CN107193372A - 从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法，包括：获取用户视点位置；比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角，若所述水平视野夹角未在预定范围内，则将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围；基于所述用户视点位置分别生成对应各视觉平面的投影通道并投影。本发明技术方案能够实现CAVE系统投影位置与用户真实视觉位置的信息交互及处理，以实现影像数据的有效输出。

Description

从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法
技术领域
本发明涉及影像处理技术领域，特别涉及一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法。
背景技术
CAVE投影系统是一种大型的VR系统(比如VR-Platform CAVE)，具有高度的沉浸感、良好的交互手段，可以融合视觉、触觉、声音等，并且可以跟踪头部的6个自由度的运动。CAVE沉浸式虚拟现实显示系统的原理比较复杂，它是以计算机图形学为基础，把高分辨率的立体投影显示技术、多通道视景同步技术、三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术等完美地融合在一起，从而产生一个被三维立体投影画面包围的供多人使用的完全沉浸式的虚拟环境。目前，复杂场景的实时高分辨率多窗口内容渲染主要应用于CAVE系统。CAVE是一种大型的虚拟现实系统，具有高度的沉浸感、良好的交互手段，其中CAVE 投影系统是由3个面以上(含3面)硬质背投影墙组成的高度沉浸的虚拟演示环境，围绕着观察者具有多个图像画面的虚拟现实系统，多个投影面组成一个虚拟空间。常见CAVE系统投影空间为标准立方体结构，这4个独立的投影通道最终形成空间连续的投影画面。
但是现有的CAVE系统在对渲染场景并生成内容图像输出时，需要预先固定投影窗口，即固定投影屏幕的位置和朝向，并且投影窗口之间不支持任意位置的摆放，无法与用户真实视觉位置进行数据交互，造成了用户视觉感受很差，也不利于影像数据的处理反馈，造成影像输出的效率低下。
发明内容
本发明技术方案所解决的技术问题为，如何实现CAVE系统投影位置与用户真实视觉位置的信息交互及处理，以实现影像数据的有效输出。
为了解决上述技术问题，本发明技术方案提供了一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法，基于CAVE系统，所述CAVE系统包括：视觉平台，所述视觉平台包括多个视觉平面，包括：
获取用户视点位置；
比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角，若所述水平视野夹角未在预定范围内，则将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围；
基于所述用户视点位置分别生成对应各视觉平面的投影通道并投影。
可选的，所述用户视点位置包括：用户相对于所述视觉平台的坐标。
可选的，所述比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角包括：
以所述以用户视点位置为坐标原点，建立透视体系坐标系，计算所述坐标原点沿投影方向至各视觉平台的有向距离；
基于所述坐标原点及有向距离获取所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角。
可选的，所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角为每一各视觉平面处于用户水平视野的角度范围，所述用户水平视野以该视觉平面的有向距离方向为零度方向，所述预定范围为零度方向分别顺时针或逆时针转动60°～100°所涵盖的角度范围。
可选的，所述预定范围为45°～135°。
可选的，所述将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围包括：
获取原用户视点位置与对应视觉平面中点延长线上点的坐标作为准位置；
若所述准位置与各视觉平面水平视野夹角满足上述预定范围，且所述准位置与原用户视点位置之间的位置距离最近，则将所述准位置作为所述新的用户视点位置。
可选的，基于如下算式获取所述用户视点位置对应视觉平面f的投影通道Sf：
其中，N为用户视点位置至视觉平面f近裁剪面的距离，F为用户视点至视觉平面f远裁剪面的距离，right、left、top、bottom分别表示该视觉平面f四边边长的长度，f为大于1的自然数。
可选的，所述投影方法还包括：
将各视觉平面作为用户视点位置至各视觉平面所对应的初始投影面；
依次根据初始投影面的位置求出投影空间的四边边长的数值；
基于用户视点位置及用户视点位置沿投影方向至各视觉平台的有向距离确定用户视点平面；
将所述用户视点平面到各视觉平面最近的平面距离确定为至该视觉平面的近裁剪面距离；
将所述用户视点平面到各视觉平面最远的平面距离确定为至该视觉平面的远裁剪面距离。
本发明技术方案的有益效果至少包括：
本发明技术方案可支持在预先设定的场景中，摆放指定数目的视觉平面(即投影屏幕)，这些视觉平面之间的相对位置和朝向可以根据本发明技术方案所变化的投影通道的建立与投影方法进行任意指定，针对用户在观测过程中检测发现的不合理的用户视点，可根据重建新的用户视点的方式进行重新投影，从而实现CAVE系统投影位置的交互以实现影像数据的有效输出。
本发明技术方案针对CAVE系统模拟现实场景，在用户面向多个视觉平面的情况下针对平面物体检测用户观测效果，满足用户在任意空间位置下的最佳观测视角，在给定多个投影面位置的情况下，实时根据视点位置变化，给出实时高分辨画面的投影结果。
本发明技术方案所提供的投影方法可以支持任意位置投影窗口的摆放，并且保证用户在窗口中看到的内容符合显示场景中用户向窗户外观察的效果，即使用户移动。用户的位置是作为观察视点的坐标实时传入投影过程中，作为计算新的投影面的变量。当存在不合理的用户视点时，本发明技术方案将建立新的用户视点，并将用户视点限定在该视点位置与屏幕中心连线的延长线上最近的合理位置，同时满足多个屏幕的需求，保证画面的连续，不影响用户的漫游体验。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明技术方案所涉CAVE系统结构示意图；
图2为本发明技术方案所涉一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法流程示意图；
图3为本发明技术方案所涉一实际投影通道的数据构成示意图；
图4为本发明技术方案所涉一应用例的流程示意图；
图5为本发明技术方案所涉应用例的投影面(即视觉平面)摆放示意图；
图6为本发明技术方案所涉CAVE系统一使用场景示意图；
图7为本发明技术方案所涉CAVE系统双屏幕同时投影的成像效果示意图。
具体实施方式
为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，CAVE系统包括投影阵列及视觉平台，其中，投影阵列包括多台投影仪(6～10)，视觉平台包括多个视觉平面(1～5)，视觉平面即投影屏幕，也称投影面。在一种CAVE系统的实例中，投影阵列包括5台投影仪，5台投影仪呈五边形布置，视觉平面包括四台横向视觉投影屏幕(1～4)及一个底面视觉投影屏幕(5)，5台投影仪分别投射至视觉平面的5个平面上，5台投影仪分别与数据主机连接以形成投射图像，使用时，用户(11)站立于底面视觉投影屏幕 (5)上，本发明所指用户视线一般仅针对横向视觉投影屏幕(1～4)。当然，上述视觉平面及投影仪的摆放位置及数量可以是任意的，本发明并不对上述视觉平面及投影仪的摆放位置及数量做限制。
现有技术中CAVE系统在对渲染场景并生成内容图像输出时，需要预先固定投影窗口的位置和朝向，并且投影窗口之间不支持任意位置的摆放。
为了支持任意投影窗口(本发明技术方案以建立新的投影通道来定义所述投影窗口)的摆放，相对于某一时刻固定位置的投影中心，其投影面为不规则多边形，这里如果使用常规的投影方法，获取到的画面为不规则四边形，画面连接处会出现“空洞”或因拉伸形成的“波纹”，为防止这种情况，本发明技术方案提出来一种计算新投影平面的方法，可根据用户真实视觉位置进行投影通道的再定义，从而支持任意投影窗口的摆放，实现影像画面的有效输出，建立良好的视觉画面质量。
本发明技术方案根据用户视点位置，首先计算沿视点投影方向到屏幕的有向距离，判断视点相对屏幕位置的合理性，将不合理的点在其到屏幕中点的延长线上，找到最近的合理位置，重新确定视点位置。考虑到多个屏幕可能存在的拼接问题，如出现不合理点位，对每块屏幕均做出检测，并找到满足各块屏幕的公共点位。然后根据投影方程，计算出新投影面中各参数的值，求解出投影空间的长、宽、高等四边边长，确定用户视点至投影面的近裁剪面和远裁剪面，生成新的不规则投影矩阵。最后，分别对每块屏幕调用其自身的投影矩阵，得到实时渲染的三维图像。
用户的位置是作为观察视点的坐标实时传入投影过程中，作为计算新的投影面的变量，在这一过程中，可以会出现一些不合理视点位置的情况，为了处理这些情况，本发明技术方案使用一种改变量最小的算法，将不合理的试点限定在该位置与屏幕中心连线的延长线上最近的合理位置，同时满足多个屏幕的需求，保证画面的连续，不影响用户的漫游体验。
具体的，参考图2，本发明技术方案提供了一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法，包括如下步骤：
步骤S100，获取用户视点位置；
步骤S101，比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角，若所述水平视野夹角未在预定范围内，则将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围；
步骤S102，基于所述用户视点位置分别生成对应各视觉平面的投影通道并投影。
根据步骤S100，所述用户视点位置包括：用户相对于所述视觉平台的坐标。所述用户视点位置可以直接采集用户所在视觉平台所在空间的位置信息，上述位置信息可以根据CAVE系统中设定的坐标系来确定。
根据步骤S101，所述比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角包括：
以所述以用户视点位置为坐标原点，建立透视体系坐标系，计算所述坐标原点沿投影方向至各视觉平台的有向距离；
基于所述坐标原点及有向距离获取所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角。
其中，所述透视体系坐标系可为一三维坐标系，所述有向距离大抵为向量，其具有距离数值，又具有方向，所述有向距离在透视体系坐标系上限定了一水平面，该水平面即为水平视野所在平面，用户视点至各视觉平面的所有有向距离都在该水平面上。
当然在执行步骤S101时也可以不建立该透视体系坐标系，而直接采用坐标原点沿投影方向至各视觉平台的有向距离所在水平面作为上述水平视野所在平面。
更为具体的，所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角为每一各视觉平面处于用户水平视野的角度范围，所述用户水平视野以该视觉平面的有向距离方向为零度方向，以零度方向分别顺时针或逆时针转动的角度定义所处水平视野的角度。
当将所述视觉平面水平视野夹角定义为各视觉平面所处水平视野的角度范围(即比如一视觉平面所处角度范围为逆时针10°至逆时针 90°)，则所述预定范围为零度方向分别顺时针或逆时针转动60°～100°所涵盖的角度范围。
当将所述视觉平面水平视野夹角定义为各视觉平面所处水平视野的角度差值(即比如一视觉平面所处角度范围为逆时针10°与逆时针 90°的角度差，即80°)，则所述预定范围为45°～135°。
上述角度范围的设置及所述视觉平面水平视野夹角的定义可根据需求进行输入设定，本实施例并不做特别限制。
根据步骤S101，所述将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围进一步包括如下过程：
获取原用户视点位置与对应视觉平面中点延长线上点的坐标作为准位置；
若所述准位置与各视觉平面水平视野夹角满足上述预定范围，且所述准位置与原用户视点位置之间的位置距离最近，则将所述准位置作为所述新的用户视点位置。
更为具体的，所述获取原用户视点位置与对应视觉平面中点延长线上点的坐标作为准位置在本实施例中采用了取对应视觉平面中点延长线上任意点的方式，其中所选延长线对应的视觉平面以不符合原用户视觉位置所确定水平视野夹角要求的为优选。
所述准位置与各视觉平面水平视野夹角满足上述预定范围指的是准位置需要同时满足与各视觉平面水平视野夹角符合上述预定范围的数值要求。
根据步骤S102，基于如下算式获取所述用户视点位置对应视觉平面 f的投影通道Sf：
其中，N为用户视点位置至视觉平面f近裁剪面的距离，F为用户视点至视觉平面f远裁剪面的距离，right、left、top、bottom分别表示该视觉平面f四边边长的长度，f为大于1的自然数。
在本实施例的一则优选方案中还包括如下计算上述算式中各参量的流程步骤，具体包括：
将各视觉平面作为用户视点位置至各视觉平面所对应的初始投影面；
依次根据初始投影面的位置求出投影空间的四边边长的数值；
基于用户视点位置及用户视点位置沿投影方向至各视觉平台的有向距离确定用户视点平面；
将所述用户视点平面到各视觉平面最近的平面距离确定为至该视觉平面的近裁剪面距离；
将所述用户视点平面到各视觉平面最远的平面距离确定为至该视觉平面的远裁剪面距离。
结合图3为一实际投影通道示意图，xz坐标平面为水平视野所在平面，其中示意了图示视觉平面四边边长的长度right、left、top、 bottom，及远裁剪面的距离far、近裁剪面的距离near。
所述步骤S102在执行过程中，根据上述投影算式，计算出新投影面中各参数的值，求解出投影空间的长、宽、高等四边边长，确定近裁剪面和远裁剪面，生成新的不规则投影矩阵。最后，分别对每块屏幕调用其自身的投影矩阵，得到实时渲染的三维图像
应用例
根据本发明技术方案，以下提供一则应用例，结合图4，包括如下流程步骤：
将5块投影屏幕按照需求放置在搭建好的场景(可以结合图1的摆放方式)中，即建立场景与窗口的摆放；
对每块投影屏幕，分别从原始试点位置(即获取原用户所在真实的视点位置)生成一个独立的投影通道：
建立透视体系坐标系，以视点位置为坐标原点。对每块屏幕，计算出视点(x0,y0,z0)沿投影方向到屏幕(所在平面方程为Ax+By+Cz+D＝0) 的有向距离(有向距离的参考公式为：)，并判断视点与屏幕相对位置的合理性(视点到屏幕水平视野夹角小于135°且大于 45°为合理位置，其余为不合理位置)，对不合理的视点位置，将新视点定义到原视点与屏幕中点延长线上距离最近的合理位置，即满足水平视野临界值的视点，并给出反馈；
再将屏幕位置作为投影面的初始位置p0，再依次根据投影面位置求出投影空间的长、宽、高的值，最后确定近裁剪面和远裁剪面，快速生成新的不规则投影矩阵(可参考本实施例的生成投影通道的算法)：
将每个投影通道的实时成像结果输出到5个屏幕上，移动视点位置，观测结果则产生相应变化。
根据本应用例的一个投影面与视点位置Eye(x，y，z)的摆放位置关系示意图5所示，其包括投影的屏幕1～3，其中，视点位置Eye(x， y，z)相对于屏幕1的投影距离为Zn4，屏幕1的宽度为W4，视点位置 Eye(x，y，z)到屏幕1一边的水平距离为L4、另一边的水平距离为R4；类似的，视点位置Eye(x，y，z)相对于屏幕2的投影距离为Zn5，屏幕2的宽度为W5，视点位置Eye(x，y，z)到屏幕1一边的水平距离为L5、另一边的水平距离为R5；视点位置Eye(x，y，z)相对于屏幕3的投影距离为Zn6，屏幕3的宽度为W6，视点位置Eye(x，y，z) 到屏幕1一边的水平距离为L6、另一边的水平距离为R6。其中，远裁剪面的位置示意图如图5所示以供参考。
根据本应用例所产生的投影效果图可参考图6及图7，其中图6为CAVE系统的一使用场景示意图，图7为双屏幕同时投影的成像效果示意图。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种从多个任意位置矩形平面到可变投影中心的投影方法，基于CAVE系统，所述CAVE系统包括：视觉平台，所述视觉平台包括多个视觉平面，所述其特征在于，包括：
获取用户视点位置；
比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角，若所述水平视野夹角未在预定范围内，则将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围；
基于所述用户视点位置分别生成对应各视觉平面的投影通道并投影。
2.如权利要求1所述的投影方法，其特征在于，所述用户视点位置包括：用户相对于所述视觉平台的坐标。
3.如权利要求1所述的投影方法，其特征在于，所述比较用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角包括：
以所述以用户视点位置为坐标原点，建立透视体系坐标系，计算所述坐标原点沿投影方向至各视觉平台的有向距离；
基于所述坐标原点及有向距离获取所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角。
4.如权利要求3所述的投影方法，其特征在于，所述用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角为每一各视觉平面处于用户水平视野的角度范围，所述用户水平视野以该视觉平面的有向距离方向为零度方向，所述预定范围为零度方向分别顺时针或逆时针转动60°～100°所涵盖的角度范围。
5.如权利要求1至3任一项所述的投影方法，其特征在于，所述预定范围为45°～135°。
6.如权利要求1所述的投影方法，其特征在于，所述将所述用户视点位置更新为新的用户视点位置以使新的用户视点位置与各视觉平面水平视野夹角恰好为所述预定范围包括：
获取原用户视点位置与对应视觉平面中点延长线上点的坐标作为准位置；
若所述准位置与各视觉平面水平视野夹角满足上述预定范围，且所述准位置与原用户视点位置之间的位置距离最近，则将所述准位置作为所述新的用户视点位置。
7.如权利要求1所述的投影方法，其特征在于，基于如下算式获取所述用户视点位置对应视觉平面f的投影通道Sf：
其中，N为用户视点位置至视觉平面f近裁剪面的距离，F为用户视点至视觉平面f远裁剪面的距离，right、left、top、bottom分别表示该视觉平面f四边边长的长度，f为大于1的自然数。
8.如权利要求7所述的投影方法，其特征在于，还包括：
将各视觉平面作为用户视点位置至各视觉平面所对应的初始投影面；
依次根据初始投影面的位置求出投影空间的四边边长的数值；
基于用户视点位置及用户视点位置沿投影方向至各视觉平台的有向距离确定用户视点平面；
将所述用户视点平面到各视觉平面最近的平面距离确定为至该视觉平面的近裁剪面距离；
将所述用户视点平面到各视觉平面最远的平面距离确定为至该视觉平面的远裁剪面距离。
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