CN104599312A - 球幕多通道投影仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种球幕多通道投影仿真方法,包括以下步骤:建立仿真模型,向该仿真模块中输入已知参数值;其中,所述已知参数值包括以下参数:投影机所处位置的三维空间坐标、投影机左右转动角度、投影机上下倾斜角度、投影机投影比和投影机长宽比;使用仿真模型进行仿真计算,具体为:计算二维顶点阵列在球幕上投射点的位置坐标;进一步计算球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标;然后判断纹理画面上的纹理坐标是否为所需要的纹理位置坐标,如果判断结果为否,则调整已知参数值,然后使所述仿真模型重新进行仿真计算,直到使纹理画面上的纹理坐标满足要求。提高了人工调试的效率和仿真结果的精准度。
Description
技术领域
本发明属于屏幕投影显示技术领域,具体涉及一种球幕多通道投影仿真方法。
背景技术
随着科技的高速发展,社会信息化程度也不断增强,大屏幕投影技术近年来广泛使用在大型会议、电影放映甚至家庭娱乐等领域。
作为大屏幕投影的一种,球幕多通道投影是指使用多台投影机,在球形屏幕上拼接融合投影出完整连续的画面。球幕投影可以表现出高分辨率、大视角范围的显示效果,可以给观众带来新颖的视觉体验,让观众感受到强烈的视觉震撼和身临其境的感觉。
在计算机3D技术中,对于球幕多通道投影,通常将投影画面作为纹理,将纹理坐标与均匀的二维顶点阵列对应,每个顶点都有自己的二维空间位置坐标和对应的二维纹理坐标,求每个顶点所对应二维纹理坐标的过程即为球幕投影仿真的过程。也就是说,投影仿真是指:根据球幕和投影机的相对位置,通过仿真计算,确定出每个投影机的投射画面。
目前投影仿真的通常方法为:通过人工计算或估算的方法,计算出二维顶点阵列中每个顶点对应的纹理坐标。对于人工计算方式,由于人工计算比较繁琐,往往因为二维顶点阵列的维数不够,一般只能达到10*10的维数,从而导致图像的拟合精度不够,画面形状过渡不够平滑的问题;而对于估算的方法,因为本身没有体现投影仿真的本质原理,所以也存在校正操作工作量大、校正精度不足的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种球幕多通道投影仿真方法,提高了人工调试的效率和仿真结果的精准度。
本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种球幕多通道投影仿真方法,包括以下步骤:
S1,建立仿真模型,向该仿真模块中输入已知参数值;其中,所述已知参数值包括以下参数:投影机所处位置的三维空间坐标、投影机左右转动角度、投影机上下倾斜角度、投影机投影比和投影机长宽比;
S2,使仿真模型进行仿真计算,具体为:
S2.1,对于球幕多通道投影的场景,设任意一个投影机i对应投影通道i,在投影通道i的投射画面上建立m×n的均匀二维顶点阵列,顶点(0,0)位于投影画面的左下角,坐标值为(0,0);顶点(m-1,n-1)位于投影画面的右上角,坐标值为(m-1,n-1);
S2.2,投影机i发出的光线将二维顶点阵列投射到球幕上,计算二维顶点阵列在球幕上投射点的位置坐标;
S2.3,进一步计算球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标;
S2.4,判断纹理画面上的纹理坐标是否为所需要的纹理位置坐标,如果判断结果为否,则调整S1中的所述已知参数值,然后使所述仿真模型重新进行仿真计算,直到使纹理画面上的纹理坐标满足要求。
优选的,S2.2具体为:
S2.2.1,读取用户输入的投影机i所处位置的三维空间坐标,令其为坐标原点O(0,0,0),同时建立空间坐标系xyz和球坐标系(r,θ,),设所建立的m×n的均匀二维顶点阵列为矩形LMKI,设矩形LMKI的IK边与平面xoy平行;
S2.2.2,取LMKI的几何中心为点A(xA,yA,zA),长LI和宽IK的中点分别为C(xC,yC,zC)、D(xD,yD,zD),则对于二维顶点阵列上任一顶点B,光线在球幕上的交点为T,即:T点即为顶点B在球幕上的投射点;
S2.2.3,依次计算向量向量向量向量然后计算出向量
S2.2.4,设光线的起点为S,则方向d为则求出顶点B在球幕上的投射点T为其中, 其中r代表半径;V≡S-C,C为球幕的球心。
优选的,S2.2.3中,各向量计算方法为:
(1)向量通过以下方法计算:
在球坐标系(r,θ,)中,点A(xA,yA,zA)用三个有次序的数表示,
其中:r代表半径;
为在平面xoy上的投影与X轴正向的夹角,即为所述投影机左右转动角度;
为与Z轴正向的夹角,即为所述投影机上下倾斜角度;
则计算得出点A的坐标xA,yA,zA分别为:
则
(2)向量通过以下方法计算:
在球坐标系(r,θ,)中,点C(xC,yC,zC)用三个有次序的数 表示,其中
根据投影机的投影比的定义,首先读取用户输入的投影机投影比,由于
即求出的长度为则故点C的坐标xC,yC,zC分别为 则:
(3)向量通过以下方法计算:
读取用户输入的投影机长宽比,设投影的长宽比为aspect,则由于因此利用向量外积的方法求向量即:
(4)向量通过以下方法计算:
点A为几何中心,C为线LI的中点,D为线IK的中点,B点代表m×n阵列上任一顶点,则
根据向量加法法则知,根据向量与单位向量之间的关系得到则其中均已求出,在m×n的二维顶点阵列上计算求出;
(5)向量通过以下方法计算:
由于均已求出,则根据向量加法法则知:
优选的,S2.3具体为:
设球幕上投射点T直角坐标为T(x,y,z),且,点T这样用三个有次序的数(r,θ,)确定,其中r为原点O与点T间的距离;θ为有向线段OT与z轴正向的夹角;为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角,这里M为点T在xOy面上的投影;
设点P(x1,y1)为点T(x,y,z)在纹理坐标上对应的点,则点P(x1,y1)的极坐标用两个有次序的数(r1,)确定;其中r1为原点O与点P间的距离;为有向线段OP与x轴正向的夹角;
根据等距投影的原理,r1,与r,θ,具有以下关系:
r1=kθ,其中,k为常数;
根据上述公式,求出球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标。
本发明的有益效果如下:
本发明提供的球幕多通道投影仿真方法,根据投影仿真的本质原理,提取投影场景固有参数,建立反映投影仿真本质原理的数学模型;用户只需要输入这些固有参数,程序算法即可以自动求出二维顶点阵列对应的纹理坐标,大大的提高了人工调试的效率和仿真结果的精准度。
附图说明
图1为本发明提供的所建立的二维顶点阵列的示意图;
图2为所建立的空间坐标系xyz的示意图;
图3为球坐标系原理示意图;
图4为向量计算原理的示意图;
图5为球幕点投射点所在坐标系的示意图;
图6为纹理上点所在坐标系的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明:
本发明提供一种球幕多通道投影仿真方法,包括以下步骤:
S1,建立仿真模型,向该仿真模块中输入已知参数值;其中,所述已知参数值包括以下参数:投影机所处位置的三维空间坐标、投影机左右转动角度、投影机上下倾斜角度、投影机投影比和投影机长宽比;
S2,使用仿真模型进行仿真计算,具体为:
S2.1,对于球幕多通道投影的场景,设任意一个投影机i对应投影通道i,在投影通道i的投射画面上建立m×n的均匀二维顶点阵列,如图1所示,为所建立的二维顶点阵列的示意图;顶点(0,0)位于投影画面的左下角,坐标值为(0,0);顶点(m-1,n-1)位于投影画面的右上角,坐标值为(m-1,n-1);
S2.2,投影机i发出的光线将二维顶点阵列投射到球幕上,计算二维顶点阵列在球幕上投射点的位置坐标;
本步骤具体可通过以下步骤实现:
S2.2.1,结合图2,为所建立的空间坐标系xyz的示意图,读取用户输入的投影机i所处位置的三维空间坐标,令其为坐标原点O(0,0,0),同时建立空间坐标系xyz和球坐标系(r,θ,),设所建立的m×n的均匀二维顶点阵列为矩形LMKI,设矩形LMKI的IK边与平面xoy平行;
S2.2.2,取LMKI的几何中心为点A(xA,yA,zA),长LI和宽IK的中点分别为C(xC,yC,zC)、D(xD,yD,zD),则对于二维顶点阵列上任一顶点B,光线在球幕上的交点为T,即:T点即为顶点B在球幕上的投射点;
S2.2.3,依次计算向量向量向量向量然后计算出向量
具体的,各向量计算方法为:
(1)向量通过以下方法计算:
参考图3,为球坐标系原理示意图,在球坐标系(r,θ,)中,点A(xA,yA,zA)用三个有次序的数表示,
其中:r代表半径;
为在平面xoy上的投影与X轴正向的夹角,即为所述投影机左右转动角度;
为与Z轴正向的夹角,即为所述投影机上下倾斜角度;
则计算得出点A的坐标xA,yA,zA分别为:
则
(2)向量通过以下方法计算:
在球坐标系(r,θ,)中,点C(xC,yC,zC)用三个有次序的数 表示,其中
根据投影机的投影比的定义,首先读取用户输入的投影机投影比,由于即求出的长度为则故点C的坐标xC,yC,zC分别为 则:
(3)向量通过以下方法计算:
读取用户输入的投影机长宽比,设投影的长宽比为aspect,则由于因此利用向量外积的方法求向量即:
(4)向量通过以下方法计算:
参考图4,为向量计算原理的示意图,A为几何中心,C为线LI的中点,D为线IK的中点,B点代表m×n阵列上任一顶点,则
根据向量加法法则知,根据向量与单位向量之间的关系得到则其中均已求出,在m×n的二维顶点阵列上计算求出;
(5)向量通过以下方法计算:
由于均已求出,则根据向量加法法则知:
S2.2.4,设光线的起点为S,则方向d为则求出顶点B在球幕上的投射点T为其中, 其中r代表半径;V≡S-C,C为球幕的球心。
本步骤的原理实质为:如何计算一个直线光线与球体交点,具体为:假设用I表示球面上的点,C表示球心,r表示半径,则:球面的公式为|I-c|2=r2。
如果定义一条线的起点即光线起点是S,方向是d,那么线上的每个点都可以表示为S+td,其中t是一维向量,为了简化起见,通常d定义为单位矢量。那么,在该种情况下已知S、d、C以及r,于是代入I得到:|s+td-C|2=r2,简化V≡S-C,则:|V+td|2=r2
V2+t2d2+2V.td=r2
d2t2+2V.td+V2-r2=0。
那么二次方程的解为:
这只是直线光线与球体交点的所用的数学公式。
S2.3,进一步计算球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标;
如图5所示,为球幕点投射点所在坐标系的示意图,设球幕上投射点T直角坐标为T(x,y,z),且,点T用三个有次序的数(r,θ,)确定,其中r为原点O与点T间的距离;θ为有向线段OT与z轴正向的夹角;为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角,这里M为点T在xOy面上的投影;
如图6所示,为纹理上点所在坐标系的示意图,设点P(x1,y1)为点T(x,y,z)在纹理坐标上对应的点,则点P(x1,y1)的极坐标用两个有次序的数(r1,)确定;其中r1为原点O与点P间的距离;为有向线段OP与x轴正向的夹角;
根据等距投影的原理,r1,与r,θ,具有以下关系:
r1=kθ(k为常数)
根据上述公式,即可求出球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标。
因此,本发明中,首先求出投射画面上二维顶点阵列与球幕上投射点的位置对应关系,再求出球幕上投射点与纹理画出上点的对应关系,从而可以显而易见的求出投射画面与纹理画面的对应关系。
S2.4,判断纹理画面上的纹理坐标是否为所需要的纹理位置坐标,如果判断结果为否,则调整S1中的所述已知参数值,然后使所述仿真模型重新进行仿真计算,直到使纹理画面上的纹理坐标满足要求。
综上所述,本发明提供的球幕多通道投影仿真方法,根据投影仿真的本质原理,提取投影场景固有参数,建立反映投影仿真本质原理的数学模型;用户只需要输入这些固有参数,程序算法即可以自动求出二维顶点阵列对应的纹理坐标,大大的提高了人工调试的效率和仿真结果的精准度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种球幕多通道投影仿真方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,建立仿真模型,向该仿真模块中输入已知参数值;其中,所述已知参数值包括以下参数:投影机所处位置的三维空间坐标、投影机左右转动角度、投影机上下倾斜角度、投影机投影比和投影机长宽比;
S2,使用仿真模型进行仿真计算,具体为:
S2.1,对于球幕多通道投影的场景,设任意一个投影机i对应投影通道i,在投影通道i的投射画面上建立m×n的均匀二维顶点阵列,顶点(0,0)位于投影画面的左下角,坐标值为(0,0);顶点(m-1,n-1)位于投影画面的右上角,坐标值为(m-1,n-1);
S2.2,投影机i发出的光线将二维顶点阵列投射到球幕上,计算二维顶点阵列在球幕上投射点的位置坐标;
S2.3,进一步计算球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标;
S2.4,判断纹理画面上的纹理坐标是否为所需要的纹理位置坐标,如果判断结果为否,则调整S1中的所述已知参数值,然后使所述仿真模型重新进行仿真计算,直到使纹理画面上的纹理坐标满足要求。
2.根据权利要求1所述的球幕多通道投影仿真方法,其特征在于,S2.2具体为:
S2.2.1,读取用户输入的投影机i所处位置的三维空间坐标,令其为坐标原点O(0,0,0),同时建立空间坐标系xyz和球坐标系(r,θ,),设所建立的m×n的均匀二维顶点阵列为矩形LMKI,设矩形LMKI的IK边与平面xoy平行;
S2.2.2,取LMKI的几何中心为点A(xA,yA,zA),长LI和宽IK的中点分别为C(xC,yC,zC)、D(xD,yD,zD),则对于二维顶点阵列上任一顶点B,光线在球幕上的交点为T,即:T点即为顶点B在球幕上的投射点;
S2.2.3,依次计算向量向量向量向量然后计算出向量
S2.2.4,设光线的起点为S,则方向d为则求出顶点B在球幕上的投射点T为其中, 其中r代表半径;V≡S-C,C为球幕的球心。
3.根据权利要求2所述的球幕多通道投影仿真方法,其特征在于,S2.2.3中,各向量计算方法为:
(1)向量通过以下方法计算:
在球坐标系(r,θ,)中,点A(xA,yA,zA)用三个有次序的数表示,
其中:r代表半径;
为在平面xoy上的投影与X轴正向的夹角,即为所述投影
机左右转动角度;
为与Z轴正向的夹角,即为所述投影机上下倾斜角度;
则计算得出点A的坐标xA,yA,zA分别为:
则
(2)向量通过以下方法计算:
在球坐标系(r,θ,)中,点C(xC,yC,zC)用三个有次序的数 表示,其中
根据投影机的投影比的定义,首先读取用户输入的投影机投影比,由于即求出的长度为则故点C的坐标xC,yC,zC分别为 则:
(3)向量通过以下方法计算:
读取用户输入的投影机长宽比,设投影的长宽比为aspect,则由于因此利用向量外积的方法求向量即:
(4)向量通过以下方法计算:
点A为几何中心,C为线LI的中点,D为线IK的中点,B点代表m×n阵列上任一顶点,则
根据向量加法法则知,根据向量与单位向量之间的关系得到则其中均已求出,在m×n的二维顶点阵列上计算求出;
(5)向量通过以下方法计算:
由于均已求出,则根据向量加法法则知:
4.根据权利要求1所述的球幕多通道投影仿真方法,其特征在于,S2.3具体为:
设球幕上投射点T直角坐标为T(x,y,z),且,点T这样用三个有次序的数(r,θ,)确定,其中r为原点O与点T间的距离;θ为有向线段OT与z轴正向的夹角;为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角,这里M为点T在xOy面上的投影;
设点P(x1,y1)为点T(x,y,z)在纹理坐标上对应的点,则点P(x1,y1)的极坐标用两个有次序的数(r1,)确定;其中r1为原点O与点P间的距离;为有向线段OP与x轴正向的夹角;
根据等距投影的原理,r1,与r,θ,具有以下关系:
r1=kθ,其中,k为常数;
根据上述公式,求出球幕上投射点在纹理画面上的纹理位置坐标。
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