-2、光焦度为正曲率绝对值较大的面居前的正弯月形第十透镜408-1、光焦度为正曲率绝对值较大的面居后的双凸形第十一透镜408-2、光焦度为正曲率绝对值大的面居前的正弯月形第十二透镜409，其余未说明的透镜工作面形皆为标准平面或球面；其中，第二透镜402-1和第三透镜402-2相互胶合成透镜对，第八透镜407-1和第九透镜407-2相互胶合成透镜对，第十透镜408-1和第十一透镜408-2相互胶合成透镜对；孔径光阑410位于第七透镜406和第八透镜407-1之间靠近第八透镜407-1一侧；第一透镜401、第二透镜402-1、第三透镜402-2上的所有柱面的中心母线相互平行，共同处于一个平面，该平面为镜头的子午平面；第五透镜404的工作面具有一个柱面和一个球面，第五透镜404柱面的中心母线与镜头的子午面垂直，第五透镜404柱面的中心母线和镜头的主光轴形成的平面为镜头的弧矢平面。 
如图5所示，给出了二向异性鱼眼镜头在子午平面a和弧矢平面b的等效光路图。本实施例的二向异性鱼眼镜头中R2、R3、R4为三个柱面工作面，此三个柱面工作面的中心母线相互平行且处于子午平面，分别居于图4所示的第一透镜401、第二透镜402-1和第三透镜402-2上的相应位置。图中R8也是一个柱面工作面，其中心母线处于弧矢平面，居于图4所示的第五透镜404的相应位置。因此，R2、R3、R4为弧矢向有效的柱面工作面、R8为子午向有效的柱面工作面，A是孔径光阑，d23为光学设计和像差优化而加入的模拟数字放映／投影机引擎棱镜组的等效玻璃平板，P是镜头的像面或是投影机芯片位置。 
满足本实施例应用的一款二向异性鱼眼镜头的结构详细参数见表1，数据及符号意义符合常规光学设计的习惯用法。二向异性鱼眼镜头的性能参数为：最大弧矢工作视场角
Figure 611210DEST_PATH_IMAGE016
为85°，最大子午工作视场角
Figure 157729DEST_PATH_IMAGE020
为18.6°，则视场比为4.6，弧矢焦距
Figure 705123DEST_PATH_IMAGE007
为10.797mm，子午焦距
Figure 653487DEST_PATH_IMAGE008
为18.807mm，和预测焦距略有差异，原因是两向的畸变规律发生了微量偏移，并不影响镜头的使用，镜头孔径F#为2.2，空气中等效光学后工作距离
Figure 559126DEST_PATH_IMAGE046
为53.23mm；二向异性鱼眼镜头完全符合选定数字放映/投影机对选定尺寸环幕的映射要求。 
表1 镜头结构详细数据(长度单位：mm) 
Figure DEST_PATH_IMAGE047
图6给出了图4所示放映/投影用二向异性鱼眼镜头的传递函数曲线图。其中的横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为尼奎斯特频率（ Nyquist frequency）,表征该镜头各个视场光学分辨率水平。另外，根据要求需要更大视场比的情况，同样可以设计出满足使用的镜头。
因此，得到了所需二向异性鱼眼镜头的结构参数和性能数据，就可以确定镜头各个矩形视场（，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
）映射到像方或者说映射到数字放映/投影机芯片上的理想像点坐标（
Figure 415797DEST_PATH_IMAGE050
）和真实像点坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，二者关系满足下式：  
Figure 421931DEST_PATH_IMAGE052
Figure DEST_PATH_IMAGE053
                                                       
其中和
Figure 455801DEST_PATH_IMAGE054
分别是镜头任意视场（
Figure 643199DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 67621DEST_PATH_IMAGE049
）在弧矢和子午方向的相对畸变，当镜头设计并制造完成后，该畸变值为已知。这就为制片过程中的图像布局和像素坐标转换提供了依据，把无变形的按理想像点分布的正常视频的图像元坐标进行
Figure DEST_PATH_IMAGE055
的点对点的坐标转换，变形为满足该环幕放映/投影功能单元使用的图像，并进行逐帧处理形成视频文件。
表2是根据表1 数据所设计出的镜头针对目标环幕映射的真实像点坐标值，是按照一定视场间隔计算得到的，由于幕和芯片具有坐标象限对称性，故只给出了一个象限的数据，表2中的坐标点的密度仅用来描述方法，未必满足制片使用，具体实施过程中可根据客观需要而增加坐标点取样密度，为重复计算过程，表中采用“黑体加重的数据”是本实施例放映/投影镜头幕方→芯片的映射边界数据，幕上每个弧矢和子午视场都对应芯片上一组（x,y）坐标值 ，幕上视场（-85°，-18.6 °）为本实施例的环幕边界视场。 
表2镜头映射的真实像点坐标（视场角单位：°；长度单位：mm） 
Figure DEST_PATH_IMAGE057
如图7给出了制片前所选素材源文件的像元坐标位置图。图中“×”表示像素或图像元位置坐标，为无变形的按理想像点分布的正常视频的图像元坐标分布状况。
如图8给出了变形制片后的像元坐标位置图。图中“×”表示像素或图像元位置坐标，该坐标变换的过程可以通过使用影视后期制作中常用的非线性编辑软件进行编辑处理，例如，《Avid Media Compose》或者《Lustre》等等。本实施例的图8与图7是在某相同视场条件下得到的，可以看出存在着明显差异。 
图9给出了二向异性鱼眼镜头针对环幕边界视场——弧矢最大工作视场-85°、子午最大工作视场-18.6 °而在芯片上形成的真实像点坐标（x，y）的映射边界图。该图是根据表2数据所绘得，图中坐标轴x轴和y轴分别正交对应芯片的宽和高，且坐标轴垂直平分芯片，表2只给出了第四视场象限数据，对应图9的第一象限，由于视场和芯片上坐标具有象限对称性，图9根据第一象限分布情况对应给出了其他象限的分布。图中芯片标记9-1是镜头子午视场为-18.6°时弧失视场从-85°变化到+85°的边界曲线，对应图1中环幕边界线A1A2A3；图中标记9-2是数字放映／投影机芯片的宽高边界线；图中标记9-3、9-7、9-11、9-13是对应图1中所示环幕的边界特征点A1、C1、A3、C3的像方坐标特征点；图中标记9-5、9-10、9-12、9-14是当子午或弧矢视场的一个为0°而另一个取最大视场时的像点位置，分别对应图1中环幕上的A2、C2、B1、B3点；图中标记9-4是镜头（对应幕的）弧矢视场为±85°时子午视场按2°递增时的子午向像高等高线；图中标记9-6为弧矢视场-85°时子午视场从-18.6°变化到+18.6°时的图像边界曲线，对应图1中环幕的边界直线A1-B1-C1；图中标记9-8是子午视场为±18.6°、弧矢视场按5°递增时的弧矢向像高等高线；图中标记9-9是子午视场为±18.6°弧矢视场按5°递增时的子午向像高等高线。 
本实施例还可作出相应的变化。即，投影工程若针对具有360°圆心角的完整环幕，可以选择两个功能单元或选择三个功能单元的组合使用。 
如图10所示给出的是采用两个功能单元的简单组合布局图。针对两个功能单元组合使用的情况，将两个功能单元的放映/投影机背靠背，位于环幕中央，二向异性鱼眼镜头朝向环幕方向。工作时，两个放映/投影机上的二向异性鱼眼镜头边缘视场光线在环幕中心线对称融合交会。因此，只需计算一台放映/投影机所用镜头的视场角，并为后期的无缝融合和画面拼接预留出足够富余的交汇重叠角度，数字放映/投影机或者镜头的位置适当偏离环幕柱面圆心，适量沿镜头光轴方向向前移动，保证两台放映/投影机互不干扰，有充分的布置空间，制片过程要要考虑画面的拼接融合，对每个机位的视频文件图像预留足够的画面重叠区域。 
图11所示给出的是采用三个功能单元的组合布局图。针对三个功能单元组合使用的情况，将将三台放映/投影机位于环幕中央呈120°分布，其上的二向异性鱼眼镜头同样呈120°朝向环幕方向。同样，只需计算一个台放映/投影机所用镜头的视场角，并为后期的无缝融合和画面拼接预留出足够富余的交汇重叠角度，数字放映/投影机或者镜头的位置适当偏离环幕柱面圆心，适量沿镜头光轴方向向前移动，保证三台放映/投影机互不干扰，有充分的布置空间，制片过程要要考虑画面的拼接融合，对每个机位的视频文件图像预留足够的画面重叠区域。 
本发明环幕系统单元，给出了一个针对环幕进行放映/投影的最基本的放映/投影工程平台，在该平台基础上可以完成诸多功能性拓展，例如，针对此环幕系统单元相应整合或加入现有成熟的各种主动或被动式立体放映/投影技术或要素可改进成立体环幕投影系统，而这些成熟技术的加入多围绕在数字放映/投影机自身和附属部件展开，如，色轮、滤光片、立体观看镜等，并不影响本发明的基本构成原理，均可按本发明的构思作出相应的改变。 
在以本发明构成的基本放映/投影平台基础上，既可以做正投——观众和放映/投影机在幕的同侧，也可以用于背投——观众和放映/投影机在幕的不同侧。幕的母线既可以垂直地面也可以平行于地面。既可用于对大尺寸环幕进行放映/投影，例如，环幕影院，也可用于对小尺寸的环幕进行放映/投影，例如，象背投电视那样的小型桌上显示系统。 
本发明环幕系统单元中，功能单元是根据最合理化的位置关系进行的描述，但绝不局限于此种位置关系才可用，例如放映/投影机可适度偏离环幕的中心法线，也可适度偏离环幕柱面中心对称轴使用，但需要保持放映/投影机尽量处在环幕的中心法线和中心母线所决定的平面内。 
如图12所示，给出了环幕放映／投影功能单元中的数字放映／投影机相对环幕的位置调整示意图。图中给出了已加装二向异性鱼眼镜头的放映/投影机和环幕之间的最佳工作位置，简称“最佳机位”。也给出了在最佳机位附近进行放映／投影机机位调整的“可选机位”。需要这样的调整时，在确定镜头性能参数和制片环节，做出相应调整即可。对环幕的空间面形来说，也不仅只限定于柱面，对于普通的相对于原点法线具有轴对称特点的双二次曲面类型的银幕照样适用，此种情况需要关注并调整的是二向异性鱼眼镜头的畸变规律变化，即在弧矢和子午方向都需要按物像非相似原则来处理，也就是说镜头的子午和弧失两个方向都引入和幕形相对应的畸变规律。 
本发明实施例中给出的二向异性鱼眼镜头，视场比为4.6:1，弧矢向最大工作视场角为85°，则最大全视场角
Figure 178207DEST_PATH_IMAGE001
为170°，工程实践中如果需要更大视场比和更大的弧矢工作视场角，可以通过调整二向异性鱼眼镜头子午和弧矢焦距的比值和弧矢像高公式
Figure DEST_PATH_IMAGE059
中的系数就可以达到目的，对应于光学设计过程来说，具体内容主要是调整镜头中弧矢和子午向柱面透镜组的光焦度比，即，改变两个方向柱面透镜的折射率或柱面工作面的曲率，并适当改变两组柱面镜组的等效透镜的有效光学间隔，如必须可同时调整镜头的光学像面距或称光学后工作距离，但需要始终保证等式
Figure 374013DEST_PATH_IMAGE060
成立。合理而科学的光学设计调整可以在最大像素转换效率的前提下，保障该镜头的目标视场比，保障该镜头最大弧失目标全视场角。 
本发明中，镜头对数字放映/投影机芯片的像素和光效转换率按如下方法计算：根据环幕边界条件（空间尺寸）和所用镜头的边界视场条件，计算出芯片上相应的图像边界，并求出该封闭边界所围成的区域面积，该面积和芯片面积的比值，就是像素和光效转换效率。因为镜头映射在芯片上的区域近似为一个椭圆区域，也可以近似计算，即，如果已知数字放映/投影机芯片的宽和高分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 43285DEST_PATH_IMAGE062
，则该椭圆的长轴和短轴就应分别约等于
Figure 900383DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 532353DEST_PATH_IMAGE062
，那么，芯片的面积
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，镜头把环幕映射在芯片上的椭圆图像域面积为
Figure 557815DEST_PATH_IMAGE064
，则此二面积的比值就近似等于镜头的像素转换效率或者光效转化效率：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
。事实上，当镜头像高尤其是弧矢方向像高一定时，随着镜头弧矢最大工作视场角
Figure 478498DEST_PATH_IMAGE066
的变化，转换效率
Figure 811390DEST_PATH_IMAGE045
也会发生变化，当
Figure 799331DEST_PATH_IMAGE066
的取值较小时，弧矢方向相对畸变也较小，镜头映射在芯片上的图像区域的面积会相对增大，从而使转化效率
Figure 825056DEST_PATH_IMAGE045
大于78.5%，具体工程当中，当需要少量提升
Figure 29772DEST_PATH_IMAGE045
时，应适当减小
Figure 900776DEST_PATH_IMAGE066
。 

Claims (6)

1.一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，包括环幕放映／投影功能单元和环幕投射片源制作单元；其中：
环幕放映／投影功能单元，包括环幕、数字放映／投影机、放映/投影镜头、播放器；
所述的环幕是一幅具有一定圆心角度和幕高的标准环形或类似环形的双二次曲面面型银幕作为接收放映/投影机光信号的载体，环幕相对数字放映/投影机，或者相对镜头的最佳工作位置使镜头的出瞳位于环幕原点的中心法线和环幕柱面中心对称轴的交点处或是附近，经过环幕原点的中心法线与镜头光轴重合；
所述的数字放映／投影机是一台满足环幕照度和像素要求、能把数字视频文件转换成可见光信号，投射到环幕上形成完美影像的数字放映／投影机；
所述的放映/投影镜头是一只光学性能和数字放映／投影机光引擎及芯片完全匹配、能建立特定幕方和芯片方映射关系的二向异性鱼眼镜头，幕方和芯片方映射关系取决于环幕的空间尺寸和数字放映/投影机芯片的尺寸，二向异性鱼眼镜头内含有若干球面透镜和若干双二次曲面透镜，透镜数量和分布由镜头的性能要求决定，所述双二次曲面透镜是柱面透镜，该柱面透镜的柱面中心母线分别位于弧矢和子午平面内，按柱面中心母线所处平面的不同，使其所述的柱面透镜分为弧矢柱面透镜组和子午柱面透镜组，两组柱面透镜组在弧矢和子午方向可等效为两个等效透镜来处理，两个等效透镜的光焦度不同，使两个等效透镜的光学主面之间存在一定间隔，使子午和弧矢柱面透镜组处在镜头孔径光阑、距离环幕更近的相同一侧，与另外一侧相比较空间长度尺寸更大；所述镜头在偏离弧矢和子午方向的任意方向，焦距值不同、成像规律不同，而像面距或光学后工作距相同，弧矢方向与子午方向具有极值焦距值，即：
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE001
                                        （1）
其中，
Figure 669873DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 793950DEST_PATH_IMAGE004
分别为镜头在任意方向、弧矢方向、子午方向的焦距值，幕方任意一点采用矩形视场（
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE005
，）表述，二向异性鱼眼镜头在弧矢和子午方向的最大视场角取决于环幕的空间尺寸，弧矢方向最大全视场角
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE007
等于环幕柱面的圆心角，二向异性鱼眼镜头子午方向对应环幕中心母线方向，则镜头的子午方向最大全视场角
Figure 266967DEST_PATH_IMAGE008
和环幕尺寸关系如下：
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE009
                                  （2）
其中，H为环幕母线垂直高度，R为环幕的柱面曲率半径；
所述二向异性鱼眼镜头成像原理在弧矢和子午两方向不同，在镜头的弧矢方向，引入大畸变，镜头的像高、焦距、弧度制的工作视场角及畸变调节系数
Figure 274107DEST_PATH_IMAGE010
（
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE011
）满足下式：
 
Figure 190372DEST_PATH_IMAGE012
                                 （3）
其中，
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE013
为镜头弧失方向在任意工作视场角（，0）处所对应的像高，最大像高
Figure 492226DEST_PATH_IMAGE014
由采用的数字放映/投影机的芯片宽度尺寸决定，并对应最大工作视场角
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 804521DEST_PATH_IMAGE003
为镜头中包括球面透镜和弧矢向有效柱面透镜组的弧矢向焦距；在镜头子午方向，对应环幕中心母线方向和数字放映/投影机芯片的高度方向，选取理想成像的零畸变或小畸变规律，即像高、焦距、工作视场角之间关系满足下式：
Figure 73829DEST_PATH_IMAGE016
                                  （4）
其中,
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE017
是镜头子午方向在任意工作视场（0，
Figure 249595DEST_PATH_IMAGE006
）所对应的像高，最大像高由所采用的数字放映/投影机的芯片高度尺寸决定并对应最大工作视场角
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 87549DEST_PATH_IMAGE004
是镜头中包括球面透镜和子午向有效柱面镜组的子午向焦距；镜头在弧矢和子午方向焦距满足关系：
Figure 476942DEST_PATH_IMAGE020
                                    （5）
其中，
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE021
是分别处于两个方向的所有有效镜组和透镜的等效透镜的主面间隔，
Figure 387392DEST_PATH_IMAGE022
是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的光学厚度，
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE023
是弧矢方向所有有效镜组和透镜的等效透镜的折射率；
所述的播放器是一台与数字放映／投影机建立数字信号连接并输入相符数字格式音视频信号的影音播放器；
环幕投射片源制作单元，包括用二向异性鱼眼镜头现场拍摄获取方式，和用非线性编辑软件针对常规数字格式素材的视频或图像文件进行变形处理的获取方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，其特征是，所述的环幕放映／投影功能单元为独立功能单元，或是多个功能单元组合；其中独立功能单元，可以投射的环幕的视场比范围为2:1至10:1，可以投射环幕的柱面圆心角范围为70°至190°，像素转换效率大于等于78%，多个功能单元组合，能结合画面无缝融合拼接技术，可满足对柱面圆心角范围190°至360°、具有更大视场比的超半环、直至完整环形幕的放映/投影需求。
3.根据权利要求1所述的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，其特征是，其中的播放器是一个独立外置播放器，或是以功能模块形式内置于数字放映/投影机的播放器。
4.根据权利要求1所述的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，其特征是，环幕放映/投影系统单元可作为一个基本放映/投影平台使用，在所述平台上可加入主、被动式立体放映/投影技术要素，可改变为立体环幕放映/投影系统单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，其特征是，其中用二向异性鱼眼镜头现场拍摄的片源获取方式，包括一台满足像素要求的专业数字摄像机和一只摄像用二向异性鱼眼镜头，摄像用二向异性鱼眼镜头和放映/投影系统单元设施部分所用的二向异性鱼眼镜头的光学特性相同，而光学参数不同，摄像用二向异性鱼眼镜头两个方向的精确焦距值应根据摄像机感光芯片宽高尺寸来确定，摄像用二向异性鱼眼镜头的其它光学参数应满足数字摄像机的工作参数匹配要求，数字摄像机感光芯片和拟采用的数字放映/投影机的芯片应具有相同或相近的宽高比例；所述的相同光学特性是指弧矢和子午方向的最大视场角、弧矢和子午方向的焦距比、弧矢和子午方向的畸变规律相同；所述的不同光学参数是指摄像用镜头在两方向的精确焦距值、相对孔径、光学后工作距离、色光频谱宽度等不同。
6.根据权利要求1所述的一种基于二向异性鱼眼镜头的环幕放映／投影系统单元，其特征是，还包括用非线性编辑软件对常规数字格式素材变形处理的片源获取方式，包括无变形素材和使用影视后期制作采用的非线性编辑软件，变形处理原则是按照一定规律改变无变形素材原有场景和平面布局，调整原有像素或图像元坐标位置，使之符合二向异性鱼眼镜头对特定环幕尺寸，包括环幕母线垂直高度H、环幕的柱面曲率半径R、水平方向的柱面圆心角
Figure 596656DEST_PATH_IMAGE008
的映射要求，二向异性鱼眼镜头幕方各个矩形视场（
Figure 686972DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 432336DEST_PATH_IMAGE006
）与芯片方真实像点坐标（
Figure 949905DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE025
）具有一一对应关系，任意视场对应的真实像点坐标和理想像点坐标满足下式：  
 
     
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE027
                         （6）
其中
Figure 178290DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE029
分别是镜头任意视场（
Figure 339013DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 965166DEST_PATH_IMAGE006
）在弧矢和子午方向的相对畸变，而坐标（
Figure 650488DEST_PATH_IMAGE030
）则是镜头在相同视场（
Figure 144923DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 363415DEST_PATH_IMAGE006
）理想成像时的理想像点坐标，根据公式（6）确定幕方和芯片方边界对应关系，同时确定任意视场的真实像点坐标和理想像点坐标，公式（6）为制片中的图像重新布局和像素坐标转换对应关系，理想的正常视频和图像转换变形为满足系统单元使用的视频和图像，需要针对理想像点坐标乘以相同视场的畸变矩阵
Figure 2013103079307100001DEST_PATH_IMAGE031
，作出相应的转换，其中所涉及的像点坐标的取样密度由工程像素要求决定。
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