CN108776951B - 用于led球幕显示屏的图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于LED球幕显示屏的图像处理方法，根据LED球幕显示屏的实际尺寸以及播放系统支持播放的源图像尺寸获得一能在球幕显示屏中播放后与平面显示屏中播放后视觉效果相同的目标图像，将该目标图像在立体半球上进行展开、投影，并通过椭圆公式、三角函数等数学公式将目标图像上对应的纬度像素进行循环处理，获得平面图像，再将平面图像与源图像比较，最终获得符合LED球幕显示屏播放的适用图像，再将该适用图像通过播放系统在LED球幕显示屏上播放。从而可以在LED球幕显示屏看到与在正常平面显示屏上一样的播放效果，并且转换时间短，占用资源少。

Description

用于LED球幕显示屏的图像处理方法

技术领域

本发明涉及球幕显示领域，具体地说，涉及一种用于LED球幕显示屏的图像处理方法。

背景技术

随着科学技术的发展，越来越多的可视区域都被电子广告牌以及广告片等占据，而由于可视区域的多样性，使得对图像显示的要求也日益增加，对于球幕显示屏，已经广泛的应用在各种场合。且球幕显示技术已经有了一定的发展，目前LED球幕显示屏的播放方式多采用图像序列帧组合播放的方式，在现有的序列帧图像基础上，后期使用图像处理软件将序列帧图像进行二次或多次的球形变换以满足球幕播放的要求。而当前进行球幕显示时，没有技术理论支撑对图像进行规则性的转换，仅仅是将待显示图像通过经验或多次测试来实现序列帧图像的转换，因此图像转换的时间过长并且占用大量资源。并且普通的待显示图像或仅经过球形变化处理后的图像不能满足LED球幕的播放要求，会有播放质量损失，并产生图像变形的现象，因此急需一种可靠且播放效果完美的图像处理方法来解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于LED球幕显示屏的图像处理方法，解决现有技术中存在的技术问题，使待显示图像可以在球幕上播放时变形最小、使得播放效果更加完美。

本发明中用于LED球幕显示屏的图像处理方法，根据所述LED球幕显示屏对欲在所述LED球幕显示屏中播放的源图像进行处理，包括以下步骤：

1)获得一虚拟目标图像并取得所述虚拟目标图像的参数

根据所述LED球幕显示屏和源图像在LED球幕显示屏上形成一与LED球幕显示屏形状相同的球形虚拟目标图像，并根据所述LED球幕显示屏的尺寸以及播放系统支持播放的源图像尺寸获得所述虚拟目标图像尺寸；

2)确定所述虚拟目标图像在所述LED球幕显示屏赤道位置处的高度；

3)将所述虚拟目标图像依据组成所述LED球幕显示屏的每一行像素点作平面切割，形成每一行像素点对应的半球体弧线，再根据步骤1)、2)中获得的所述虚拟目标图像的参数计算和/或测量每一行半球体弧线距离所述虚拟目标图像球底心位置的弧长；

4)将平面切割获得的半球体弧线作展开处理，并将展开后的半球体弧线连同所述虚拟目标图像一起投影到具有源图像的投影平面内，半球体弧线投影产生的椭圆弧线段与所述虚拟目标图像投影产生的圆在所述投影平面内相交有两个交点，利用圆、椭圆和三角函数公式使平面切割后形成的半球体弧线与源图像形成变形的转换对应关系，生成适合在LED球幕显示屏播放的适用图像；

5)将多张序列帧的源图像根据以上步骤1)－4)的方法循环处理，生成所有适用图像，再通过播放系统在LED球幕显示屏中播放，获得平面显示屏中播放时相同的视觉效果。

所述步骤4)中，以所述虚拟目标图像的球底心为最低点，所述虚拟目标图像、半球体弧线、源图像在所述投影平面内位于相同的位置高度。

所述步骤4)中，所述半球体弧线连同虚拟目标图像同时投影到一具有源图像的投影平面后，按以下步骤执行：

4.1)以虚拟目标图像投影的圆的球底心为原点，在投影平面内建立水平和垂直的X轴、Y轴坐标系；

4.2)按以下公式获取椭圆弧线段与虚拟目标图像投影的圆相交的两交点(A、B)的坐标值，

θ＝P/R

c＝R*sinθ

d＝R-R*cosθ

其中：

θ为平面切割后每一行像素点所在弧线(半球体弧线)到球底心形成的弧线对应目标图像所在球心的夹角

c为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆边到圆中心的距离，也就是该平行圆的半径

d为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆心到球底的距离

R为源图像的半径

P为半球体弧线到球形目标图像球底心的弧长

根据获取的参数c、d，即为两交点(A、B)对应的坐标值(x1,y1)(x2,y2)；

4.3)利用以下椭圆公式获得每一行半球体弧线投影后在投影平面内形成的椭圆弧线段所在椭圆的短轴半径a和长轴半径b的值；

(x1/b)²+(y1/a)²＝1

其中：x1、y1分别为两交点(A、B)中一交点(A)的坐标值

4.4)根据前述参数c、d，计算交点与原点的连线和X轴相交后形成的角度α，再在椭圆弧线段上均分取点，依据该所述角度α、椭圆的短轴半径a和长轴半径b的值获取每个均分取点的坐标值，每一椭圆弧线段上的均分取点即为每一行半球体弧线上的有效像素点，均分取点的坐标值即为半球体弧线上有效像素点在所述目标图像中的行数、列数；

4.5)将半球体弧线上的有效像素点依据目标图像中对应的图案与源图像中的图案一一对应，在源图像中找出与有效像素点对应图案的图像点的坐标值，再将源图像中的图像点与有效像素点一一对应后写入目标图像中有效像素点的相应位置。

采用本发明的图像处理方法的显著技术效果在于，使图像处理加工方便，能有效完善显示效果，并解决LED球幕中适用图像的反向转换问题，使待显示图像在球幕上播放时变形最小，播放效果更加完美。另外，采用本发明的方法中的算法可在原图像生成时使用或后期使用该算法进行原图像转换，相比现有的软件工具实现方法，具有通用性强、可靠性高、效率高、易操作性等技术优势。

附图说明

图1为本发明方法中对球形图像作平面切割的示意图；

图2为本发明中LED球幕显示屏的结构示意图；

图3为本发明的方法中LED球幕显示屏物理排列示意图；

图4为本发明的方法中LED球幕显示屏参数的数据示意图；

图5为本发明的方法中球面展开示意图；

图6为本发明的方法中球面投影示意图；

图7为本发明的方法中某行像素点的参数示意图；

图8为本发明的方法中有效像素点的示意图；

图9为本发明中LED屏幕标准模组的结构示意图，图中示出了像素点的分布结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的具体实施方式做进一步说明。

LED球幕显示屏1的特征，组成LED球幕显示屏1每一行的LED模组3在展开后并不是直线排列的，其中以赤道为中线，展开后上部是正弧(向上凹)均匀排列，下部是反弧(向下凹)均匀排列，如图3所示，为此LED球幕显示屏1是以赤道为中线，呈上、下镜像对称。

具体地说，本发明中用于LED球幕显示屏1的图像处理方法首先是根据LED球幕显示屏1的实际尺寸以及播放系统支持播放的源图像尺寸获得一能在LED球幕显示屏中产生与平面显示屏中播放后视觉效果相同的虚拟目标图像，然后对该虚拟目标图像作反向处理过程，即将该虚拟目标图像在立体半球上进行展开、投影，并通过椭圆公式、三角函数等数学公式将虚拟目标图像上对应的纬度像素进行循环处理，获得该虚拟目标图像投影所得的平面图像，再将平面图像与源图像作转换映射对应处理，最终获得符合LED球幕显示屏播放的适用图像，再将该适用图像通过播放系统在LED球幕显示屏上播放，获得一最终的目标图像。从而可以在LED球幕显示屏看到与在正常平面显示屏上一样的播放效果，并且转换时间短，占用资源少。

下面以一个直径为20米，由像素点2(发光二极管)之间的距离(点距离)为2.744mm的LED屏幕模组(以下简称为标准模组)和像素点之间的距离小于2.744mm的LED屏幕模组(以下简称为非标准模组)组装而成的半球体LED球幕显示屏为例，如图9所示，其中LED屏幕标准模组3中位于同一行、同一列两相邻像素点2之间距离为5.488mm，由于相邻四个像素点呈菱形分布，使得最近两像素点之间的距离为2.744mm，为此在利用像素点距离(2.744mm)计算弧长时需要乘以2，同理，从同一列上计算LED像素点的行数，也存在有双倍的问题，例如：从距离5.488mm算的第80行也就是按距离2.744mm算的第160行，实际上为同一行，也就是在以下文件中对于像素点的行数计则采用了160行计，但用于计算弧长时需使用80行计。LED球幕显示屏中标准模组和非标准模组的分界线位于LED球幕显示屏1最下方像素点的第160行处，实际上具体的行数由半球体LED球幕显示屏的尺寸及标准模组、非标准模组的尺寸而定，并不限定于160行。

如图2和图4所示，该直径为20米的半球体LED球幕显示屏1由于采用像素点之间的距离为2.744mm的LED屏幕模组组装而成，因此在赤道处的半周长为11520像素(px)，高度为8032px，具体是11520*2.744≈3.14*10*1000，在LED球幕显示屏1最下方第160行像素点所在行的弧长为422.38mm(该弧长为测量所得)，第160行像素点以上每行之间的间距为均2.744mm。欲在该半球体LED球幕显示屏1中播放半径R为2880px的源图像(即5760px*5760px的图像)，需按以下步骤对源图像进行处理，可以在LED球幕显示屏看到与在正常平面显示屏上一样的播放效果，并且转换时间短，占用资源少。具体步骤如下：

1)获得一虚拟目标图像并取得虚拟目标图像的参数

根据LED球幕显示屏和源图像在LED球幕显示屏上形成一与LED球幕显示屏形状相同的球形虚拟目标图像，并根据LED球幕显示屏1的尺寸以及播放系统支持播放的源图像尺寸获得虚拟目标图像尺寸，包括虚拟目标图像的宽度和高度，该虚拟目标图像呈现在LED球幕显示屏中与源图像在平面显示屏中播放后的视觉效果相同。

本实例中，LED球幕显示屏的实际像素宽度为11520px，高度为8032px，由于受播放系统的限制，且欲播放的源图像为5760px*5760px的图像，是LED球幕显示屏宽度11520px的一半，因此按照2：1的缩放比例关系处理，即在LED球幕显示屏1中显示的虚拟目标图像的宽度和高度同时缩小两倍，即虚拟目标图像的有效显示范围应为5760px*4016px，进一步，由于用于球幕显示屏的播放系统支持播放的发送卡最小显示单元为1920px*1080px，以及图像的宽高比一般为4:3，故在LED球幕显示屏1中显示的虚拟目标图像的像素宽度为5760px，高度为4320px，此步骤中获得虚拟目标图像的尺寸对本领域的技术人员是容易实现的，在此对其原理不再详细说明。

2)确定虚拟目标图像在LED球幕显示屏赤道位置处的高度

LED球幕显示屏在赤道以上有24行LED模组，每行LED模组有34行像素点，即每行模组有96行像素点(2.744*34＝96)，因此赤道以上的像素高度为96*24＝2304px，LED球幕显示屏半球(赤道位置以下)的高度为：8032-2304＝5728px。由于虚拟目标图像相对于LED球幕显示屏1实际尺寸缩小了2倍，故虚拟目标图像在赤道位置处的像素高度为5728/2＝2864px，具体地说是，LED球幕显示屏中每行每列的相邻两个像素点对应虚拟目标图像中的一个像素点，即LED球幕显示屏中第160行像素点所在行对应虚拟目标图像素第80行所在像素点。实际上，上述的各个数据完全可以参考现有的球幕显示屏参数，且球幕显示屏的具体尺寸及其中LED模组的像素高度由具体的产品而定，并不限于此。

3)将赤道以下呈球形的虚拟目标图像依据组成LED球幕显示屏每一行像素点的所在位置作平面切割(也称平行切割)，形成与像素点(也称发光元素)行数对应的半球体弧线，如图1所示，再进一步确定平面切割后每行像素点所在的半球体弧线到虚拟目标图像球底心位置的弧长P，虚拟目标图像球底心(球底原点)也就是LED球幕显示屏的球底心，两者相互重合为一点。

由于在LED球幕显示屏最下方第160行的弧长为测量所得的422.38mm，因此LED球幕显示屏每行像素点距离LED球幕显示屏球底心的屏幕弧长确定Q分为两个部分：

第160行LED像素点及以下为非标模组，屏幕弧长Q＝422.38*行数/160；

第160行LED像素点以上标准模组，屏幕弧长Q＝2.744*2*(行数-160)+422.38。其中2.744为160行以上每行像素点之间的间距，同时也是每个LED像素点之间的间距，单位为mm。

由于目标图像相较于LED球幕显示屏尺寸缩放了2倍，故目标图像中每行像素点所在的半球体弧线中距离虚拟目标图像球底心的弧长P按照屏幕弧长Q除以2来处理。从而可以计算出每一行像素点所在半球体弧线距离虚拟目标图像球底心位置的弧长P。

4)平面切割后形成的半球体弧线与源图像形成变形的转换对应关系

将切割后形成的半球体弧形作展开处理，如图5所示，由于球面弧度的缘故，展开后的每行半球体弧线(像素点)呈扇面，再对该展开后呈扇面的半球体弧线进行正面投影，投影到一个投影平面内，该投影平面内同时投影有源图像，由于源图像呈平面状，因此投影有源图像的投影平面也可以由源图像所在的平面直接替代。

将呈球形的虚拟目标图像也作正面投影处理，并与展开后呈扇面的半球体弧线同时投影在同一具有源图像的投影平面上，以虚拟目标图像的球底心为最低点，使虚拟目标图像、半球体弧线、源图像三者位于同一位置高度。其中虚拟目标图像投影后在投影平面内形成一开口的圆；半球体弧线投影后为一段椭圆弧线段，椭圆弧线段越接近赤道位置的弧度越小，越远离赤道位置的弧度越大，且与圆相交，以x行为例，分别相交于两交点A、B，如图6所示。在投影完成后执行以下映射对应步骤：

4.1)以虚拟目标图像投影的圆的球底心为原点，在投影平面内建立水平、垂直的X轴、Y轴的坐标系；

4.2)获取椭圆弧线段与虚拟目标图像投影的圆相交的两交点A、B的坐标值，如图7所示，具体按以下步骤执行，

接着按以下(1)－(3)公式计算每一行半球体弧线的参数θ、c、d：

θ＝P/R (1)

c＝R*sinθ (2)

d＝R-R*cosθ (3)

其中：θ为平面切割后每一行像素点所在弧线(半球体弧线)到球底心形成的弧线对应虚拟目标图像所在球心(同时也是源图像的球心)的夹角

c为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆边到圆中心的距离，也就是该平行圆的半径

d为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆心到球底的距离

R为源图像的半径

P为第x行像素点所在弧线(半球体弧线)到球形目标图像球底心的弧长

根据获得的参数c、d，就可以获知当前半球体弧线所在切片平行圆投影的椭圆弧线段上的交点A(x1,y1)、交点B(x2,y2)的坐标值。

4.3)根据椭圆计算公式获取半球体弧线投影后在投影平面内形成的椭圆弧线段所在椭圆的短轴半径a和长轴半径b的值

下面以x(2864>＝x>＝0)行像素点的弧线(半球体弧线)为例，如图8所示，根据已知的参数c、d，以及交点A(x1,y1)、交点B(x2,y2)的坐标值，获取第x行半球体弧线投影形成的椭圆弧线段所在椭圆的短轴半径a和长轴半径b。虚拟目标图像的像素点与LED球幕显示屏实际像素点缩小了一半，因此LED球幕显示屏中第160行像素点在虚拟目标图像中为第80行，故

虚拟目标图像第80行以下的计算方法为：

L为LED球幕显示屏赤道处的四分之一周长，是定值：2.744*2*(2864-80)+422.38＝15700，单位为mm，也可以通过圆周长C＝2πr的计算方式获得。

根据LED球幕显示屏上弧长和源图像的等比公式，

得短轴半径a＝x*2880*422.38/80/L。

80行以上的计算方法为：

L为LED球幕显示屏赤道处四分之一周长，是定值：2.744*2*(2864-80)+422.38＝15700，单位为mm，与以上计算方法相同。

第80行对应的椭圆短轴半径a’＝80*2880*422.38/80/L＝77。

得80行上以的椭圆短轴半径a＝((2880-77)*(x-80)/(2864-80))+a’。

根据参数c、d，交点A、B点坐标值，以及椭圆短轴半径a，再参照以下椭圆公式(4)获得椭圆长轴半径b。

(x1/b)²+(y1/a)²＝1 (4)

4.4)获取半球体弧线上有效像素点的行数、列数值

根据前述参数c、d，获交点A与原点的连线和X轴相交后形成的角度α，角度α＝Mtan(d/c)。

其中M为交点A至原点的距离，A点的坐标值已知后，M的值也为已知值。

在半球体弧线上投影对应的椭圆弧线段上均分取点，该均分取点对应半球体弧线上的有效像素点。

例如，第100行需要取500个有效像素点(均分取点)，总的有效展开角度为180-2*α，每一个有效像素点的角度为(180-2*α)*N/500，N代表等分的份数。

根据椭圆的三角函数以及椭圆短轴半径a和椭圆长轴半径b推导出每个有效像素点的x坐标为：b*cos(180-(α+(180-2*α)*N/500))；每个有效像素点的y坐标为：a*sin(180-(α+(180-2*α)*N/500))。

4.5)将虚拟目标图像球底心、赤道两端点呈现的图案与源图像中呈现的图案作一一对应，将源图像中对应的图像点的坐标值写入虚拟目标图像球底心、赤道两端点对应的位置；

第x行椭圆弧线段上均分取点的坐标值即为第x行半球体弧线上有效像素点在虚拟目标图像中对应像素点的行数与列数，将半球体弧线上的有效像素点依据虚拟目标图像中呈现的图案与源图像中的图案一一对应，在源图像中找出与有效像素点对应图案的图像点的坐标值，再将源图像中的图像点的坐标值与有效像素点的坐标值一一对应后写入虚拟目标图像第x行有效像素点的相应位置。

5)循环第4)步骤，最终获得的所有半球体弧线中有效像素点对应的图像点，再将图像点与有效像素点一一映射对应，再以虚拟目标图像的中心为基准，将上下两个部分镜像对称处理后组合生成一幅适合LED球幕显示屏播放的适用图像，该适用图像中的图案与源图像中的图案从视觉上看已呈凌乱状，但通过播放系统放大显示在LED球幕显示屏中后，可以呈现与源图像视觉效果相同的最终的目标图像。

6)将多张序列帧的源图像根据以上方法循环处理，生成所有适用图像，再通过播放系统后可以在LED球幕显示屏播放。

综上所述，本发明中用于LED球幕显示屏的图像处理方法是以LED球幕显示屏、源图像为基准，应用LED球幕显示屏尺寸与源图像尺寸及相关参数的映射关系，最终获得适合在LED球幕显示屏中播放的适用图像。

采用本发明的图像处理方法，使图像处理加工方便，能有效完善显示效果，使待显示图像在球幕上播放时变形最小，播放效果更加完美。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种用于LED球幕显示屏的图像处理方法，根据所述LED球幕显示屏对欲在所述LED球幕显示屏中播放的源图像进行处理，包括以下步骤：

1)获得一虚拟目标图像并取得所述虚拟目标图像的参数

根据所述LED球幕显示屏和源图像在LED球幕显示屏上形成一与LED球幕显示屏形状相同的球形虚拟目标图像，并根据所述LED球幕显示屏的尺寸以及播放系统支持播放的源图像尺寸获得所述虚拟目标图像尺寸；

2)确定所述虚拟目标图像在所述LED球幕显示屏赤道位置处的高度；

3)将所述虚拟目标图像依据组成所述LED球幕显示屏的每一行像素点作平面切割，形成每一行像素点对应的半球体弧线，再根据步骤1)、2)中获得的所述虚拟目标图像的参数计算和/或测量每一行半球体弧线距离所述虚拟目标图像球底心位置的弧长；

4)将平面切割获得的半球体弧线作展开处理，并将展开后的半球体弧线连同所述虚拟目标图像一起投影到具有源图像的投影平面内，半球体弧线投影产生的椭圆弧线段与所述虚拟目标图像投影产生的圆在所述投影平面内相交有两个交点，利用圆、椭圆和三角函数公式使平面切割后形成的半球体弧线与源图像形成变形的转换对应关系，生成适合在LED球幕显示屏播放的适用图像；

5)将多张序列帧的源图像根据以上步骤1)－4)的方法循环处理，生成所有适用图像，再通过播放系统在LED球幕显示屏中播放，获得平面显示屏中播放时相同的视觉效果。

2.根据权利要求1中所述的用于LED球幕显示屏的图像处理方法，其特征在于，所述步骤4)中，以所述虚拟目标图像的球底心为最低点，所述虚拟目标图像、半球体弧线、源图像在所述投影平面内位于相同的位置高度。

3.根据权利要求2中所述的用于LED球幕显示屏的图像处理方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述半球体弧线连同虚拟目标图像同时投影到一具有源图像的投影平面后，按以下步骤执行：

4.1)以虚拟目标图像投影的圆的球底心为原点，在投影平面内建立水平和垂直的X轴、Y轴坐标系；

4.2)按以下公式获取椭圆弧线段与虚拟目标图像投影的圆相交的两交点(A、B)的坐标值，

θ＝P/R

c＝R*sinθ

d＝R-R*cosθ

其中：

θ为平面切割后每一行像素点所在弧线(半球体弧线)到球底心形成的弧线对应目标图像所在球心的夹角

c为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆边到圆中心的距离，也就是该平行圆的半径

d为平面切割后每一行半球体弧线所在平行圆圆心到球底的距离

R为源图像的半径

P为半球体弧线到球形目标图像球底心的弧长

根据获取的参数c、d，即为两交点(A、B)对应的坐标值(x1,y1)(x2,y2)；

4.3)利用以下椭圆公式获得每一行半球体弧线投影后在投影平面内形成的椭圆弧线段所在椭圆的短轴半径a和长轴半径b的值；

(x1/b)²+(y1/a)²＝1

其中：x1、y1分别为两交点(A、B)中一交点(A)的坐标值

4.4)根据前述参数c、d，计算交点与原点的连线和X轴相交后形成的角度α，再在椭圆弧线段上均分取点，依据该角度α、椭圆的短轴半径a和长轴半径b的值获取每个均分取点的坐标值，每一椭圆弧线段上的均分取点即为每一行半球体弧线上的有效像素点，均分取点的坐标值即为半球体弧线上有效像素点在所述目标图像中的行数、列数；

4.5)将半球体弧线上的有效像素点依据目标图像中对应的图案与源图像中的图案一一对应，在源图像中找出与有效像素点对应图案的图像点的坐标值，再将源图像中的图像点与有效像素点一一对应后写入目标图像中有效像素点的相应位置。

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