CN105357512A - 一种单显卡三通道立体视景系统构建及其校正融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单显卡三通道图像输出的立体视景投影系统构建方案及其基于GPU的立体图像软件校正融合方法，属于视景仿真技术领域，避免了被动式双机立体投影硬件设备数量较多、成本昂贵、方案复杂等缺点，是一种经济可行、结构简单的多通道立体视景实现方案。本发明提出的立体视景系统采用单块显卡输出三路立体视景图像给三台立体投影仪，由视景图形生成系统、投影显示系统和视频分配监控系统组成，并且基于GPU的顶点着色器和像素着色器完成帧缓冲区中立体图像的分割、左右眼子图几何校正和边缘融合，最后拼接处理为完整的帧缓冲区图像。本发明主要用于单显卡三路左右格式或者上下格式立体图像输出给投影仪的视景系统仿真，以达到三通道立体图像的生成和投影。
Description
技术领域
本发明属于视景仿真技术领域，具体是指一种单显卡三通道图像输出的立体视景投影系统实现方案及基于GPU的立体图像软件校正融合方法。本发明主要用于单显卡三路左右格式或者上下格式立体图像输出给投影仪的视景系统仿真，以达到三通道立体图像的生成和投影。
背景技术
大视场的球幕立体视景系统能够给观看者提供景物的逼真感、立体感、自然界的无限远感觉和满足人眼视野的大视场环境，从而使观察者获得更加全面的信息，达到身临其境的感觉。新一代模拟器的视景系统既要求有大视场角，又要求有纵深感，不仅要提供良好的行觉视功能，还需要有强烈的深度觉视功能。鉴于立体视景突出的纵深感和沉浸感，有必要结合先进的图形技术与立体显示技术，构造一种经济可行的多通道立体视景投影显示系统，从而营造更加逼真的虚拟现实训练环境。
近年来，国内外一些单位在模拟训练器材的研制中对立体视景显示技术进行了研究和应用。比如空军哈尔滨仿真技术研究所在SU-27飞机飞行仿真系统中采用了空间立体视景系统，但其是在板块幕背投方式的基础上融入了立体解算，采用了分时主动立体模式，选择投影仪的场频要达到96Hz～120Hz，并且该板块幕没有考虑立体图像的校正和边缘融合。第二炮兵工程学院在某型导弹发射车模拟系统中采用了三通道柱幕的立体视景系统，基于双机叠加的被动立体投影系统来生成立体视觉图像，采用偏振光技术来分离左右眼图像。上海海事大学和大连海事大学研制的新一代航海模拟器中配备了立体视景系统，采用干涉滤波器技术构建了多通道被动立体显示系统。首尔大学在火星地质数据虚拟现实展示系统中基于柱幕采用了双通道的被动式立体投影，同样采用干涉滤波器技术构建了双机一组的左右眼图像显示。还有美国纽约州立大学——石溪分校采用五通道主动立体投影技术研制了虚拟现实CAVE系统，美国加州圣地亚哥大学电信与信息技术研究所研制了第三代虚拟现实系统StarCAVE，采用了多机叠加的被动式极化偏光投影。香港中文大学和里斯本科技大学分别基于视觉和触觉操作的沉浸系统中采用了单通道的主动立体显示技术等。
虽然在多通道立体显示技术方面国内外已经有了一些应用的先例，但是大多采用的是双投影仪一组的被动式立体投影，或者采用板块幕的主动式立体投影，这些实现方案存在成本昂贵、方案复杂等缺点，并且在多通道立体投影的软件校正融合等方面研究较少，尤其是采用单显卡构成的多通道主动式DLPLink3D立体视景投影系统及其软件校正融合处理方法还尚未有相关的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对多通道立体视景系统的实现方案，提出了一种采用单块显卡输出三路视景图像给三台DLPLink3D投影仪的球幕立体视景系统的构建方法，并给出了实现该方案的立体图像软件校正融合方法。
本发明所提出的一种单显卡三通道立体视景系统构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，构建由支持4路输出的专业显卡组成的视景图形生成系统；
步骤S2，搭建由3台支持DLPLink3D技术的投影仪组成的投影显示系统；
步骤S3，组建视频信号连接和视频分配监控系统。
所述步骤S1的视景图形生成系统通过以下步骤构建：
步骤S1-1，在1台性能优异的图形工作站中安装1块支持4路输出的专业显卡，该专业显卡具有2路DVI-D和2路DP视频信号输出通道；
步骤S1-2，为了提高视景数据的存取速度，采用1块固态硬盘存储操作系统和视景数据。
所述步骤S2的投影显示系统通过以下步骤得到：
步骤S2-1，由3台支持DLPLink3D技术的同型号投影仪构成多通道投影显示系统；
步骤S2-2，由1个球带幕构成投影显示屏幕。
所述步骤S3的视频信号连接和视频分配监控系统通过以下步骤得到：
步骤S3-1，分别采用2条DVI-D线缆连接专业显卡的2个DVI-D接口到2个一分二的DVI视频分配器；
步骤S3-2，采用1条DP转DVI-D线缆连接专业显卡的1个DP接口到1个一分二的DVI视频分配器；
步骤S3-3，采用1条DP转DVI-D线缆连接专业显卡的另外1个DP接口到具有DVI-D输入接口的KVM切换器；
步骤S3-4，分别采用3条DVI-D线缆连接一分二的DVI视频分配器的一路输出到3台投影仪；
步骤S3-5，分别采用3条DVI-D线缆连接一分二的DVI视频分配器的另外一路输出到KVM切换器的其它DVI输入接口；
步骤S3-6，采用1条DVI-D线缆连接KVM切换器的输出到具有DVI输入接口的监视器。
通过上述步骤S1、步骤S2和步骤S3的硬件构建和连接，由图形工作站渲染输出3路立体图像，该3路立体图像同时采用左右格式或者同时采用上下格式，该3路立体图像分别通过DVI视频分配器输出给3台投影仪和KVM切换器，将3台投影仪切换为立体工作模式，采用DLPLink3D模式，立体格式调整为与图形工作站渲染输出的立体图像格式一致，就可以通过DLPLink3D立体眼镜观看到立体效果，但该立体图像投影到球幕上会发生变形，需要进行立体图像的几何校正和边缘融合。
本发明所提出的一种适用于单显卡三通道立体视景投影的基于GPU的软件校正融合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤SA，基于GPU的单显卡三通道立体图像几何校正；
步骤SB，基于GPU的单显卡三通道立体图像边缘融合。
所述步骤SA的三通道立体图像几何校正，通过以下步骤得到：
步骤SA-1，将三通道的立体图像渲染结果在交换帧缓冲区输出之前，重启一个新的GPU渲染Pass；
步骤SA-2，捕获帧缓冲区中的渲染结果图像重新送到顶点着色器，利用GPU的顶点着色器完成立体显示投影的几何校正；
步骤SA-3，在GPU的顶点着色器中，对捕获的帧缓冲区图像按照每路立体左右眼图像的参数进行分割处理，形成对应每路立体左右眼的6幅子图像，并分别以纹理数组的形式进行保存；
步骤SA-4，对6副子图像分别进行几何校正，同一通道中的左右眼子图像进行相同的几何校正，不同通道的子图像采用不同的几何校正，几何校正数据以配置文件的形式预先保存在硬盘中，根据各通道的几何校正变换坐标对应关系，计算每个校正网格空间坐标对应的子图纹理变换坐标，从而完成子图像的校正映射变换。
步骤SA-5，将几何校正后的子图像送入GPU的像素着色器，在像素着色器中完成边缘融合处理。
所述步骤SB的立体图像边缘融合通过以下步骤得到：
步骤SB-1，将边缘融合Alpha蒙板根据几何校正映射变换关系，预处理映射到与子图像对应大小的矩形区域上；
步骤SB-2，在像素着色器中，以Alpha融合的方式将预处理映射后的边缘融合Alpha蒙板和几何校正后子图像进行Alpha混合，像素着色器程序根据每个子图像素的RGB值，采样对应纹理坐标的蒙板纹理Alpha值，并将混合计算的结果反馈到立体子图，从而得到子图像边缘融合后的渲染结果；
步骤SB-3，根据6幅子图像的索引坐标进行拼接对齐合成，生成一副完整的校正融合后的三通道立体图像；
步骤SB-4，将拼接对齐的三通道立体图像渲染到帧缓冲区，然后调用SwapBuffer函数完成帧缓冲区的交换，从而将校正融合处理后的立体图像输出给投影仪。
几何校正数据和边缘融合Alpha蒙板是预先生成的，而立体子图像参数描述了单卡三屏立体图像的分屏参数，包括立体图像的格式、每个立体子图的位置区域和分辨率大小等信息，这些数据参数是以配置文件的形式预先保存在硬盘中，在渲染初始化时以纹理的形式加载到GPU显存中的。
本发明的有益效果是提出了一种经济可行的三通道立体视景投影系统及基于GPU的软件校正融合方法，该方法硬件结构简单，搭建方便，经济可行，避免了被动式双机立体投影硬件设备数量较多且价格昂贵的缺点。本发明提出的基于GPU的软件校正融合方法适用于单显卡多屏的立体图像输出，结合了GPU可编程并行处理的优势，将渲染图像的几何校正和边缘融合运算在GPU中完成，可提高几何校正和边缘融合的处理速度，降低软件校正融合对视景渲染实时性的影响。
附图说明
图1是本发明设计的单显卡三通道立体视景系统组成结构；
图2是本发明提出的单显卡三通道立体图像GPU校正融合处理流程；
图3是本发明提出的单显卡三通道立体图像校正融合处理前结果；
图4是本发明提出的单显卡三通道立体图像校正融合处理后结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进一步详细说明。
图1是本发明设计的单显卡三通道立体视景系统组成结构。本发明基于1台图形工作站、1块专业显卡和3台DLPLink3D立体投影仪等主要硬件设备，实现单卡三屏立体图像输出，立体图像为左右格式或者上下格式，配合视频分配和监控系统，组成了一个完整的主动式立体投影系统，包括立体视景生成系统、立体投影显示系统和视频分配监控系统。
步骤S1，构建立体视景图形生成系统，过程如下：图形工作站选择1台性能优异的HPZ820，并安装1块NvidiaQuadroK6000专业显卡；采用1块三星840PRO512GB固态硬盘存储操作系统和视景数据。
步骤S2，搭建立体投影显示系统，过程如下：选择3台VivitekD5380U投影仪构成三通道投影系统，该型号投影仪支持DLPLink3D技术，每台投影仪分辨率为1920×1200；由1个水平视场角220°、垂直视场角45°、直径6.5米的球带幕构成投影显示屏幕。
步骤S3，视频电缆连接和视频分配监控系统，过程如下：采用3个迈拓维矩MT-DV2H一分二的DVI视频分配器构成三通道立体图像的视频分配系统；采用1台迈拓维矩MT-2108DLKVM切换器构成视频切换监控系统，该设备支持USB口键鼠切换，也可以将HPZ820图形工作站的4个USB口连接到KVM切换器的键鼠USB，实现键盘鼠标操作；采用UNITEKDVI-D电缆和DP转DVI-D电缆连接各设备。
图2是本发明提出的单显卡三通道立体图像GPU校正融合处理流程。在GPU上完成校正融合处理时，立体图像的渲染结果在交换帧缓冲区输出之前，再次重启一个新的渲染Pass，将帧缓冲区中的渲染结果图像重新送到顶点着色器，利用GPU的顶点着色器和像素着色器完成立体显示投影的几何校正和边缘融合的计算过程，最后将校正融合处理的结果再次绘制到帧缓冲区进行输出。
步骤SA，基于GPU的立体图像几何校正，过程如下：将通道数、立体子图像数目、图像分辨率、立体图像格式、各子图的大小和位置坐标索引参数从立体子图像参数描述文件中读取到显存；读取帧缓冲区图像并作为校正图像纹理；读取各通道子图像几何校正数据到显存并作为校正映射纹理；在顶点着色器中检索子图坐标；根据子图坐标对校正图像纹理进行采样；根据采样结果计算几何校正的纹理坐标并输出到像素着色器。
步骤SB，基于GPU的立体图像边缘融合，过程如下：将边缘融合Alpha蒙板数据读取到显存并作为蒙板纹理；在像素着色器中检索子图坐标；根据子图坐标对蒙板纹理进行采样；根据子图坐标对几何校正图像纹理进行采样；将两者采样结果进行Alpha混合处理；将混合处理的结果作为校正融合的结果拼接输出到帧缓冲区；最后SwapBuffer完成帧缓冲区的交换，从显卡的三个通道输出校正融合的立体图像。
图3和图4分别是实施例中实现的单显卡三通道立体图像校正融合处理前后的结果。本发明所提出的图像校正融合方法，关键是需要对帧缓冲区中的图像进行分割处理，分别对每个通道的左右眼立体图像进行几何校正和边缘融合，并且最后还需要拼接处理为完整的帧缓冲区图像。
本发明所述的基于GPU的立体图像校正融合处理方法，是专门针对单显卡多通道立体图像软件几何校正融合的处理过程，不仅适用于三通道立体图像的校正融合，也适用于单显卡任意通道的立体图像软校正融合，仅受限于显卡具有的输出通道个数。
以上结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非本发明保护范围的限制，本领域技术人员对本发明不需付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种单显卡三通道立体视景系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，构建由支持4路输出的专业显卡组成的视景图形生成系统；
步骤S2，搭建由3台支持DLPLink3D技术的投影仪组成的投影显示系统；
步骤S3，组建视频信号连接和视频分配监控系统。
2.根据权利要求1所述的单显卡三通道立体视景系统构建方法，其特征在于，所述步骤S1的视景图形生成系统通过以下步骤构建：
步骤S1-1，在1台图形工作站中安装1块支持4路输出的专业显卡，该专业显卡具有2路DVI-D和2路DP视频信号输出通道；
步骤S1-2，采用1块固态硬盘存储操作系统和视景数据。
3.根据权利要求1所述的单显卡三通道立体视景系统构建方法，其特征在于，所述步骤S2的投影显示系统通过以下步骤得到：
步骤S2-1，由3台支持DLPLink3D技术的同型号投影仪构成多通道投影显示系统；
步骤S2-2，由1个球带幕构成投影显示屏幕。
4.根据权利要求1所述的单显卡三通道立体视景系统构建方法，其特征在于，所述步骤S3的视频信号连接和视频分配监控系统通过以下步骤得到：
步骤S3-1，分别采用2条DVI-D线缆连接专业显卡的2个DVI-D接口到2个一分二的DVI视频分配器；
步骤S3-2，采用1条DP转DVI-D线缆连接专业显卡的1个DP接口到1个一分二的DVI视频分配器；
步骤S3-3，采用1条DP转DVI-D线缆连接专业显卡的另外1个DP接口到具有DVI-D输入接口的KVM切换器；
步骤S3-4，分别采用3条DVI-D线缆连接一分二的DVI视频分配器的一路输出到3台投影仪；
步骤S3-5，分别采用3条DVI-D线缆连接一分二的DVI视频分配器的另外一路输出到KVM切换器的其它DVI输入接口；
步骤S3-6，采用1条DVI-D线缆连接KVM切换器的输出到具有DVI输入接口的监视器。
5.一种适用于单显卡三通道立体视景投影的基于GPU的软件校正融合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤SA，基于GPU的单显卡三通道立体图像几何校正；
步骤SB，基于GPU的单显卡三通道立体图像边缘融合。
6.根据权利要求5所述的基于GPU的软件校正融合方法，其特征在于，所述步骤SA的立体图像几何校正通过以下步骤得到：
步骤SA-1，将三通道的立体图像渲染结果在交换帧缓冲区输出之前，重启一个新的GPU渲染Pass；
步骤SA-2，捕获帧缓冲区中的渲染结果图像重新送到顶点着色器；
步骤SA-3，在GPU的顶点着色器中，对捕获的帧缓冲区图像按照每路立体左右眼图像的参数进行分割处理，形成对应每路立体左右眼的6幅子图像，并分别以纹理数组的形式进行保存；
步骤SA-4，对6副子图像分别进行几何校正，同一通道中的左右眼子图像进行相同的几何校正，不同通道的子图像采用不同的几何校正，几何校正数据以配置文件的形式预先保存在硬盘中，根据各通道的几何校正变换坐标对应关系，计算每个校正网格空间坐标对应的子图纹理变换坐标，从而完成子图像的校正映射变换。
步骤SA-5，将几何校正后的子图像送入GPU的像素着色器，在像素着色器中完成边缘融合处理。
7.根据权利要求5所述的基于GPU的软件校正融合方法，其特征在于，所述步骤SB的立体图像边缘融合通过以下步骤得到：
步骤SB-1，将边缘融合Alpha蒙板根据几何校正映射变换关系，预处理映射到与子图像对应大小的矩形区域上；
步骤SB-2，在像素着色器中，以Alpha融合的方式将预处理映射后的边缘融合Alpha蒙板和几何校正后子图像进行Alpha混合，像素着色器程序根据每个子图像素的RGB值，采样对应纹理坐标的蒙板纹理Alpha值，并将混合计算的结果反馈到立体子图，从而得到子图像边缘融合后的渲染结果；
步骤SB-3，根据6幅子图像的索引坐标进行拼接对齐合成，生成一副完整的校正融合后的三通道立体图像；
步骤SB-4，将拼接对齐的三通道立体图像渲染到帧缓冲区，然后调用SwapBuffer函数完成帧缓冲区的交换，从而将校正融合处理后的立体图像输出给投影仪。
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