CN104599312B - 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 (3)
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，向该仿真模型中输入已知参数值；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；
其中，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。
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，S2.2.3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(r，)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：
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(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：
3.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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