CN107635120A - 一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，属于图形几何矫正、图像融合技术领域。该方法首先采用Render To Texture技术，RTT相机预先渲染场景数据，获取该场景纹理Buffer缓存空间；其次建立后序渲染相机，添加屏幕窗口大小的平面几何体模型，该平面几何体采用了3次贝塞尔曲面创建，控制点数量可控，最大不超过8×8控制点，通过改变控制点数值，促使顶点数据值的改变，从而实现几何校正的功能；最后，在多通道投影融合带区域，通过融合算法生成融合图，该融合图用于实像多通道球带幕亮度、对比度在融合带区域非线性改变，从而实现了各个通道间的亮度、对比度一致性，最终完成多通道球带幕几何矫正和融合功能。

Description

一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法

技术领域

本发明涉及一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，属于图形几何矫正、图像融合技术领域。

背景技术

随着计算机硬件水平提高，特别是显卡的GPU并行计算能力的大大提升，图像的处理能力不断加强，而且投影显示系统在飞行模拟器仿真系统作用巨大。由于目前飞行模拟器多采用柱幕、实像球带幕、虚像幕等，多台投影仪投射出的光线在屏幕显示时，必然会存在一定程度的几何变形，在没有曲面校正的条件下，投射的图像根本无法观看。

由于采用多台投影机，在投影的公共区域的光照强度、色彩度为2台或更多台的重合叠加效果，从而通道间画面上存在亮带和暗斑，及重合的图像内容。为了解决各个投影中产生分离的画面异常，实像画面统一,必须消除画面色彩、亮度的差别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，整个屏幕的亮度、色彩度、均与度一致。

为达到上述目的，本发明提供一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，包括以下步骤：

在虚拟空间建立与真实空间中的真实球幕半径大小相同的虚拟球幕，在虚拟空间采用网格模式建立经纬网格球，经纬网格球包括多条经线和多条纬线，经纬线网格球分割虚拟球幕；

S2相机获取场景的纹理缓存图片A；

S3相机获取场景的纹理缓存图片B，图片A和图片B相同；

M个投影仪按照光路设计的位置固定放置在真实球幕的周围，投影仪投放图片B到投影球幕上；

经纬仪设备求解虚拟球幕任意点位置的经度、纬度；

在虚拟球幕中将图片A贴在贝塞尔曲面上，贝塞尔曲面有N×N(5≤N≤8)控制点，采用经纬仪工具调整控制点数值使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位；

对其余投影仪重复上一步骤直到所有投影仪校正完毕；

M个投影通道投放的显示区域，在球幕上形成新的融合区域，每个投影仪投放的图像边缘与相邻的投影仪投放的图像边缘均有重合部分；依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合方法计算获取融合图C；

单个通道投影图片A和融合图C采用高级着色语言编程实现AC混合图片，每个投影通道均重复本步骤，最终完成球幕的矫正与融合。

优先地，获取样片的纹理缓存图片A包括以下步骤：

包括主相机、RTT相机和正视相机,定义主相机为S1,定义RTT相机为S2，定义正视相机为S3；S2投影矩阵＝S1投影矩阵×S2的投影偏移矩阵，S2视图矩阵＝S1视图矩阵×S2视图偏移矩阵，每一帧获取S2纹理缓存图片A；S3投影矩阵定义为正视矩阵，S3视图矩阵定义为单位矩阵，每一帧获取S3纹理缓存图片B。3.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，采用经纬仪工具调整控制点数值，使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位包括以下步骤：

用全站仪工具测量出球幕某点相应于球心经纬度的位置坐标，全站仪解算映射程序，输入参数为全站仪Q坐标点(X₀,Y₀,Z₀)，R为球幕半径，θ、β为球幕经度、纬度参数，x_c、y_c、z_c为球心中心点位置。解算球幕上任意点P空间坐标，P点坐标(X、Y、Z)，其公式如下：

X＝R*sin(θ)*sin(β)+x_c

Y＝R*sin(θ)*cos(β)+y_c (1)

Z＝R*cos(β)+z_c

求解P点对应的全站仪Q经纬坐标，其公式如下：

Q_lat＝R*sin(θ)*cos(β)+y_c

根据公式(1)(2)可以求P点位置，对应全站仪Q点位置的相应坐标点，通过将球带幕经度5°一格，纬度5°一格划分，求解P_n二维数组，批量求解Q_n。最后利用全站仪的反向查表的方法，测量出P_n的位置。

优先地，投影仪投射网格图片B投影到球幕上，手动调整N×N控制点数值，改变图像B在球幕上显示最终像素位置。

优先地，投影仪投射的网格图片B投射到球幕上，对网格图片B上的平面几何体贝塞尔曲面模型N×N控制点进行图形变换，包括以下步骤：

建立双三次Bezier曲面，Bezier曲面假设采用(m+1)×(n+1)控制点定义为P_i,j，参考点即控制点，其公式如下：

u,v∈[0,1]

其中：均为Bernstein函数。

优先地，依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合算法获取融合带融合图包括以下步骤：对融合带图像获取，为每台投影仪创建alpha-mask图片，alpha-weight为A_m(u,v)为每个像素点P_m掩码图值，通过如下公式计算：

其中：a_m(m,u,v)＝w_i(m,u,v)*d_i(m,u,v)，d_i(m,u,v)为像素点Pi在融合带重叠区(u、v)最近边缘距离d。w_i(m,u,v)＝1，表示该像素点为投影融合区域内点，w_i(m,u,v)＝0表示该像素点为投影融合区域外点。

优先地，投影图像B像素位置已经调整结束，融合图C计算完毕后后使A、C图片混合，最终通道显示为图像B新的融合图，其中A_rgba为图A像素点，RGBA通道值，B_rgba为图B像素点，RGBA通道值，C_rgba为图C像素点，RGBA通道值。其公式如下：

B_rgba＝A_rgba*C_rgba (5)。

本发明的有益效果：

本发明在TerrSim视景仿真软件中直接解决多通道球带幕投影系统光路校正，整个屏幕的亮度、色彩度、均与度一致的技术方法；能够实现图像的快速畸变校正，延迟性基本可以忽略；稳定性高，该功能可以作为本公司视景仿真软件一个独立模块，无需额外增加硬件成本，集成度大大提高；在飞行模拟器仿真系统中、军事VR仿真系统、多通道教学、娱乐等系统都有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的应用框架图。

图2是本发明的流程图；

图3是本发明中虚拟球幕的投影光路图；

图4是本发明中的全站仪位置工具图；

图5是本发明中虚拟球幕矫正前的示意图；

图6是本发明中虚拟球幕矫正后的示意图；

图7是本发明中虚拟球幕融合示意图；

图8是本发明中真实球幕矫正后效果图；

图9是图6的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，包括以下步骤：

如图3所示，在虚拟空间建立与真实空间中的真实球幕半径大小相同的虚拟球幕，在虚拟空间采用网格模式建立经纬网格球，经纬网格球包括多条经线和多条纬线，经纬线网格球分割虚拟球幕；

S2相机获取场景的纹理缓存图片A；

S3相机获取场景的纹理缓存图片B，图片A和图片B相同；

M个投影仪按照光路设计的位置固定放置在真实球幕的周围，投影仪投放图片B到投影球幕上；

经纬仪设备求解虚拟球幕任意点位置的经度、纬度；

在虚拟球幕中将图片A贴在贝塞尔曲面上，贝塞尔曲面有N×N(5≤N≤8)控制点，采用经纬仪工具调整控制点数值使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位；

对其余投影仪重复上一步骤直到所有投影仪校正完毕；

M个投影通道投放的显示区域，在球幕上形成新的融合区域，每个投影仪投放的图像边缘与相邻的投影仪投放的图像边缘均有重合部分；依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合方法计算获取融合图C；

单个通道投影图片A和融合图C采用高级着色语言编程实现AC混合图片，每个投影通道均重复本步骤，最终完成球幕的矫正与融合。

进一步地，获取样片的纹理缓存图片A包括以下步骤：

包括主相机、RTT相机和正视相机,定义主相机为S1,定义RTT相机为S2，定义正视相机为S3；S2投影矩阵＝S1投影矩阵×S2的投影偏移矩阵，S2视图矩阵＝S1视图矩阵×S2视图偏移矩阵，每一帧获取S2纹理缓存图片A；S3投影矩阵定义为正视矩阵，S3视图矩阵定义为单位矩阵，每一帧获取S3纹理缓存图片B。3.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，采用经纬仪工具调整控制点数值，使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位包括以下步骤：

如图4所示，用全站仪工具测量出球幕某点相应于球心经纬度的位置坐标，全站仪解算映射程序，输入参数为全站仪Q坐标点(X₀,Y₀,Z₀)，R为球幕半径，θ、β为球幕经度、纬度参数，x_c、y_c、z_c为球心中心点位置。解算球幕上任意点P空间坐标，P点坐标(X、Y、Z)，其公式如下：

X＝R*sin(θ)*sin(β)+x_c

Y＝R*sin(θ)*cos(β)+y_c (1)

Z＝R*cos(β)+z_c

求解P点对应的全站仪Q经纬坐标，其公式如下：

Q_lat＝R*sin(θ)*cos(β)+y_c

根据公式(1)(2)可以求P点位置，对应全站仪Q点位置的相应坐标点，通过将球带幕经度5°一格，纬度5°一格划分，求解P_n二维数组，批量求解Q_n。最后利用全站仪的反向查表的方法，测量出P_n的位置。

进一步地，投影仪投射网格图片B投影到球幕上，手动调整N×N控制点数值，改变图像B在球幕上显示最终像素位置。

进一步地，投影仪投射的网格图片B投射到球幕上，对网格图片B上的平面几何体贝塞尔曲面模型N×N控制点进行图形变换，包括以下步骤：

建立双三次Bezier曲面，Bezier曲面假设采用(m+1)×(n+1)控制点定义为P_i,j，参考点即控制点，其公式如下：

u,v∈[0,1]

其中：均为Bernstein函数。

进一步地，依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合算法获取融合带融合图包括以下步骤：对融合带图像获取，为每台投影仪创建alpha-mask图片，alpha-weight为A_m(u,v)为每个像素点P_m掩码图值，通过如下公式计算：

其中：a_m(m,u,v)＝w_i(m,u,v)*d_i(m,u,v)，d_i(m,u,v)为像素点Pi在融合带重叠区(u、v)最近边缘距离d。w_i(m,u,v)＝1，表示该像素点为投影融合区域内点，w_i(m,u,v)＝0表示该像素点为投影融合区域外点。

进一步地，投影图像B像素位置已经调整结束，融合图C计算完毕后后使A、C图片混合，最终通道显示为图像B新的融合图，其中A_rgba为图A像素点，RGBA通道值，B_rgba为图B像素点，RGBA通道值，C_rgba为图C像素点，RGBA通道值。其公式如下：

B_rgba＝A_rgba*C_rgba (5)。

单个通道投影图片B和融合图C采用高级着色语言编程实现BC混合图片，每个通道均采用类似算法，最终完成球幕的矫正与融合。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在虚拟空间建立与真实空间中的真实球幕半径大小相同的虚拟球幕，在虚拟空间采用网格模式建立经纬网格球，经纬网格球包括多条经线和多条纬线，经纬线网格球分割虚拟球幕；

S2相机获取场景的纹理缓存图片A；

S3相机获取场景的纹理缓存图片B，图片A和图片B相同；

M个投影仪按照光路设计的位置固定放置在真实球幕的周围，单个投影仪分别投放图片B到真实球幕上；

经纬仪设备求解虚拟球幕任意点位置的经度、纬度；

在虚拟球幕中将图片A贴在贝塞尔曲面上，贝塞尔曲面有N×N(5≤N≤8)控制点，采用经纬仪工具调整控制点数值使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位；

对其余投影仪重复上一步骤直到所有投影仪校正完毕；

M个投影通道投放的显示区域，在球幕上形成新的融合区域，每个投影仪投放的图像边缘与相邻的投影仪投放的图像边缘均有重合部分；依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合方法计算获取融合图C；

单个通道投影图片A和融合图C采用高级着色语言编程实现AC混合图片，每个投影通道均重复本步骤，最终完成球幕的矫正与融合。

2.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，获取样片的纹理缓存图片A包括以下步骤：

包括主相机、RTT相机和正视相机,定义主相机为S1,定义RTT相机为S2，定义正视相机为S3；S2投影矩阵＝S1投影矩阵×S2的投影偏移矩阵，S2视图矩阵＝S1视图矩阵×S2视图偏移矩阵，每一帧获取S2纹理缓存图片A；S3投影矩阵定义为正视矩阵，S3视图矩阵定义为单位矩阵，每一帧获取S3纹理缓存图片B。

3.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，采用经纬仪工具调整控制点数值，使图片A上的网格点数值映射复原到真实球幕上相应的点位包括以下步骤：

用全站仪工具测量出球幕某点相应于球心经纬度的位置坐标，全站仪解算映射程序，输入参数为全站仪Q坐标点(X₀,Y₀,Z₀)，R为球幕半径，θ、β为球幕经度、纬度参数，x_c、y_c、z_c为球心中心点位置。解算球幕上任意点P空间坐标，P点坐标(X、Y、Z)，其公式如下：

求解P点对应的全站仪Q经纬坐标，其公式如下：

根据公式(1)(2)可以求P点位置，对应全站仪Q点位置的相应坐标点，通过将球带幕经度5°一格，纬度5°一格划分，求解P_n二维数组，批量求解Q_n。最后利用全站仪的反向查表的方法，测量出P_n的位置。

4.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，投影仪投射网格图片B投影到球幕上，手动调整N×N控制点数值，改变图像B在球幕上显示最终像素位置。

5.根据权利要求4所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，投影仪投射的网格图片B投射到球幕上，对网格图片B上的平面几何体贝塞尔曲面模型N×N控制点进行图形变换，包括以下步骤：

建立双三次Bezier曲面，Bezier曲面假设采用(m+1)×(n+1)控制点定义为P_i,j，参考点即控制点，其公式如下：

其中：均为Bernstein函数。

6.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，依据新的融合区域，绘制融合区域轮廓图，最后通过融合算法获取融合带融合图包括以下步骤：对融合带图像获取，为每台投影仪创建alpha-mask图片，alpha-weight为A_m(u,v)为每个像素点P_m掩码图值，通过如下公式计算：

其中：a_m(m,u,v)＝w_i(m,u,v)*d_i(m,u,v)，d_i(m,u,v)为像素点Pi在融合带重叠区(u、v)最近边缘距离d。w_i(m,u,v)＝1，表示该像素点为投影融合区域内点，w_i(m,u,v)＝0表示该像素点为投影融合区域外点。

7.根据权利要求1所述的一种多通道球幕几何矫正及边缘融合的方法，其特征在于，投影图像B像素位置已经调整结束，融合图C计算完毕后后使A、C图片混合，最终通道显示为图像B新的融合图，其中A_rgba为图A像素点，RGBA通道值，B_rgba为图B像素点，RGBA通道值，C_rgba为图C像素点，RGBA通道值。其公式如下：

B_rgba＝A_rgba*C_rgba (5)。