CN111062869A - 一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，首先获取曲面幕的参数，测量所有投影仪相对于曲面幕的位置及姿态参数，并统一坐标系。随后构建包含虚拟曲面幕与虚拟投影仪的虚拟场景，计算出投影仪画面投影到球幕上时的画面变形关系，获取投影变换关系；最后在投影仪的屏幕空间构建插值网格；通过上述方式得到各个投影仪屏幕空间微调所需的插值网格。随后进行微调并生成微校变换参数表；将投影变换与微校变换得到的二维映射表进行整合；使用几何校正参数渲染画面，得到各投影仪投射的预变形画面；最终投影仪投出预变形画面完成拼接校正。本发明仅需进行一次初校，且通过微校解决部分测量误差、施工误差及设备使用时间过长导致的沉降误差等。

Description

一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法
技术领域
本发明设计虚拟现实技术领域，具体来说是面向曲面幕的多通道校正拼接的方法。
背景技术
随着虚拟现实技术的发展，使用虚拟现实技术作为显示方案的工程项目越来越多。大型投影幕可供多人同时观看，同时具有很强的沉浸感，非常适合大型虚拟现实工程的展示。大型投影幕广泛应用于飞行训练、3D体验馆、现场广告推广等行业。
根据投影幕的外观，可以将投影幕分为平面投影幕与曲面投影幕。平面投影幕制造技术成熟，制造成本与使用成本相较于曲面投影幕有很大的成本优势。以往项目中选用平面幕的案例相对较多。随着曲面幕制造工艺的提升，曲面幕的成本逐渐达到了市场可以接受的程序。而且市场对展示效果要求的也越来越高，使得曲面幕的需求正越来越高。
曲面幕的优势在于同样空间内能提供更大视野，给观众更强的沉浸感。曲面幕使用多通道投影的方式可以提升显示的细腻程度，增大显示视场。将多个通道的投影拼接显示到曲面幕上具有较高的技术要求。随着曲面幕的应用越来越多，多通道曲面幕拼接技术显得越来越关键。
多通道曲面幕的拼接过程主要是求解原始非变形画面与最终画面的关系。通过对原始画面进行预变形，使最终投影仪输出的画面实现几何校正与拼接。
求解初始画面与最终画的关系，一种方案是需要对整个场景进行三维重建。重建的过程需要将投影仪的位置和姿态、球幕的位置和姿态、球幕与投影仪的姿态关系、投影仪的内部参数等分别获取。目前大部分使用摄像头进行位置与姿态的解算。解算出上述关键参数，然后根据这些参数构建三维虚拟场景，进行最终关系的解算。
另一种求取关系的方案是忽略三维场景的具体参数，直接求取初始画面和最终画面的关系。这种方案需要借助外部工具，将投影幕按照极坐标，将幕划分为等间隔的经纬度网格。三维虚拟场景中进行同样的划分，最后通过人工拖拽网格的方式，将需拟场景与实际球幕的网格进行匹配。
虽然现在的拼接校正技术早已广泛应用于各种军用、民用项目中，但是现有的方案技术中仍有如下缺点
a)只能针对预设几何形状进行拼接，如球形、柱形。无法表达过于复杂表面。
b)使用摄像头进行拼接参数获取时，对于现场的光照环境依赖严重，过亮或过暗的环境，无法顺利完成拼接。
c)使用纯网格拖拽的方式除了费时费力外，对于拼接人员的经验要求也较高，对于标定点的精度要求也比较高，很容易出现局部校正不正确的情形。
d)现有方案多使用two-pass方式进行画面预变形。变形过程中存在精度损失。
发明内容
本发明针对现有方案中存在的问题，提出了一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，使用投影幕的三维模型以及通过全站仪测量出的投影仪参数进行虚拟场景建模。通过初调与微调结合的方式进行拼接。
本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，具体步骤如下：
步骤1：根据曲面幕的三维模型，得到曲面幕的参数。
步骤2：使用全站仪测量所有投影仪相对于曲面幕的位置及姿态参数，并统一在全站仪所在坐标系下。
步骤3：使用曲面幕参数构建虚拟曲面幕，使用投影仪参数构建虚拟投影仪。
步骤4：根据步骤3中构建的虚拟场景，计算出投影仪画面投影到球幕上时的画面变形关系，获取投影变换关系。
根据投影仪的偏航角，为每个投影仪构建对应的虚拟投影仪，其中虚拟投影仪的俯仰角和滚转角均设为0，虚拟投影仪的位置在眼点处；虚拟投影仪投在幕上的画面需大于或等于投影仪投在幕上的区域；记录虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。
令Pv为虚拟投影仪产生的画面上一点，Ps为Pv在曲面幕上的投影，Pr为真实投影机中与 Pv对应的点；从Pv到Pr的关系即所需投影变换关系。设Suv-virtual为Pv在虚拟相机屏幕空间的坐标，Suv-proj为Pr在真实投影仪屏幕空间的坐标：
Suv-proj＝Mp-projMv-projMm-surfaceSuv-virtual
Suv-virtual＝Mp-virtualMv-virtualMm-surfaceSuv-virtual
通过下式得到从Pv到Pr的投影变换关系：
Tmap-vr＝Suv-virtual→Suv-proj
上式中Mm-surface表示Pv点对应的世界矩阵，Mv-proj表示投影仪的视矩阵，Mp-proj表示投影仪的投影矩阵，Mv-virtual表示虚拟相机的视矩阵，Mp-virtual表示虚拟相机的投影矩阵。
根据实际应用的曲面幕，选择并使用步骤1中的对应的曲面表达式对所有Pv,Ps,Pr三点组合进行枚举，获取二维映射表Tmap-vr和虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。
步骤5：在投影仪的屏幕空间构建插值网格。
重复步骤2～5，得到各个投影仪屏幕空间微调所需的插值网格。
步骤6：微调并生成微校变换参数表。
步骤7：将步骤4投影变换与步骤6微校变换得到的二维映射表进行整合。
步骤8：使用几何校正参数渲染画面，得到各投影仪投射的预变形画面。
步骤9：投影仪投出预变形画面完成拼接校正。
本发明的优点在于：
1、本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，使用设计三维模型进行曲面建模，增加曲面精度，可以适应各种异形幕。
2、本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，投影仪参数测量使用全站仪进行，测量精度高，对光照环境要求低，提高测量稳定性。
3、本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，将拼接过程分为初校(初始校正)与微校(微调校正)两个部分，在硬件安装完成后仅需进行一次初校，微校用于解决部分测量误差、施工误差及设备使用时间过长导致的沉降误差等。
4、本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，分离校正计算与校正应用，使用single-pass进行几何校正，减少几何校正绘制开销，提高校正精度。
附图说明
图1为本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法整体流程图；
图2为本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法中全站仪、投影仪相对曲面幕的位置关系示意图；
图3为本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法中得到的虚拟场景示意图；
图4为本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法中虚拟投影仪投影变换关系示意图；
图5为本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法中微校所需的插值网格示意图；
图6为采用本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法可实现的平滑效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：根据曲面幕的三维模型，通过三维软件测得曲面幕的参数。
根据三维模型将曲面幕参数化，常见的曲面构型如球幕、柱幕等可以简化解析表示
球幕三位表示公式的简化解析表示为：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝r2 (1)
式中，(x0,y0,z0)为球心，r为半径；
柱幕三位表示公式的简化解析表示为：
(x-x0)2+(z-z0)2＝r2 (2)
式中，(x0,z0)为轴心。
异型幕无法简化为解析表达，只能使用离散化表式方式，本发明中使用离散化的网格进行表示。
步骤2：使用全站仪，测量所有投影仪相对于曲面幕的位置及姿态参数；
全站仪置于曲面幕正面，全站仪的具体摆放位置以能直接测量曲面幕与投影仪为准，中间不得有任何其它遮挡物。全站仪与幕、地面、投影仪的距离以在全站仪的测量量程范围内为准。投影仪为两个或两个以上，用于将画面打在曲面幕上，且保证投影仪在曲面幕上打出的画面间具有重合部分，如图2所示。
使用全站仪测量屏幕上左上、左下、右上、右下四个点的坐标，进一步求得四个点连线构成的矩形的中心点坐标O，并以O点为原点建立三维直角坐标系O(x、y、z)。
令面向曲面幕的方向为OZ方向，朝向曲面幕右侧为OX方向，竖直向上的方向为OY方向。根据全站仪测出的四个点，由曲面幕参数中找到相对应的四个点，进而将步骤1中的曲面幕参数在新坐标系O(x、y、z)中表示出来。
使用全站仪可测得投影仪镜头位置Pxyz，投影仪前面板上左上、右上、左下三点坐标P1、 P2、P3，分别为投影仪三个角点。通过式(3)测得投影仪朝向的空间向量
Figure BDA0002309052470000041
Figure BDA0002309052470000042
构造向量
Figure BDA0002309052470000043
在XZ平面的投影向量
Figure BDA0002309052470000044
通过下两式解得投影仪的
偏航角θP、俯仰角
Figure BDA0002309052470000045
其中
Figure BDA0002309052470000046
为Z轴单位向量
Figure BDA0002309052470000047
Figure BDA0002309052470000048
最终得到投影仪参数：投影仪坐标Pxyz，投影仪偏航角θP，投影仪俯仰角
Figure BDA0002309052470000049
此时投影仪与曲面幕参数都以当前全站仪所在坐标系O(x、y、z)为基准，统一在同一坐标系下。
步骤3：使用曲面幕参数构建虚拟曲面幕，使用投影仪参数构建虚拟投影仪。
根据步骤1中得到的曲面幕的参数，以及步骤2中得到的投影仪参数，将真实场景中的投影仪与投影幕完整的在虚拟空间中重建出来。使用投影仪的焦距比，在虚拟三维场景中复现出投影仪的光路，如图3所示。
步骤4：根据步骤3中构建的虚拟场景，计算出投影仪画面投影到球幕上时的画面变形关系，获取投影变换关系。
根据投影仪的偏航角，为每个投影仪构建对应的虚拟投影仪，其中虚拟投影仪的俯仰角和滚转角均设为0，虚拟投影仪的位置在眼点(显示系统使用时人眼所在位置)处，如图4 所示。虚拟投影仪投在幕上的画面应大于或等于投影仪投在幕上的区域。记录虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。
Pv为虚拟投影仪产生的画面上一点，Ps为Pv在曲面幕上的投影，Pr为真实投影机中与Pv对应的点。从Pv到Pr的关系即所需投影变换关系。设Suv-virtual为Pv在虚拟相机屏幕空间的坐标， Suv-proj为Pr在真实投影仪屏幕空间的坐标。通过公式(6)、公式(7)，可以解得从Pv到Pr的投影变换关系，使用式(8)进行表示。
Suv-proj＝Mp-projMv-projMm-surfaceSuv-virtual (6)
Suv-virtual＝Mp-virtualMv-virtualMm-surfaceSuv-virtual (7)
Tmap-vr＝Suv-virtual→Suv-proj (8)
上式中Mm-surface表示Pv点对应的世界矩阵，Mv-proj表示投影仪的视矩阵，Mp-proj表示投影仪的投影矩阵，Mv-virtual表示虚拟相机的视矩阵，Mp-virtual表示虚拟相机的投影矩阵。以上5个矩阵均可以通过虚拟场景计算得出。
根据实际应用的曲面幕，选择并使用步骤1中的对应的曲面表达式对所有Pv,Ps,Pr三点组合进行枚举，获取二维映射表Tmap-vr和虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。
步骤5：生成微校所需的插值网格。
微调变换发生在投影仪的屏幕空间。在屏幕空间构建插值网格。选用Catmull-Rom构造插值样条网格，使用基函数确定具体的插值样条函数，基函数公式为
Figure BDA0002309052470000051
其中，x′为网格点的坐标。
生成插值样条网格如图5所示。
重复步骤2～5，得到各个投影仪屏幕空间微调所需的插值网格。
步骤6：微调并生成微校参数。
移动插值网格控制点，使相邻投影仪打出画面中的控制点重合。此时相邻投影仪画面拼接完成。记录控制点相对原始位置产生成偏移，生成微调变换参数表。以Tmap-inching表示微设参数表，Suv-proj表示原始坐标，Suv-inching表示微调后的坐标。
Tmap-inching＝Suv-proj→Suv-inching (10)
步骤7：生成几何校正参数。
几何校正总共分为两个部分，步骤4中的投影变换，步骤6中的一个是微校变换。两种关系最终的表现形式均为二维映射表。将两张映射表整合成一张表
Tgeometry＝Suv-virtual→Suv-proj→Suv-proj＝Tmap-main→Tmap-inching (11)
将最终结果保存为二维映射表。Tgeometry即为最终的几何校正参数。
为了高效率的使用这张二维映射表，使用GPU进行映射表的使用。将二维映射表数据存储进双通道浮点格式纹理中。在framebuffer的片断阶段，使用纹理采样函数获取二维映射表的值。
步骤8：使用几何校正参数渲染画面，
渲染时将仿真软件里相机参数设置为步骤4中记录的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。屏幕空间应用几何校正参数，得到最终的预变形画面。
步骤9：投影仪投出画面完成拼接校正。
所有投影仪投射出对应的预变形画面，得到最终画面。
以往在线几何校正方案中，场景只能以投影仪的最大分辨率进行渲染，导致从原始画面到最终画面的映射会现纹理坐标的精度损失，会使画面出现精度损失，如图6左侧所示。本方案中的离线几何校正可以在生成校正参数过程中提高虚拟场景的分辨率，相应的会获得精度很高的校正参数，可以实现如图6右侧所示的平滑效果。

Claims (4)

1.一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：根据曲面幕的三维模型，得到曲面幕的参数；
步骤2：使用全站仪测量所有投影仪相对于曲面幕的位置及姿态参数，并统一在全站仪所在坐标系下；
步骤3：使用曲面幕参数构建虚拟曲面幕，使用投影仪参数构建虚拟投影仪；
步骤4：根据步骤3中构建的虚拟场景，计算出投影仪画面投影到球幕上时的画面变形关系，获取投影变换关系；
根据投影仪的偏航角，为每个投影仪构建对应的虚拟投影仪，其中虚拟投影仪的俯仰角和滚转角均设为0，虚拟投影仪的位置在眼点处；虚拟投影仪投在幕上的画面需大于或等于投影仪投在幕上的区域；记录虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy；
令Pv为虚拟投影仪产生的画面上一点，Ps为Pv在曲面幕上的投影，Pr为真实投影机中与Pv对应的点；从Pv到Pr的关系即所需投影变换关系；设Suv-virtual为Pv在虚拟相机屏幕空间的坐标，Suv-proj为Pr在真实投影仪屏幕空间的坐标：
Suv-proj＝Mp-projMv-projMm-surfaceSuv-virtual
Suv-virtual＝Mp-virtualMv-virtualMm-surfaceSuv-virtual
通过下式得到从Pv到Pr的投影变换关系：
Tmap-vr＝Suv-virtual→Suv-proj
上式中Mm-surface表示Pv点对应的世界矩阵，Mv-proj表示投影仪的视矩阵，Mp-proj表示投影仪的投影矩阵，Mv-virtual表示虚拟相机的视矩阵，Mp-virtual表示虚拟相机的投影矩阵；
根据实际应用的曲面幕，选择并使用步骤1中的对应的曲面表达式对所有Pv,Ps,Pr三点组合进行枚举，获取二维映射表Tmap-vr和虚拟投影仪的偏航角θvp，垂直视场角θfovy。
步骤5：在投影仪的屏幕空间构建插值网格；
重复步骤2～5，得到各个投影仪屏幕空间微调所需的插值网格；
步骤6：微调并生成微校变换参数表；
步骤7：将步骤4投影变换与步骤6微校变换得到的二维映射表进行整合；
步骤8：使用几何校正参数渲染画面，得到各投影仪投射的预变形画面；
步骤9：投影仪投出预变形画面完成拼接校正。
2.如权利要求1所述一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，其特征在于：步骤2 具体方法为：
使用全站仪测量屏幕上左上、左下、右上、右下四个点的坐标，进一步求得四个点连线构成的矩形的中心点坐标O，并以O点为原点建立三维直角坐标系O(x、y、z)；
令面向曲面幕的方向为OZ方向，朝向曲面幕右侧为OX方向，竖直向上的方向为OY方向；根据全站仪测出的四个点，由曲面幕参数中找到相对应的四个点，进而将步骤1中的曲面幕参数在新坐标系O(x、y、z)中表示出来；
使用全站仪可测得投影仪镜头位置Pxyz，投影仪前面板上左上、右上、左下三点坐标P1、P2、P3，分别为投影仪三个角点；通过下式测得投影仪朝向的空间向量
Figure FDA0002309052460000021
Figure FDA0002309052460000022
构造向量
Figure FDA0002309052460000023
在XZ平面的投影向量
Figure FDA0002309052460000024
通过下两式解得投影仪的偏航角θP、俯仰角
Figure FDA0002309052460000025
其中，
Figure FDA0002309052460000026
为Z轴单位向量
Figure FDA0002309052460000027
Figure FDA0002309052460000028
最终得到投影仪参数：投影仪坐标Pxyz，投影仪偏航角θP，投影仪俯仰角
Figure FDA0002309052460000029
3.如权利要求1所述一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，其特征在于：步骤6具体方法为：
移动插值网格控制点，使相邻投影仪打出画面中的控制点重合；此时相邻投影仪画面拼接完成；记录控制点相对原始位置产生成偏移，生成微调变换参数表；以Tmap-inching表示微设参数表，Suv-proj表示原始坐标，Suv-inching表示微调后的坐标。
Tmap-inching＝Suv-proj→Suv-inching。
4.如权利要求1所述一种面向曲面幕的多通道校正拼接的方法，其特征在于：使用GPU进行步骤7整合后的映射表的使用；将二维映射表数据存储进双通道浮点格式纹理中；在framebuffer的片断阶段，使用纹理采样函数获取二维映射表的值。
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