CN105137705A - 一种虚拟球幕的创建方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种虚拟球幕的创建方法和装置，其中，该方法包括以下步骤：创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。采用本发明方法创建的虚拟球幕在常规环境下就可以直接展示球幕电影或图像，无需建立专门的球幕剧场环境，成本低。

Description

一种虚拟球幕的创建方法和装置

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术领域，特别涉及一种虚拟球幕的创建方法和装置。

背景技术

球幕电影的播放方式是利用鱼眼投影机将全景图像投影到实体球幕上去，使观众获得全视域、沉浸式的观影体验。通常鱼眼投影分为等距投影(EquidistanceProjection)、等立体角投影(EquisolidAngleProjection)和正交投影(OrthogonalProjection)等方式，而球幕电影的图像格式必须是等距球面投影，在球幕电影行业简称角鱼眼(AngularFisheye)，即投影图像上的点到图像中心的距离和球面上对应点与球心连线到照相机的光轴的方向角成比例。角鱼眼球面映射算法具体如下：设鱼眼图像边缘半径为1，每个像素的径向距离均符合以下公式：

radius＝1-Angle/Fov；

其中，radius是像素到图像中心的距离，Angle是该像素投影到球幕上的高度角，Fov为球幕顶部中心到底部边缘的角度(通常为90度，少数球幕能够达到100多度)。

当观众在球幕中观影时，该算法可保证投影到球面上的鱼眼图像精确还原为符合正常视觉的图像而不失真。图1是球幕鱼眼图像的角度分布图。

目前球幕电影都是通过实体球幕来播放，要建立专门的球幕剧场环境，配置高分辨率的投影仪，通过多个投影通道的拼接融合，或者利用单个角鱼眼镜头直接投影的方式，将全景鱼眼图像呈现到球幕上去。但实体球幕成本很高，需要专门的设备和技术方案，且在常规环境下无法直接展示球幕电影或图像。

发明内容

本发明实施例提供了一种虚拟球幕的创建方法，采用三维仿真的方式，利用创建的虚拟球幕在常规环境下就可以直接展示球幕电影或图像，无需建立专门的球幕剧场环境，成本低。该方法包括：

创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

在一个实施例中，所述根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下方式计算：

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角；

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标。

在一个实施例中，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角，具体按照如下方式计算：

设正方形平面的中心点为原点，每个顶点在正方形平面上的坐标为(X，Y)，则正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

其中，Azimuth为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角。

在一个实施例中，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角，具体按照如下公式计算：

Altitude＝Fov×(1-radius/(Length/2))；

其中，Altitude为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

Radius为正方形平面上每个顶点到中心点的距离；

Length为正方形平面的边长；

Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度。

在一个实施例中，所述根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下公式计算：

x＝R×sin(Altitude)×cos(Azimuth)；

y＝R×cos(Altitude)；

z＝R×sin(Altitude)×sin(Azimuth)；

其中，正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的三维坐标为(x，y，z)；

R为预设的虚拟球幕半径。

在一个实施例中，所述正方形平面中的顶点数至少为64×64个。

本发明实施例还提供了一种虚拟球幕的创建装置，采用该装置创建的虚拟球幕在常规环境下就可以直接展示球幕电影或图像，无需建立专门的球幕剧场环境，成本低。该装置包括：

正方形平面创建模块，用于创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

球幕坐标确定模块，用于根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

虚拟球幕确定模块，用于根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

在一个实施例中，所述球面坐标确定模块具体按照如下方式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标：

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角；

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标。

在一个实施例中，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角，具体按照如下方式计算：

设正方形平面的中心点为原点，每个顶点在正方形平面上的坐标为(X、Y)，则正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

其中，Azimuth为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角。

在一个实施例中，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角，具体按照如下公式计算：

Altitude＝Fov×(1-radius/(Length/2))；

其中，Altitude为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

Radius为正方形平面上每个顶点到中心点的距离；

Length为正方形平面的边长；

Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度。

在一个实施例中，所述根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下公式计算：

x＝R×sin(Altitude)×cos(Azimuth)；

y＝R×cos(Altitude)；

z＝R×sin(Altitude)×sin(Azimuth)；

其中，正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的三维坐标为(x，y，z)；

R为预设的虚拟球幕半径。

在一个实施例中，所述正方形平面中的顶点数至少为64×64个。

在本发明实施例中，通过创建一个正方形平面，然后计算出正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，作为虚拟球幕上的顶点坐标，再根据预设的虚拟球幕半径，创建虚拟球幕，采用该虚拟球幕在常规环境下就可以直接展示球幕电影或图像，无需建立专门的球幕剧场环境，成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种球幕鱼眼图像的角度分布图；

图2是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的创建方法流程图；

图3是本发明实施例提供的一种普通球面贴图示意图；

图4是本发明实施例提供的一种标准正方形平面示意图；

图5是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的顶视图；

图6是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的透视图；

图7是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的前视图；

图8是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的侧视图；

图9是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的创建装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

现有的在播放球幕电影时，需要建立专门的球幕剧场环境，配置高分辨率的投影仪，但实体球幕成本很高，需要专门的设备和技术方案，且在常规环境下无法直接展示球幕电影或图像。如果可以提出一种虚拟球幕，无需专门的设备和技术方案，且在常规环境下可以直接展示球幕电影或图像，就可以解决现有技术中存在的问题。基于此，本发明提出一种虚拟球幕的创建方法。

图2是本发明实施例提供的一种虚拟球幕的创建方法流程图，如图2所示，该方法包括：

步骤101：创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

步骤102：根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

步骤103：根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

具体实施时，由于如图3所示的普通球面贴图存在极点汇聚现象(即在球面的两极处，同一行的像素点汇聚为一点)，UV坐标(所有的图象文件都是二维的一个平面，水平方向是U，垂直方向是V，即二维的UV坐标系)分布也不符合角鱼眼投影的要求，因此要想创建虚拟球幕(或称为虚拟球面)，不能采用普通的球面，必须创建一个定制球面。

首先，创建一个标准正方形平面(模型)，然后将这个标准正方形平面均匀分成多个小正方形，小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点。具体的，设置标准正方形平面的顶点数不少于64×64个，即将标准正方形平面至少均匀分成63×63个小正方形。其中，标准正方形平面的顶点的UV坐标严格均匀分布，即从左上角顶点至右下角顶点符合从(0，0)至(1，1)的均匀分布，如图4所示。

然后，参照角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标(即用程序重置每个顶点的坐标)。所说的角鱼眼球面映射算法即为已知的等距球面投影算法，是用来描述角鱼眼图像的像素是如何在球幕上分布的。如何应用角鱼眼球面映射算法来将正方形平面模型转换为球幕模型，具体的计算方法如下：

设正方形平面中心点为原点，每个顶点在标准正方形平面上的坐标为(X、Y)，则其映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

映射到虚拟球幕上的高度角的计算公式为：

Altitude＝Fov×(1-radius/(Length/2))；

其中，Radius为标准正方形平面上该顶点到中心点的距离；Length为正方形边长；Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度，通常为90度。

根据方位角Azimuth、高度角Altitude和指定的虚拟球幕半径R，即可计算每个顶点重置到虚拟球幕上的新坐标，设以y轴为虚拟球面极轴：

x＝R×sin(Altitude)×cos(Azimuth)；

y＝R×cos(Altitude)；

z＝R×sin(Altitude)×sin(Azimuth)；

根据指定的虚拟球幕半径R，和计算所得的每个顶点重置到虚拟球幕上的新坐标，就可以获得虚拟球幕模型。如图5至8所示分别表示为虚拟球幕的顶视图、透视图、前视图和侧视图。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种虚拟球幕的创建装置，如下面的实施例所述。由于虚拟球幕的创建装置解决问题的原理与虚拟球幕的创建方法相似，因此虚拟球幕的创建装置的实施可以参见虚拟球幕的创建方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图9是本发明实施例的虚拟球幕的创建装置的结构框图，如图9所示，该装置包括：

正方形平面创建模块901，用于创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

球幕坐标确定模块902，用于根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

虚拟球幕确定模块903，用于根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

具体实施时，球幕坐标确定模块902具体按照如下方式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标：

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角；

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标。

具体实施时，按照如下方式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角：

设正方形平面的中心点为原点，每个顶点在正方形平面上的坐标为(X、Y)，则正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

其中，Azimuth为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角。

具体实施时，按照如下公式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角：

Altitude＝Fov*(1-radius/(Length/2))；

其中，Altitude为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

Radius为正方形平面上每个顶点到中心点的距离；

Length为正方形平面的边长；

Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度。

具体实施时，根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，按照如下公式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标：

x＝R*sin(Altitude)*cos(Azimuth)；

y＝R*cos(Altitude)；

z＝R*sin(Altitude)*sin(Azimuth)；

其中，正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的三维坐标为(x，y，z)；

R为预设的球面半径。

具体实施时，正方形平面中的顶点数可以按照具体的要求设置，但至少为64×64个，且顶点的UV坐标严格均匀分布，即从左上角顶点至右下角顶点符合从(0，0)至(1，1)的均匀分布。

现有的除上述采用专门的设备、技术和实体球幕播放球幕电影之外，其实还可以采用虚拟方式把球幕鱼眼图像还原为正常图像，但是这种方法需要利用图形处理软件进行算法处理，通常是将鱼眼全景图转换为球面贴图或立方体贴图，再将贴图加载到球面模型上，然后在球心放置摄像机，模拟观众视角取景然后输出图像。这种方法需要一道图形处理工序，经转换计算之后才能输出，耗费的计算量较高，无法直接使用球幕鱼眼图像，不适用于需要快速浏览球幕图像或实时回放球幕视频的应用场合。

采用本发明方法和装置创建出的虚拟球幕，可以把全景鱼眼图(或视频)作为该球面的纹理贴图直接导入，无需对UV作任何修改，即无需将鱼眼全景图进行转换，直接利用全景鱼眼图即可，适用于需要快速浏览球幕图像或实时回放球幕视频的应用场合。

具体实施时，在虚拟球幕创建完成之后，无需对UV作任何修改，采用默认的lambert双面材质，直接导入全景鱼眼图(或视频)作为该球面的纹理贴图。由于虚拟球幕来自标准正方形平面，其默认UV坐标均匀分布于各顶点，因此图素的空间位置也将符合顶点坐标的空间分布，符合角鱼眼球面映射算法。

在虚拟球幕中心建立虚拟摄像机，该摄像机无论朝任何方向取景，都可以渲染出无变形的局部普通图像。通过调整摄像机的视角，可自由观察虚拟球幕的各个方向，从而在虚拟数字环境中模拟出球幕剧场的观影体验。

下面介绍虚拟球幕的两种应用。

(1)在Maya、3DSMax或DigitalFusion软件环境下打开虚拟球幕模型，设置为lambert双面材质，在球心处创建标准环境光源，将全景鱼眼视频(或图像)贴到虚拟球幕上。此方案适合球幕电影制作者在动画软件的三维环境中直接将球幕影片还原成普通影片效果，可用于测试观察或制式转换。例如此技术曾应用于北京天文馆的球幕节目《UfO与外星人》的制作过程中，通过放置在虚拟球幕中心的摄像机，朝球幕正前方取景并渲染输出，将球幕影片转制成为1080P普通影片。

(2)将虚拟球幕模型导入到虚幻4游戏引擎中，然后将全景鱼眼视频(或图像)作为纹理贴到球面上，在虚拟现实环境中实时播放。摄像机放置在中心，作为观察者视角。此方案可以编译封装为球幕播放器软件，适用于普通观众，通过实时调整视角，浏览球幕各个方位的图像。

综上所述，本发明提出一种简单易行的球幕模拟方法，通过创建虚拟的球幕环境，而不依赖实体球幕的播放环境；无需对全景鱼眼图(或视频)进行转换，即可使球幕鱼眼图像快速方便的在显示器上还原为常规图像；制作人员在测试影片镜头时，无需进入剧场，就能在虚拟环境中获得球幕下的观影体验，更方便的完成球幕影片测试及合成，可提高球幕电影的制作效率；也可以使观众直接在电脑上预览球幕电影，获得球幕中的观影体验，有益于球幕电影的传播与推广。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种虚拟球幕的创建方法，其特征在于，包括：

创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

2.如权利要求1所述的虚拟球幕的创建方法，其特征在于，所述根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下方式计算：

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角；

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标。

3.如权利要求2所述的虚拟球幕的创建方法，其特征在于，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角，具体按照如下方式计算：

设正方形平面的中心点为原点，每个顶点在正方形平面上的坐标为(X，Y)，则正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

其中，Azimuth为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角。

4.如权利要求2所述的虚拟球幕的创建方法，其特征在于，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角，具体按照如下公式计算：

Altitude＝Fov*(1-radius/(Length/2))；

其中，Altitude为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

Radius为正方形平面上每个顶点到中心点的距离；

Length为正方形平面的边长；

Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度。

5.如权利要求2所述的虚拟球幕的创建方法，其特征在于，所述根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下公式计算：

x＝R*sin(Altitude)*cos(Azimuth)；

y＝R*cos(Altitude)；

z＝R*sin(Altitude)*sin(Azimuth)；

其中，正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的三维坐标为(x，y，z)；

R为预设的虚拟球幕半径。

6.如权利要求1所述的虚拟球幕的创建方法，其特征在于，所述正方形平面中的顶点数至少为64×64个。

7.一种虚拟球幕的创建装置，其特征在于，包括：

正方形平面创建模块，用于创建一个正方形平面，将所述正方形平面均匀分成多个小正方形，所述小正方形的每个顶角点为正方形平面的顶点，顶点的UV坐标均匀分布；

球幕坐标确定模块，用于根据角鱼眼球面映射算法，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标；

虚拟球幕确定模块，用于根据预设的虚拟球幕半径，和所述正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，将正方形平面模型转换为虚拟球幕模型。

8.如权利要求7所述的虚拟球幕的创建装置，其特征在于，所述球面坐标确定模块具体按照如下方式计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标：

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角；

计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标。

9.如权利要求8所述的虚拟球幕的创建装置，其特征在于，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角，具体按照如下方式计算：

设正方形平面的中心点为原点，每个顶点在正方形平面上的坐标为(X、Y)，则正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角计算公式为：

Azimuth＝atan2(Y，X)；

其中，Azimuth为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的方位角。

10.如权利要求8所述的虚拟球幕的创建装置，其特征在于，所述计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角，具体按照如下公式计算：

Altitude＝Fov*(1-radius/(Length/2))；

其中，Altitude为正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的高度角；

Radius为正方形平面上每个顶点到中心点的距离；

Length为正方形平面的边长；

Fov为虚拟球幕的顶部中心到底部边缘的角度。

11.如权利要求8所述的虚拟球幕的创建装置，其特征在于，所述根据所述方位角、所述高度角和预设的虚拟球幕半径，计算正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的坐标，具体按照如下公式计算：

x＝R*sin(Altitude)*cos(Azimuth)；

y＝R*cos(Altitude)；

z＝R*sin(Altitude)*sin(Azimuth)；

其中，正方形平面上的每个顶点映射到虚拟球幕上的三维坐标为(x，y，z)；

R为预设的球面半径。

12.如权利要求7所述的虚拟球幕的创建装置，其特征在于，所述正方形平面中的顶点数至少为64×64个。