CN107247397A - 实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，1：在线路三维投影程序中分别创建线路左、右两翼的投影窗口并设置其各自的投影虚拟相机，激活窗口所对应的虚拟相机称之为主动相机，其它窗口的虚拟相机称之为被动相机，通过建立主动相机与被动相机之间的联动关系，从而达成调整主动相机的参数就可以实现所有窗口场景的画面同步控制；2：确定当前激活窗口上的交互主动相机与其它窗口上的被动相机之间的约束关系；3：计算左翼虚拟相机和右翼虚拟相机的偏航角、翻滚角、俯仰角。本发明可以为基于线路的两翼全息投影装置提供实时的、可交互控制的投影视频源。可应用于公路、铁路以及其它如电力线、河道的全息投影漫游的视频源生成。
Description
技术领域
本发明涉及全息投影技术领域，具体涉及一种实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法。
背景技术
用于全息投影的传统投影源，都是在模型的周围不同侧面，架设不同的摄录机，当模型变化时，每一个摄录机录得一段同步片源后，再通过视频合成软件将多个侧面的片源按帧合成到一个投影片源上，通过一部投影仪实现多个侧面的同步投影表达。这种片源的生成方式需要提前同步录制、人工合成，一旦合成后，影片就无法做到实时，也无法实现对场景的交互。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，本发明可以为基于线路的两翼全息投影装置提供实时的、可交互控制的投影视频源。
为解决上述技术问题，本发明所设计的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在线路三维投影程序中分别创建线路左、右两翼的投影窗口并设置其各自的投影虚拟相机，通过设置投影虚拟相机的位置与姿态角可以控制相应关联窗口的投影画面；左、右两翼的投影窗口分别输出到投影装置的左、右两翼投影仪，从而提供视频源输出，左、右两翼的投影窗口作为有约束关系且直接提供视频源的投影窗口不可或缺,在此基础上，可以拓展更多的窗口提供定制的或更高自由度的三维场景交互；
鼠标交互在哪个窗口上发生时，哪个窗口称之为当前激活窗口，激活窗口所对应的虚拟相机称之为主动相机，其它窗口的虚拟相机称之为被动相机，通过调整主动相机的参数可以实现所有窗口场景的画面同步控制；
步骤2：当前激活窗口上的交互主动相机与其它窗口上的被动相机之间的约束关系确定为：
在当前激活窗口中根据主动相机交互位置的变更实时确立一个最近的线路中心上的观察点O，并根据这个观察点O计算出三维场景左翼窗口和三维场景右翼窗口的位置与姿态；
左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2与经过观察点O的工程线路垂直，且左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2相对于经过观察点O的工程线路对称；
步骤3：计算左翼虚拟相机和右翼虚拟相机的偏航角yaw、翻滚角roll、俯仰角pitch，其中，左、右两翼虚拟相机的俯仰角pitch与对工程线路在O点的坡度角保持一致；偏航角yaw决定了相机的对向方位，左、右翼虚拟相机的偏航角yaw与工程线路在O点的方位角V保持一致；左翼虚拟相机的翻滚角roll根据左翼虚拟相机距离观察点O的高度hL和左翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，右翼虚拟相机的翻滚角roll根据右翼虚拟相机距离观察点O的高度hR和右翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，左、右两翼相机的偏移距离d相同，但相机高度可能受两翼不同的地形影响而不同。
本发明的设计思路为：
三维场景主窗口之外，可以弹出两个全屏窗口，每一个窗口均是对加载三维环境的一个表达，按照三维数字化过程的基本原理，在模型确定、窗口确定的情况下，决定每一个窗口表达画面内容的，是其内部对应的投影相机对象。这样就可以分别通过两个窗口所对应的投影相机参数来实现对画面的调整，如图1所示。当主窗口表达内容与要投影内容完全一致时，也可以作为一个全屏窗口使用，从而可以将场景的相机及窗口数目简化为两个。
两个窗口，一个作为左翼窗口接收来自线路左侧相机的投影画面，另一个用于接收线路右侧相机的投影画面。输出到投影仪时，利用Windows操作系统的屏幕扩展功能实现针对投影仪的屏幕拓展。此时可将两个投影窗口分别拖放到两个投影仪窗口中并实现全屏显示即可实现两个窗口到投影仪的全屏表达。
接下来如何形成两翼同步的投影画面是实现线路全息表达的关键，主要就是实现对两个相机的姿态进行控制。通过建立两翼相机之间位置与姿态的参数约束关系，就可以实现对线路两侧翼画面的同步输出。
如果要使用单部投影仪实现线路的两翼全息投影，则可以将两个窗口放在同一个屏幕上或通过专业视频软件进行合成录制或实时输出。
本发明可以为基于线路的两翼全息投影装置提供实时的、可交互控制的投影视频源。比起现有的点模型预录制视频源，具备实时性、可交互性及大空间的开放性，可应用于公路、铁路以及其它如电力线、河道的全息投影漫游的视频源生成。
附图说明
图1为对三维场景多窗口投影表达的相机组织示意图；
图2为线路两翼布置相机的位置关系示意图
图3为相机姿态控制参数示意图
图4为两翼相机平面布置示意图
图5为相机roll角的计算示意图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明基于线路表达的狭长特点，基于参观者通常会从线路两侧或者正上方进行动态漫游观摩的实际需要，对同一线路三维场景模型，分别从两侧设置两台漫游导航相机，两台相机由程序控制保持对线位的两翼同步观测姿势实现对线路的实时表达，每一部相机投影画面构成一个独立窗口,两个窗口可分别由不同的视频口输出到两部投影仪，实现对线路大场景的两翼全息表达，也可以将两个窗口在同一视口上输出，由一部投影仪实现对线路模型的两翼全息表达。
本发明的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，如图1～5所示，它包括如下步骤：
步骤1：在线路三维投影程序中分别创建线路左、右两翼的投影窗口并设置其各自的投影虚拟相机，通过设置投影虚拟相机的位置与姿态角可以控制相应关联窗口的投影画面；左、右两翼的投影窗口分别输出到投影装置的左、右两翼投影仪，从而提供视频源输出，左、右两翼的投影窗口作为有约束关系且直接提供视频源的投影窗口不可或缺,在此基础上，可以拓展更多的窗口提供定制的或更高自由度的三维场景交互；
鼠标交互在哪个窗口上发生时，哪个窗口称之为当前激活窗口，激活窗口所对应的虚拟相机称之为主动相机，其它窗口的虚拟相机称之为被动相机，通过调整主动相机的参数(位置参数和姿态角yaw/pitch/roll)可以实现所有窗口场景的画面同步控制；
步骤2：当前激活窗口上的交互主动相机与其它窗口上的被动相机之间的约束关系确定为：
在当前激活窗口中根据主动相机交互位置的变更实时确立一个最近的线路中心上的观察点O，并根据这个观察点O计算出三维场景左翼窗口和三维场景右翼窗口的位置与姿态；
左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2与经过观察点O的工程线路垂直，且左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2相对于经过观察点O的工程线路对称；
步骤3：计算左翼虚拟相机和右翼虚拟相机的偏航角yaw、翻滚角roll、俯仰角pitch，其中，左、右两翼虚拟相机的俯仰角pitch与对工程线路在O点的坡度角保持一致；偏航角yaw决定了相机的对向方位，左、右翼虚拟相机的偏航角yaw与工程线路在O点的方位角V保持一致；左翼虚拟相机的翻滚角roll根据左翼虚拟相机距离观察点O的高度hL和左翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，右翼虚拟相机的翻滚角roll根据右翼虚拟相机距离观察点O的高度hR和右翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，左、右两翼相机的偏移距离d相同，但相机高度可能受两翼不同的地形影响而不同。
上述技术方案中，所述步骤1中，拓展一个拥有完全交互自由度的主窗口作为主要的漫游控制窗口，通过该窗口上的主动相机的漫游控制实现线路两翼的画面同步输出，主动相机与被动相机的设置方法与步骤2、3完全一致。
上述技术方案中，当左右两翼窗口中有一翼窗口大小变化时，另一翼窗口自动保持同步的窗口调整，以便保持两翼画面的一致。
上述技术方案的步骤1中，左右两翼窗口能拓展到投影仪或显示器上进行全屏表达，要求接收两翼投影画面的投影仪或显示器的分辨率、刷新频率和显示尺寸保持一致。
上述技术方案的步骤3中，左右两翼虚拟相机的高度hL、hR根据O点所处的位置来约束，当O点为桥梁路基段时，hL、hR应该约束在地面以上一定的高度，当O点为隧道段时，可以约束hL、hR在地面以上，也可以约束在地面以下；但不管O点是任何位置，应该同时保障两翼相机的高度在线路的轨面高程之上，且相机同时处于地上或地下，避免相机的地面穿透。
上述技术方案的步骤3中，主动相机的高度h与偏移距离d通过设置热键来实时地进行调整以实现对投影画面的同步调整。
上述技术方案的步骤1中，把三维场景左翼窗口和三维场景右翼窗口中当前激活的交互窗口的相机定义为主动虚拟相机，其它窗口的虚拟相机称之为被动相机，当交互人员要重点观察任何一侧的三维场景时，都可以通过鼠标移动到对应的窗口上去激活并实现交互定位，此时另一侧的窗口也会自动地切换到线路的对侧进行投影表达。这种交互不绑定的实现方式实际上赋予了所有窗口都具备一定的交互能力。当交互在主动窗口中进行时，对相机P1的移动会自动投射到线路上，并计算得到一个O点里程lc及偏移距d，同样根据这两个值计算被动相机P2的平面位置。
上述技术方案中，主动相机离工程线路的侧方位距离不大于3000米。由于主动相机不需要输出到投影仪进行全息表达，但是其却影响两翼窗口在线路上的里程定位，如果相机P0偏离线位太远，定位精度或效果可能会存在效果瑕疵，因而建议在启用两翼成像生成时，简要地对主窗口相机进行约束，因而除了主动相机离工程线路的侧方位距离不大于3000米的要求外，没有进一步的位置与姿态的约束。
上述技术方案中，在人机交互时，主动相机位置也要有所约束，既不能跑到线路的对侧，也不能离线路偏移距太远，主动虚拟相机距离观察点O的偏移距d，满足|d|<30m。因为d的正负决定线路的左右侧，所以只需要限定每一个相机总是保持相同的计算符号即可。
水准面上可以在观察点O处的路面高的基础上加上一个常数增量高程(如10米)，增量高程可以通过自定义热键进行加大或减少从而实现相机位在高程上的交互调整。同时要保持相机总在地面之上，因此对每一次相机位置的调整，都需要读取所在位置的地形高程后进行比较，如果设定的相机高度不能保障有效的投影画面时(如在地面下)，按在地面高的基础上加上3～5m的高程进行调整配置。
上述技术方案中，当主动虚拟相机的窗口大小变动时，被动虚拟相机的窗口保持同步的窗口自动调整，以便保持两翼画面的一致。同时因为窗口的变动导致了场景的偏移，各相机要重新依据上述原则进行位置计算。至于交互手段，可以鼠标交互，也可以热键交互。两者也可以同时具备,在漫游时，建议使用热键交互，以实现画面比较平顺的过渡。而在定点查看时，则可以用鼠标实现快速的切换。
上述技术方案中，所述三维场景左翼窗口和三维场景右翼窗口为非模态对话框。以便可以实现在任意窗口上的交互控制。对两翼窗口的大小，要严格约束保持一致。采用全屏模式时，要保障承载两翼窗口的显示器型号参数一致。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在线路三维投影程序中分别创建线路左、右两翼的投影窗口并设置其各自的投影虚拟相机，通过设置投影虚拟相机的位置与姿态角可以控制相应关联窗口的投影画面；左、右两翼的投影窗口分别输出到投影装置的左、右两翼投影仪，从而提供视频源输出，左、右两翼的投影窗口作为有约束关系且直接提供视频源的投影窗口不可或缺,在此基础上，可以拓展更多的窗口提供定制的或更高自由度的三维场景交互；
鼠标交互在哪个窗口上发生时，哪个窗口称之为当前激活窗口，激活窗口所对应的虚拟相机称之为主动相机，其它窗口的虚拟相机称之为被动相机，通过调整主动相机的参数可以实现所有窗口场景的画面同步控制；
步骤2：当前激活窗口上的交互主动相机与其它窗口上的被动相机之间的约束关系确定为：
在当前激活窗口中根据主动相机交互位置的变更实时确立一个最近的线路中心上的观察点O，并根据这个观察点O计算出三维场景左翼窗口和三维场景右翼窗口的位置与姿态；
左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2与经过观察点O的工程线路垂直，且左翼虚拟相机位置P1、右翼虚拟相机位置P2相对于经过观察点O的工程线路对称；
步骤3：计算左翼虚拟相机和右翼虚拟相机的偏航角yaw、翻滚角roll、俯仰角pitch，其中，左、右两翼虚拟相机的俯仰角pitch与对工程线路在O点的坡度角保持一致；偏航角yaw决定了相机的对向方位，左、右翼虚拟相机的偏航角yaw与工程线路在O点的方位角V保持一致；左翼虚拟相机的翻滚角roll根据左翼虚拟相机距离观察点O的高度hL和左翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，右翼虚拟相机的翻滚角roll根据右翼虚拟相机距离观察点O的高度hR和右翼虚拟相机距离观察点O的偏移距d计算，左、右两翼相机的偏移距离d相同，但相机高度可能受两翼不同的地形影响而不同。
2.根据权利要求1所述的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于：所述步骤1中，拓展一个拥有完全交互自由度的主窗口作为主要的漫游控制窗口，通过该窗口上的主动相机的漫游控制实现线路两翼的画面同步输出，主动相机与被动相机的设置方法与步骤2、3完全一致。
3.根据权利要求1所述的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于：当左右两翼窗口中有一翼窗口大小变化时，另一翼窗口自动保持同步的窗口调整，以便保持两翼画面的一致。
4.根据权利要求1所述的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于：所述步骤1中，左右两翼窗口能拓展到投影仪或显示器上进行全屏表达，要求接收两翼投影画面的投影仪或显示器的分辨率、刷新频率和显示尺寸保持一致。
5.根据权利要求1所述的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于：所述步骤3中，左右两翼虚拟相机的高度hL、hR根据O点所处的位置来约束，当O点为桥梁、路基段时，hL、hR应该约束在地面以上一定的高度，当O点为隧道段时，可以约束hL、hR在地面以上，也可以约束在地面以下；但不管O点是任何位置，应该同时保障两翼相机的高度在线路的轨面高程之上，且相机同时处于地上或地下，避免相机的地面穿透。
6.根据权利要求1所述的实时生成三维线路两翼全息漫游投影源的方法，其特征在于：所述步骤3中，主动相机的高度h与偏移距离d可以通过设置热键来实时地进行调整以实现对投影画面的同步调整。
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